Одностронний поляриметр Советский патент 1979 года по МПК G01N21/40 

1

Изобретение относится к области оптического приборостроения, а более конкретно - к оптическим приборам для определения напряжений и деформаций в натурных объектах и сооружениях путем измерения параметров двулучепреломления в отражательных покрытиях и датчиках.

Известны односторонние поляриметры, предназначенные для измерения разности хода и направлений главных напряжений в фотоупругих покрытиях и датчиках в отраженном свете. Такие поляриметры содержат осветительную ветвь с поляризатором и регистрирующую ветвь с компенсатором и анализатором.

Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому поляриметру является односторонний поляриметр. Он содержит источник света, поляризатор, полупрозрачное зеркало, анализатор, компенсатор и регистрирующее устройство. При этом источник света и поляризатор расположены с одной, а остальные элементы - с другой стороны зеркала. От источника света луч проходит поляризатор, отражается от полупрозрачного зеркала и падает на фотоупругое покрытие, соединенное с исследуемым объектом. Отразившись от поверхности объекта, луч снова проходит зеркало, а затем поступает в компенсатор, анализатор и регистрирующее устройство.

Серьезным недостатком такой схемы является необходимость вращения всего прибора вокруг его продольной оси, нормальной к покрытию. Для определения направлений главных напряжений (параметра изоклины) в выбранной для измерения точке покрытия весь прибор необходимо повернуть до получения на выходе минимальной освещенности. В этом полол ении фиксируется отсчет, характеризующий параметр изоклины. Затем для измерения в этой же точке покрытия разности хода весь прибор разворачивается на 45°.

Вращение является измерительной операцией и производится при определении разности хода и параметра изоклины в каждой точке покрытия. Вращение всего поляриметра, особенно, если учесть несимметричность прибора относительно оси вращения, значительно усложняет конструкцию и повышает требования к узлам прибора. Кроме того, это вносит в измерения дополнительные погрешности: увод визирной оси при вращении вносит погрещность в координату измерительной точки; разность хода и изоклина измеряются не строго в одной и той же точке; эксцентриситет, который появляется при длительной эксплуатации, вносит погрешность в измерения и параметры изоклины и разности хода.

Целью изобретения является упрощение конструкции поляриметра и повышение томности измерений.

Для достижения этой цели за полупрозрачным зеркалом дополнительно установлен ахроматический вращатель с переменным углом новорота плоскости поляризации. Ахроматический вращатель может быть выполнен в виде двух компонентов из оптически активных кристаллов с разной дисперсией вращения плоскости поляризации, каждый из которых содержит плоскопараллельную пластину, подвижный и неподвижный клинья, при этом подвижные клинья связаны с общим механизмом перемещения, а отнощение тангенсов их углов равно отнощенню дисперсий вращения плоскости поляризации.

Введение такого вращателя позволяет производить необходимые для измерения повороты плоскости поляризации светового колебания, падающего на покрытие, при неподвижном корпусе прибора. В приведенном ниже описании конструкции вращателя измерение угла поворота плоскости поляризации осуществляется за счет перемещения двойного клина.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема предлагаемого поляриметра; на фиг. 2- одна из возможных схем ахроматического вращателя с переменным углом вращения плоскости поляризации.

Поляриметр содержит источник света 1, поляризатор 2, полупрозрачное зеркало 3, переменный ахроматический вращатель 4, компенсатор 5, анализатор 6, плоскость поляризации которого скрещена с плоскостью поляризации поляризатора, и регистрирующее устройство 7, представляюп1ее собой окулярную насадку нри визуальных наблюдениях или фотоэлектрический фоторегистратор. Продольная ось поляриметра нормальна к оптически чувствительному покрытию 8, соединенному с исследуемым объектом.

Вращатель содержит два компонента I и II, выполненных из оптически активных кристаллов, обладающих разной дисперсией вращения плоскости поляризации. Каждый компонент содержит плоскопараллельную пластину соответственно 9 и 10, неподвижный 11 и 12 и подвижный 13 и 14 клинья. Углы подвижного и неподвижного клиньев каждого компонента равны, так что они образуют плоскопараллельную пластину переменной толщины. Отнощение тангенсов углов клиньев компонентов равно отношению дисперсий вращения поляризации использованных кристаллов. Все элементы вращателя вырезаны перпендикулярно оптической оси (ее направление показано на фиг. 2 двойной стрелкой). В каждом комноненте плоскопараллельная пластина И клинья изготавливаются из энантиоморфных модификаций кристалла, поэтому результирующий угол поворота плоскости поляризации определяется разностью толщины пластины и клиньев (эффективная толщина компонента). Оба подвижных клина связаны с общим механизмом перемещения 15.

Поляриметр работает следующим образом.

Свет от источника 1 проходит через поляризатор 2, плоскость пропускания которого перпендикулярна плоскости падения и плоскости пропускания анализатора 6. Отразивщнсь от полупрозрачного зеркала 3, свет нроходит вращатель 4 и затем оптически чувствительное покрытие 8. После отражения от задней поверхности покрытия, свет вторично проходит покрытие, вращатель и полупрозрачное зеркало. Если вращатель находится в исходном нулевом положении, когда он не поворачивает плоскость поляризации, и напряжения в объекте отсутствуют, прошедн1ее полупрозрачное зеркало световое колебание остается линейно поляризованным и сохраняет свое первоначальное положение относительно плоскости падения. В этом случае анализатор 6 при исходном (нулевом) положении компенсатора 5 задерживает поступающее световое колебание, так как его плоскость поляризации перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора 2. Регистрирующее устройство фиксирует минимальную освещенность на выходе прибора. Пусть в исследуемом участке покрытия возникло напряженное состояние, характеризуемое разностью хода «б и направлениями главН1)1х капряжений, составляющими угол а с плоскостью падения зеркала. Для нахождения параметра изоклины необходимо, чтобы врап атель повернул плоскость поляризации на угол а или 90-а в зависимости от направления поворота. Это осуществляется перемещением обоих подвижных клиньев на некоторую величину .гс. При этом плоскость поляризации выходящего из поляриметра светового колебания совпадает с направлением одного из главных напряжений. После повторного прохождения света через вращатель плоскость поляризации поворачивается в обратном направлении на тот же угол и, следовательно, принимает исходное ноложение и гасится анализатором. Регистрирующее устройство фиксирует минимальную освещенность. Затем клинья смещают на некоторую величину у, соответствующую повороту плоскости поляризации на 45°. В этом случае из вращателя выходит линейно поляризованное колебание под углом 45° к направлению главных нанряжений в покрытии. После двойного прохождения покрытия выходящее из него световое колебание в общем случае представляет собой эллипс, главные оси которого составляют 45° с главными напряжениями. Вращатель поворачивает главные оси без изменения эллиптичности до совпадения одной из них с плоскостью падения.

Для изготовления ахроматического вращателя могут быть использованы оптически активные кристаллы, например кварц, иодат лития, силлекиты.

Пределы утла поворота плоскости поляризации вращателя с запасом можно принять равными Оч-60°, так как одно из направлений главных напряжений всегда находится в пределах ±45° от направления плоскости поляризации колебания, отразившегося от полупрозрачного зеркала, и последующий поворот плоскости поляризации, необходимый для измерения разности хода, равен 45°.

В случае использования для изготовления вращателя кристаллов кварца и иодата лития изменение эффективной толщины компонентов, необходимое для обеспечения , равно 3 и 0,234 мм. При диапазоне перемещения клиньев 15 мм смещение клиньев на 0,12 мм соответствует повороту плоскости поляризации на 0,5°. Таким образом, погрещность измерения параметра изоклины в 0,5°, которая обычно требуется от таких измерений, легко может быть достигнута даже при смещении клиньев от руки, без специального механизма перемещения.

Введение ахроматического вращателя с переменным углом вращения, расположенного за полупрозрачным зеркалом позволяет производить все необходимые измерения при неподвижном корпусе прибора. Это

значительно упрощает конструкцию прибора, облегчает работу и повыщает точность измерений. Устраняется причина прецессии визирной оси, которая, например, в опытных образцах прибора ОПП в переводе на линейные размеры исследуемого покрытия составляла от 5 до 10 мм. Смещение клиньев вращателя не смещает изображения исследуемой точки объекта с центра сетки

наблюдательной системы, так как при этом параметр изоклины и разность хода измеряются не в разных, а в одной точке, повышается и точность определения координаты и параметров дзупреломления.

Формула изобретения

1.Односторонний поляриметр, содержащий источник света, поляризатор, полупрозрачное зеркало, анализатор, компенсатор

н регистрирующее устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции, за полупрозрачным зеркалом дополнительно установлен ахроматический вращатель

с переменным углом плоскости поляризации.

2.Поляриметр по п. 1, отличающийс я тем, что ахроматический вращатель выполнен в виде двух компонентов из оптически активных кристаллов с разной дисперсией вращения плоскости поляризации, каждый из которых содержит плоскопараллельную пластину, подвилсный и неподвижный клинья, при Э;ом подвижные клинья

связань с общим механизмом перемещения, а отнощение тангенсов их углов равно отношению дисисрсий вращения плоскости поляризации.

(Puz.1

;/

.г