Поляриметр Советский патент 1980 года по МПК G01J4/04 

(54) ПОЛЯРИМЕТР

I

Предлагаемый поляриметр относится к оптическому приборостроению и предназначен для одновременных и непрерывных измерений направлений осей (изоклины) и разности фаз в двулучепреломляющих объектах, например, при исследованиях .механических напряжений в конструкциях и сооружениях поляризационно-оптическим методом.

Известны поляриметрические установки 1 для исследования механических напряжений в конструкциях методом фотоупругости, которые основаны на исследовании прозрачных моделей, изготовленных из материалов, в которых возникают явления двойного лучепреломления уже при небольших внутренних напряжениях.

Недостатком таких поляриметров является раздельное измерение направления осей (изоклин) и разности фаз двулучепреломления объекта.

Наиболее близким техническим решением является поляриметр 2 для одновременных измерений как направления осей, так и разности фаз двулучепреломляющих объектов. Он содержит осветитель, фокусирующую систему, место для закрепления объекта, с одной стороны которого установлены поляризационный фильтр, четвертьволновая пластинка и находящийся между ними модулятор Фарадея, а по другую сторону - второй модулятор Фарадея и второй поляризованный фильтр, плоскость пропускания которого с помощью синхронной связи постоянно составляет прямой угол с « быстрой осью четвертьволновой пластинки, а также фотоприемную часть с делителем света и двумя фотоприемниками, покрытыми разными светофильтрами.

Одним из серьезных недостатков этого поляриметра является то, что при одновременных и непрерывных измерениях направления осей и разности фаз имеет место неоднозначность в определении направления осей объекта.

Цель изобретения - устранение неоднозначности в определении направления главных осей двулучепреломляющего объекта при одновременных и непрерывных измерениях направления осей и разности фаз. Это достигается тем, что в поляриметре поляризационные фильтры и четвертьволновая лластинка выполнены по диаметру, меньшими диаметра рабочего пучка света, разделяя его по состоянию поляризаций на централь-, ную и периферийную части, и укреплены на прозрачных изотопных пластинках, поляризационный фильтр, синхронно связанный с четвертьволновой пластинкой, дополнен периферийной частью в виде кольца, плоскость пропускания которой составляет угол ± 45°С с плоскостью пропускания его центральной части, непосредственно между модулятором Фарадея и находящимся рядом по- яризационным фильтром установлен дополнительный поляризационный фильтр диаметром, не менее диаметра рабочего пучка и с отверстием в центре по диаметру центральной части пучка, плоскость пропускания которого постоянно составляет угол 90° с периферийной частью составного поляризационного фильтра, а перед делителем света фотоприемной части установлено зеркало с овальным отверстием по диаметру центральной части пучка, и дополнительный фотоприемник, который через усилитель связан с реверсивным двигателем привода четвертьволновой пластинки.

На чертеже показана структурная схема предлагаемого поляриметра.

Источник белого света 1 и конденсор 2 составляют осветитель, который направляет свет на диафрагму 3, находящуюся в фокусе линзы 4. За линзой 4 установлена линза 5. Система линз 4 и 5 рассчитана так, что изображение диафрагмы 3 переносится в плоскость объекта 6, для которого предусмотрено специальное место в виде столика. За объектом 6 установлена линза 7. Линзы 5 и 7 выполнены из изотропного материала без внутренних натяжений. С одной стороны объекта 6, перед ним, установлены поляризационный фильтр 8, четвертьволновая пластинка 9 и находящийся между ними модулятор Фарадея 10, возбу кдаемый переменным током, частоты сети со, а по другую сторону - другой поляризационный фильтр 11, плоскость пропускания которого с помощью синхронной связи 12 постоянно составляет прямой угол с «быстрой осью четвертьволновой пластинки 9. Поляризационные фильтры 8, 11 и четвертьволновая пластинка 9 выполнены по диаметру несколько меньшими диаметра коллимированного рабочего пучка света, разделяя его по состоянию по.ляризации на центральную и периферийную части, и укреплены на прозрачных изотропных пластинах 13.

Поляризационный фильтр 11 дополнен периферийной частью в виде кольца из поляризационного фильтра 14, плоскость пропускания которого составляет угол ±45° с плоскостью пропускания центральной час. ти П. Между модулятором Фарадея 10 и

находящимися рядом поляризационным фильтром 8 установлен дополнительный поляризационный фильтр 15 с наружным диаметром не менее диаметра рабочего пучка, в центре которого имеется отверстие диаметром, равным диаметру центральной части пучка света.

Поляризационный фильтр 15 с помощью синхронной связи 16 связан с четвертьволновой пластинкой 9 так, что его плоскость пропускания постоянно составляет угол 90° с периферийной частью 14 составного поляризационного фильтра 11, 14, также синхронно связанного с четвертьволновой пластинкой 9.

За поляризационными фильтрами 11, 14 установлена фотоприемная часть, состоящая из наклонного зеркала 17 с овальным отверстием в центре под диаметр центральной части пучка света, делителя света 18,

двух фотоприемников 19, 20, покрытых различными по спектру пропускания фильтрами 21, 22 и дополнительного фотоприемника 23. Фильтр 21 имеет максимум пропускания, совпадающий с рабочей длиной волны излучения Xi, а максимум пропускания фильтра 22 совпадает с другой длиной волны Хг, отличающейся от Я.i, на малую величину АХ. Фотоприемник 23, избирательный усилитель 24 и реверсивный двигатель 25, механически связанный с элементами 15, 9, 14,

11 и через дифференциал 26 и 8, входят в следящую систему поиска направления главных осей ф объекта 6.

Фотоприемники 19, 20 подключены к таким же избирательным усилителям 27, 28. Усилитель 27 подсоединен к реверсивному двигателю 29, который является приводом дифференциала 26. Фотоприемник 19, усилитель 27 и двигатель 29 составляют следящую систему комденсатора Сенармона (элементы 8 и 9) для компенсации оптической разности фаз 5 объекта 6. К выходу усилит теля 28 подсоединен фазовый детектор 30,. опорным напряжением которого служит переменное напряжение возбуждения модулятора Фарадея 10 (напряжение сети). Выход фазового детектора 30 соединен с индикатором 31. Двигатели 25 и 29 связаны с датчиками угловых перемещений 32 и 33, которые являются указателями измерительных величин направления осей Ф и оптической разности фаз б.

Предлагаемый поляриметр работает следующим образом.

Свет от источника 1 конденсатором 2 направляется на диафрагму 3, расходящийся пучок света линзой 4 коллимируется, направляется на элементы оптики 8, 15, 10, 9, 13, а затем линзой 5 фокусируется на объекте 6 таким образом, что изображение диафрагмы 3 системой линз 4, 5 переносится В плоскость объекта 6. За объектом 6 свет снова коллимируется линзой 7, проходит поляризационные фнльтры 11, 14 и направляется на фотоприемную часть. Причем, периферийная часть коллимированного пучка света Фр после линзы 4 проходит поляризациоииый фильтр 15, модулятор Фарадея 10, исследуемую точку объекта 6,поляризационный фильтр 14 и, отразившись от зеркала 17, воспринимается фотоприемником 23. Величина светового потока Ф1, воспринимаемого фотоприемником 23, зависит как от направления осей Ч, так и от величины оптической разности фаз 8 объекта 6 следующим образом Ф :|;-Тг-Фп-1$1п2-|-)51п22 р -A-Sin4(p. -Sinca-t). гдеТ1.- пропускание элементов оптики пе риферийной части; А - амплитуда возбуждения модулятора 10; О). частота возбуждения модулятора 10. Однако фаза переменной составляющей потока Ф1 (второй член выражения для Ф1) не зависит ни от величины, ни от знака измеряемой оптической разности фаз 6, а зависит от направления осей объекта 6. Поэтому усиленный усилителем 24 сигнал первой гармоники частоты ш фотоприемника 23 заставляет вращаться двигатель 25 однозначно в нужном направлении до момента совмещения осей объекта 6 с направлениями пропускания синхронно связанных и постоянно «скрещенных поляризационных фильтров 15 и 14, то есть,до момента ф О, когда в спектре сигнала фотоприемника 23 исчезнет первая гармоника частоты (О. Любое дальнейшее изменение ориентации осей объекта 6 приводит к немедленному соответствующему oдн ;знiiчкoму отрабатыванию следящей системы. Измеренная ориента1и1я осей ср объекта 6 индицируется ,- ;. ivioBbix перемещений 32. ЦенГ});), чясть коллимированного пучка светя ф ц. после линзы 4 проходит полприоациончыи фильтр 8, модулятор Фарадея 10, четвертьволновую пластину 9, исследуемую точку объекта 6, поляризационный фильтр 11, проходит через отверстие зеркала 17, разде:1яется делителем 18 на два пучка и, пройдя фильтры 21, 22, воспринимается соответственно фотоприемниками 19 и 20. При отслеживании следящей системы с двигателем 25 за изменением направления осей объекта 6, четвертьволновая пластинка 9, поляризационный фильтр 11 и (с помощью дифференциала 26) поляризационный фильтр 8, будучи синхронно связанными с поляризационными фильтрами 15, 14, всегда однозначно будут находиться в «диагональном положении по отношению к осям объекта 6 и, тем самым, всегда готовы д. 1я компенсации оптической разности фаз б. Световой поток Фг, воспринимаемый фотоприемником 19, после совмещения оеей объекта 6 с направлениями пропускания поляризационных фильтров 15 и 14 зависит только от оптической разности фаз 6 и угла поворота 9 поляризационного фильтра 8 относительно четвертьволновой пластинки 9. то есть Ф1 - 4- Ct-K,t {SitA-|- - в) - 2 ASin (5 - 2e)-Siria)t где Ti - пропускание элементов оптики центральной части; Кь коэффициент отражения де.штеля 18 на длине волны Xi. Сигнал первой гармоники частоты со фотоприемника 19, пропорциональный второму члену выражения лля Фг, усиливаегся избирательным уси/;игелем 27 и подается на обмотку управления двг -ателя 29, который через дифференциал 26 вращает по.чяризационный фильтр 8 на угол 2вдо момента компенсации оптической разности фаз 6 2в. В процессе работы поляриметра лю бые изменения оптической разности фаз объекта б с помощью следящей системы немедленно компенсируются поворото.м поляризационного фильтра 8 относительно четвертьволновой пластинки 9. Значение величины измеренной оптической разности фаз фиксируется датчиком линейных перемещений 33. Световой поток Ф.;, восприни.маемый фотпприемииком 20, после совмещения осей обьекта б с направлениями пропускания поляризационных фильтров 15, 14 одной следящей системой и после компенсации оптической pa3HOCiH фаз поляризационным фильтром 8 другой следящей системой, изменяется по закону Фз ;4г К -|) 2ASin(-|) Sincot, где К - коэффициент пропускания делите.ля 18 на длине волны Хг, максимума пропускания фильтра 22. Фаза переменной составляющей потока Ф5 (второй член выражения для Фз) характеризует знак оптической разности хода 3 в пределах , где - 1Сигнал первой гармоники частоты (о фотоприемника 20, пропорциональный второму члену выражения для Ф,,, усиливается избирательным усилителем 28 и подается на фазовый детектор 30, где сравни ается по фазе с сигналом возбуждения модулятора 10, т. е. с сигналом сети. Знак оптической разности фаз 5 индицируется индикатором 31. 7 Формула изобретения Поляриметр, содержащий осветитель, фокусирующую систему, место для закрепления исследуемого объекта, с одной стороны которого установлены поляризационный фильтр, четвертьволновая пластинка и находящийся между ними модулятор Фарадея, а по другую сторону - другой поляризационный фильтр, плоскость пропускания которого с помощью синхронной связи постоянно составляет прямой угол с «быстрой осью четвертьволновой пластинки, а также фотоприемную часть с делителем света и двумя фотоприемниками, покрытыми разными- светофильтрами, отличающийся тем, что, с целью устранения неоднозначности в определении направления главных осей при одновременных измерениях направления осей и разности фаз двулучепреломляющих объектов, поляризационные фмльтры и четвертьволновая пластинка выполнены по диаметру меньшими диаметра рабочего пучка света, разделяя его но состоянию поляризаций на цент ральную и периферийную части, и укреплены на прозрачных изотропных пластинках, поляризационный фильтр, синхронно связанный с четвертьволновой пластинкой, дополнен периферийной частью в виде кольца, плоскость пропускания которой составляет угол± 45° с плоскостью пропускания его центральной части, между модулятором Фарадея и поляризационным фильтром установлен дополнительный пс-: 1р:-.зационный фильтр диаметром, равным диа;,:.йтру рабочего пучка и с отверстием в центре по диаметру центральной части пучка, плоскость пропускания которого постоянно составляет угол 90° с периферийной частью составного поляризационного фильтра, а перед делителем света фотоприемной части установлено зеркало с овальным отверстием по диаметру центральной части пучка, и дополнительный фотоприемник, который через усилитель связан с реверсивным двигателем привода четвертьволновой пластинки. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Шмиловский А. А., Прикладная физическая оптика, М., 1961, с. 807. 2.Сб. статей, Поляризационно-оптический метод и его приложения к исследованию тепловых напряжений и деформаций, Киев, «Наукова думка. 1976. с. 163 (прототип).