Способ измерения градиента показателя преломления плоских объектов

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в океанологии, физике плазмы, аэрои гидродинамике. Цель изобретения - обеспечение высокой точности при определении градиента показателя преломления. Последний определяется по двум независимым измерениям фаз муаровых полос при разных длинах оптического пути между объектом и расположенной за ним по ходу излучения растровой решеткой. 3 ил.

($y)$ G 01 N 21 41

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ СЕИД ЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

fO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТИ1ЭЫТИЯМ

Я И ГННТ СССР

1 (21 } 4361547/24-25 (22) ll ° 01.88 (46) 30,03.90. Бюл, В 12 (71) Институт прикладной физики

AH СССР (72) А.В.Иванов (53) 535.024 (088.8) (56) Заявка Японии Ф 55-13542, кл, G Ol Б 21/41, 1980.

Преснухин Л.Н. и др. Муаровые растровые датчики положения и их применение. И.: Машиностроение,1969, с, 178-179.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в океанологии, физике плазмы, аэро- и гидродинамике, например,для исследования стратифицнрованной жидкости, Цель изобретения - повышение точности измерений градиента показателя щ еломпения (чп) прозрачных объектов.

На фиг. l изображена блок-схема одного из вариантов устройства, с помощью которого может быть реализовано изобретение; на фиг.2, 3 — муаро вые картины, полученные при измерении градиента показателя преломления раствора поваренной соли, Устройство. содержит последовательно расположенные на оптической оси источник 1 света, оптическую систему

2, первую растровую решетку 3, исследуемый объект 4, вторую растровую решетку 5, регистратор 6 интенсивнос„SU„„1553887 А 1

2 (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАДИЕНТА ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПЛОСКИХ ОБЪЕКТОВ (57) Изобретение, относится к измерительной технике и может быть использовано в океанологии, физике плазмы, аэро- и гидродинамике, Цель изобретения — обеспечение высокой точности при определении градиента показа- теля преломления, Последний определяется по двум независимым измерениям фаз муаровых полос при разных длинах оптического пути между объектом и расположенной эа ннм по ходу излучения растровой решеткой. 3 ил. ти освещенности света н плоскопараллельную пластину 7 для изменения длины оптического пути между объектом 4 и второй растровой решеткой 5 °

В качестве источника 1 света используется монохроматическнй источник в видимом диапазоне, например ртутная лампа, твердотельный и и газовый лазер, Оптическая система 2 предназначена для создания параллельного пучка лучей и может включать линзы или параболические зеркала, цветовые фильтры и ограничивающую иэображение источника щель, На фиг.1 оптическая система 2 состоит из рассеивающей и собирающей линз. Растровые решетки 3 и 5 представляют собой прозрачные пластины, на которые нанесены параллельные штрихи, не пролускающие свет, Пространственный период решеток, шаг решеток и расстояние между объектом 4 и второй растровой решеткой 5 выбирают с учетом

553887 4 не при наличии пластины 7 (представлена на Фиг.3), По двум независимым измерениям фаз Р, и Р муаровых полос при разных длинах Q, и g оптического пути между объектом 4 и второй растровой решеткой 5 определяет величину смещения г „ лучей после прохождения

10 исследуемого объекта и угол Я отклонения лучей после прохождения объекта, Действительно, в приближении геометрической оптики, выполняющемся для муаровых, полос (2) 1 P(P„-Ф ) 1

Я arctg {4) (21Д. - а, 1 .}

Известно, что для лучей, вошедчувствительности„угол оС поворота трихов растровой решетки 5 относиельно штрихов растровой решетки 3 вокруг оптической оси должен лежать в пределах -14 < < 14, Это необходимо для возникновения муарового эффекта. Ориентацию штрихов на растровых решетках 3 и 5 выбирают исходя из того, что измеряемый градиент

Йаправлен перпендикулярно биссектрие угла ñ6 между штрихами решеток и 5, Способ реализован в устройстве с1ледующим образом .

Формируемый источником 1 света и оптической системой 2 пучок парадельных лучей. после прохождения чеез растровую решетку 3 иаправляется на исследуемый объект 4, при выоде из которого лучи смещаются отосительно первоначального направлеия вниз на величину r .и отклоняютcia на угол Е, После прохождения которой растровой решетки 5 на экра" йе регистратора 6 лучи формируют муа1 овые полосы, которые регистрируютds фотоаппаратом, Пример муаровой

Картины, зарегистрированной при исследовании растра поваренной соли, п редставлен на фиг,2, Измерение фазы муаровых полос осуществляют на основе сравнения с фазой полос s той е точке, но в другой момент времени, когда в точке измерений градиент ! показателя преломления Vn O.Ïðè исследовании диффузии сравнивают, фазу в момент измерений с фазой в той же точке после завершения проЦесса диффузии, После измерения Фаза, муаровых

Pг ! полос изменяют длину оптического пути между объектом 4 и решеткой 5 на в еличину

Изменение длины оптического пути возможно перенесением объекта 4 или решетки 5 вдоль оптической оси;внесением между объектом 4 и решеткой 5 прозрачной плоскопараллельной пластины с показателем преломления,отлич

Иым от показателя преломления среды между объектом 4 и решеткой 5; раздеЛением пучка после прохождения объект а 4 на два пучка с разной длиной оптического пути„ направленных на разные растровые решетки и регистрач оры и т,п. Затем измеряют фазу Р муаровых полос, возникающую на экра-

15 2(Ф= = — — (г + 6 tgE) 20 где g, tgg = R< - - смещение лучеи между объектом 4 и второй решеткой 5 в первом измерении;

Ь tgC,= R< - смещение лучей между

25 объектом 4 и второй решеткой 5 во втором измерении;

P — - пространственный период параллельных штри30 хов на растровых решетках, Смысл соотношений (1) и (2) состоит в том, что смещение лучей на величину r + R „ или r + R экви35 валентно изменению фазы растровой решетки на величину Р, или Р соответственно, При этом под измеряемой Фазой муаровых полос подразумевается лишь та часть фазы, которая

40 связана с отклонением и смещением лучей под действием неоднородностей.

Таким образом, измерения фазы муаровых полос Р, и Ф позволяют определить r и Я:

/ " 2 f +2 °

r) = — --(— — — — — — ) (3)

2ц ших в плоский неоднородный объект в направлении, совпадающем с линиями разных значений градиента 7 и показателя преломления, 55, g n = А + Br (5) .где г -. величина смещения лучей от первоначального налравления внутри обьекта;

5 l5

А и  — величины, связанные с угломи смещением r сЯедуюшей зависимостью:

f = Аl(1 + Bl /6); (6) г = Al (1 + Bl /12)/2, где 1 — толщина исследуемого объекта.

Откуда следует, что

4г, - Еl

Vn = — — — — —12(Еl - 2r )r . + (8) (4г - =.1)1 <

В частности, в точке вхождения лучей в объект, где r = О, Яп = (4г, — Я 1)/l . (9)

Подставив (3) и (4) в (9), получают значение 7п в точке измерений, В общем случае изменение длины оптического пути характеризуется величиной Д = 8 /tg6 - расстоянием от исследуемого объекта 4, на котором при прямолинейном распространении прошедших через объект 4 лучей возникает такое же смещение лучей от первоначального направления, что и на растровой решетке 5 во втором измерении. В частности, если изменение длины оптического пути осуществляют изменением расстояния между объектом

4 и решеткой 5, то Ь о, где о расстояние между объектом 4 и решеткой 5 во втором измерении. Если из,менение длины оптического пути осуществляют внесением плосконараплельной пластины толщиной Ь с показателем преломления и<, то

Д Lcosf/(n +4; L так как смещение d лучей в пластине равно

d, Lsinf/(n„1 - и sin Î, а смещение К представляет собой сумму смещения лучей в пластине и вне ластины; в,=а+ (д,- ь)сааб =

= ЬвЫЯ/(п < „+

+ (h, - ь) кЕ.

Яа основе выполненных измерений по формулам (3) и (4) определяют угол отклонения с, и величину смеще53887 6 ния r после прохождения исследуе1 мого объекта:

-й -1

1,2 ° 10 рад; r, 1,1 ° 10 см. далее по формуле (9) определяют градиент показателя преломления:

-3

qn = 4,5 ° 10 см

Аналогичные измерения можно выпол10 нить в любой другой точке z апертуры и по результатам измерений с учетом рефракции определить yn(z), Градиент Чп показателя преломле15 ния исследуемого объекта, определенный без учета изменений показателя преломления вдоль траектории лучей, составляет

V n = f /1 = Рф, ф т 1(1/2+ Й ))

= 5 ° 6 10 см что дает ошибку около 25Х, Таким образом, приведенный способ позволяет учесть изменения градиента g n показателя преломления вдоль

25 траектории луча в исследуемом объекте, что обеспечивает высокую -точность измерений, Формула изобретения

Способ измерения градиента пока30 зателя преломления плоских объектов, включающий пропускание через расположенный между двумя растровыми решет. ками объект пучка параллельных монохроматических лучей - и измерение

З5 фазы 9, муаровых полос, по величине которой определяют градиент показателя преломления, о т л и ч а юшийся тем, что, с цейью повышения точности, дополнительно после

40 измерения фазы Ф, муаровых полос изменяют длину оптического пути .между объектом и второй по ходу пучка лучей растровой решеткой на величи.ну Д и осуществляют дополнительное

45 измерение фазы @ муаровых полос, а градиент показателя преломления

Vn определяют по формуле

Vn = (4r, - fL)/L, где

Р(Д,Ф, -Д,Ф.) г< = -- -рс- — — — — — смещение лучей после прохождения объекта;

Г Р(ф - ) C ELlctg 1 — т - -- — угол отклонения лучей после прохождения объекта:

1553887 „= В,.+ g - длина оптического пути между объектом и второй .растровой решеткой при дополнительном измерении 4>азы 4 д муаровых полос; расстояние между объектом и второй растровой решеткой при первом измерении фазы 91 муаровых полос;

/ толщина исследуемого объекта;

P — и р ос т ран с тв е нный и ер иод параллельных штрихов на растровых решетках, 1553887!

Составитель С,Голубев

Редактор А,Маковская Техред М.Дидых Корректор О, Кравцова

Тираж 508

Заказ 453

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101