Устройство для измерения полной разности фаз света

 

Использование: в контрольно-измерительной технике. Сущность изобретения: устройство содержит источник света, поляризатор, линзы, компенсатор, монохроматор, фотоприемник. Компенсатор выполнен в виде четвертьволновой пластинки и анализатора. Монохроматор выполнен в виде двух светофильтров, имеющих возможность вращения и представляющие собой полуокружности, соединенные по диаметру. Линия соединения светофильтров проходит через общий центр вращения анализатора и монохроматора и параллельна плоскости поляризации анализатора. Светофильтры связаны с анализатором так, что они имеют возможность совместного вращения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. По краям линии соединения светофильтров установлен электромагнитный датчик синхронизации. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как при создании средств контроля двойного лучепреломления веществ, так и при измерениях производственного и научно-исследовательского характера.

Известно устройство для измерения полной разности фаз света, содержащее источник света, монохроматор, поляризатор, компенсатор, анализатор и фотоприемник. Измерение полной разности фаз производят с помощью компенсатора, путем последовательного измерения дробного порядка интерференции на двух длинах волн, а также сравнения дробной части интерференции с эталонным образцом и на основании измерений вычисления полной разности фаз.

Устройство обладает следующими недостатками: необходимость эталонирования, что ограничивает диапазон и затрудняет автоматизацию измерения; дополнительно затруднена автоматизация измерения вследствие необходимости последовательного измерения на двух длинах волн.

Известно устройство для измерения разности фаз света (прототип), содержащее источник света, монохроматор, поляризатор, линзы, компенсатор Сенамора и фотоприемник, компенсатор выполнен в виде четверть волновой пластинки и анализатора. Устройство содержит два канала измерения, один из которых рабочий и другой - опорный. На фиксированной длине волны света с помощью вращающегося анализатора измеряется разность фаз пучков света рабочего и опорного каналов, затем изменяется длина волны света и вновь измеряется разность фаз рабочего и опорного каналов. По результатам измерения вычисляется разность фаз света.

Устройство обладает следующими недостатками: наличие двух фотоприемников в рабочем и опорном каналах усложняет устройство и уменьшает точность измерения; последовательное измерение разности фаз на двух длинах волн не позволяет автоматизировать измерения, в особенности для движущихся объектов.

Целью изобретения является автоматизация и упрощение измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения полной разности фаз света, содержащем источник света, поляризатор, линзы, компенсатор, выполненный в виде четвертьволновой пластинки и анализатора монохроматор, фотоприемник, указанный монохроматор согласно изобретению выполнен в виде двух светофильтров, имеющих возможность вращения и связанных между собой и с анализатором так, что линия соединения светофильтров проходит через центр вращения анализатора и монохроматора и параллельна плоскости поляризации анализатора. На линии соединения светофильтров установлен электромагнитный датчик синхронизации.

Такая конструкция монохроматора позволяет осуществлять измерения с помощью одного пучка света. Последовательное измерение разности фаз на двух длинах волн заменяется чередующимся измерением, при этом роль опорного сигнала выполняет короткий импульс на выходе электромагнитного датчика синхронизации, что обеспечивает автоматизацию и упрощение измерений.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство для измерения полной разности фаз света, общий вид; на фиг.2 - соединение светофильтров монохроматора и ориентация линии соединения светофильтров монохроматора относительно центра вращения анализатора и плоскости поляризации анализатора; на фиг.3 - изменения интенсивности прошедшего света, регистрированного фотоприемником; на фиг.4 - диаграмма состояний элементов схемы обработки сигнала фотоприемника.

Устройство для измерения полной разности фаз света содержит источник света 1, линзу 2, диафрагму 3, поляризатор 4, измеряемый образец 5, четвертьволновую пластинку 6, монохроматор, состоящий из двух светофильтров 7 и 8, анализатор 9, двигатель 10, фотоприемник 11, дифференциатор 12, буферные усилители с коэффициентами передачи (+1) 13 и (-1) 14, дифференциальный компаратор 15, смеситель 16, счетный триггер 17, селектор 18, кварцевый генератор 19, распределитель цифровой последовательности 20, электромагнитный датчик синхронизации 21, формирователь импульса синхронизации 22, счетный триггер 23, счетчики импульсов 24 и 25, вычислитель 26. Компенсатор выполнен в виде четвертьволновой пластинки 6 и анализатора 9.

Известно, что за один полный оборот анализатора формируются два периода колебаний интенсивности света, прошедшего анализатор. Для измерения дробной части разности фаз света, прошедшего через двулучепреломляющее вещество, достаточно одного периода колебаний интенсивности света, прошедшего анализатор. Для измерения полной разности фаз света, прошедшего через двулучепреломляющее вещество, необходимо (согласно прототипу) измерить дробные части разности фаз света на разных длинах волн света ₁ и ₂ соответственно. Следовательно, для измерения дробной части разности фаз света на длине волны ₁ можно использовать одну половину анализатора, а для измерения дробной части разности фаз света на длине волны ₂ - другую половину анализатора. Все это и определяет конструкцию монохроматора.

Монохроматор выполнен в виде двух светофильтров 7 и 8, представляющих собой полуокружности и соединенных между собой по диаметру (см. фиг.2). Линия соединения светофильтров 7 и 8 проходит через общий центр вращения анализатора 9 и монохроматора и параллельна плоскости поляризации анализатора 9. Светофильтры 7 и 8 связаны с анализатором 9 так, что они имеют возможность совместного (с анализатором) вращения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. По краям линии соединения светофильтров установлен электромагнитный датчик 21.

Плоскость поляризатора 4 ориентирована под углом 45^о к главным осям образца 5 и параллельна главным осям четвертьволновой пластинки 6.

Устройство работает следующим образом. Свет источника 1 проходит линзу 2, которая формирует параллельный пучок света, диафрагма 3 позволяет сформировать параллельный пучок света требуемого размера. Далее свет проходит через поляризатор 4, исследуемый образец 5 и четвертьволновую пластинку 6. Поляризатор 4 линейно поляризует пучок света, при этом плоскость поляризации ориентируют под углом 45^о к главным осям образца.

Пройдя исследуемый образец 5, свет приобретает разность фаз ортогональных компонент.

Главные оси четвертьволновой пластинки 6 ориентированы под углом 45^о к главным осям исследуемого образца 5 и одна из них совпадает с плоскостью поляризации поляризатора 4.

Свет, прошедший четвертьволновую пластинку 6, преобразуется в линейно-поляризованный, причем его ориентация относительно исходной ориентации изменяется в зависимости от разности фаз, приобретаемой светом в образце 5. Далее свет проходит через совместно вращающиеся светофильтры 7, 8 и анализатор 9 и направляется на фотоприемник 11. За анализатором 9 интенсивность света изменяется так, как это показано на фиг.3. Одну половину оборота анализатора 9 в пучке света находится светофильтр 7, а другую половину оборота - второй светофильтр 8. Первые полоборота разность фаз ₁, будет измеряться на длине волны ₁, а вторые полоборота разность фаз ₂ - на длине волны ₂. С фотоприемника 11 сигнал поступает в дифференциатор 12, на входе которого сигнал пропорционален производной по времени. Далее сигнал поступает на буферные усилители с коэффициентами передачи (+1) 13 и (-1) 14, которые совместно с дифференциальным компаратором 15 позволяют выделить экстремумы входного сигнала. При вращении двигателем 10 монохроматора с анализатором 9 через каждые полоборота электромагнитный датчик 21 и формирователь 22 формируют короткий импульс синхронизации. Импульс синхронизации используется для запрета работы компаратора 15 в момент смены светофильтров монохроматора, что необходимо для исключения влияния переходных процессов на дальнейшую обработку сигнала. С компаратора 15 импульсы поступают в смеситель 16, выполненный на логическом элементе ИЛИ, в него же поступают и синхроимпульсы.

Цифровая последовательность поступает в счетный триггер 17, который формирует интервалы, прямопропорциональные дробным частям разностей фаз света на длинах волн ₁ и ₂. с выхода триггера 17 импульсы поступают в селектор 18, выполненный на логическом элементе "И", в него же поступают высокочастотные импульсы с кварцевого генератора 19. С выхода селектора 18 временные интервалы поступают в распределитель 20. Счетный триггер 23 преобразует входные синхроимпульсы в импульсы управления работой распределителя 20. С выходов распределителя 20 пачки импульсов, соответствующие измеряемым дробным частям разности фаз света, поступают на счетчики 24 и 25 соответственно. Информация со счетчиков поступает в вычислитель 26, в роли которого используется микроЭВМ. Дальнейшая обработка информации осуществляется по алгоритму, использованному в прототипе.

Существенным отличием предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, является то, что в нем используется монохроматор, содержащий два светофильтра, соединенные по линии, проходящей через центр вращения анализатора и монохроматора, и параллельной плоскости поляризации анализатора анализатором. Такой монохроматор позволяет упростить измерения, заменить многоканальную систему измерения на одноканальную, и вместе с тем позволяет автоматизировать измерения, что при многоканальной системе измерения вызывает существенные затруднения, вследствие невозможности локализации нескольких пучков света в одном месте образца.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛНОЙ РАЗНОСТИ ФАЗ СВЕТА, содержащее источник света, поляризатор, линзы, компенсатор, выполненный в виде четвертиволновой пластинки и анализатора, ориентированных по методу Сенармона, монохроматор, фотоприемник, блок обработки электрического сигнала и блок вычисления результата измерения, отличающееся тем, что монохроматор выполнен в виде двух светофильтров, имеющих возможность вращения, связанных между собой и с анализаторами и поляризаторами так, что линия соединения светофильтров проходит через центр вращения анализатора и монохроматора и параллельна плоскости анализатора, а на линии соединения светофильтров установлен электромагнитный датчик синхронизации, выполненный так, что его сигнал совмещен с началом каждого полупериода измерения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4