Способ определения профиля показателя преломления оптических неоднородностей

 

Изобретение относится к измерительной технике v может быть использовано для определения профиля показателя преломления оптических неодпородностей Цепь изобретения - определение профиля показателя преломления оптических неоднородностей с большими геометрическими размерами и со значительными градиентами показателя преломления Нечувствительность схемы к искажениям, вносимым большими геометрическими размерами и значительными градиентами показателя преломления исследуемых объектов, достигается за счет одновременного измерения оптической разности хода способом интерферометрии пониженной чувствительности и координат точки входа луча в оптическую неоднородность лучевым способом, на основании которых пооизводится расчет профиля показателя преломления 1 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21/45

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫПИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4634109/25 (22) 09.01,89 (46) 30.11.91. Бюл, N. 44 (71) Ленинградский институт точной механики и оптики (72) И, M. Нагибина, В, В. Хопов и М. В. Преснав (53) 535(088. 8) (56) О. Marcuse, Refract!ve index determination by the focusing method Appl. Opt., ч. 18, . 1979, р. 9.

Патент США К" 4565449, кл. 5 01 В 9/02, 1986. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ

ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ (57) Изобретение относится к измерительной технике v; может быть использовано для

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения профиля показателя преломления оптических неоднородностей путем использования принципов интерферометрии пониженной чувствительности.

Цель изобретения — определение профиля показателя преломления оптических неоднородностей с большими геометрическими размерами и со значительными градиентами показателя преломления, диапазон изменения оптической длины пути зондирующих лучей внутри которых намного превышает длину волны излучения, а траектория зондирующих лучей внутри которых отличается от прямолинейной.

На чертеже представлена схема устройства для реализации способа.. Ы,„, 1695184 A l определения профиля показателя преломления оптических неоднородностей. Цель изобретения — определение профиля показателя преломления оптических неоднородностей с большими геометрическими размерами и со значительными градиентами показателя преломления, Нечувствительность схемы к искажениям, вносимым большими геометрическими размерами и значительными градиентами показателя

1 преломления исследуемь х абьектов, достигается эа счет аднавре 1енного измерения оптиче кой разности хода способом интерфераметрии г аниженнай чувсгвительности и координат точки входа луч- в оптическую неоднородность лучевым способам, на основании которых производится расчет профиля показателя преломления, 1 ил, Способ асчществляется следующим образам.

Пои помощи светсделителя излучение, идущее от манахроматическога источника света, разделяется на два пучка, первый из которых направляется на исследуемый обьект, Разность оптического пути между пучком света, прошедшим через объект исследования, и другим пучком непрерывно изменяется в интервале, превышающем по своей величине диапазон изменения оптической длины пути лучей первого пучка в исследуемом обьекте. Два пучка совмещают при помощи второго светоделителя и формируют интерференционную картину, которую регистрируют последовательно во множестве точек. При изменении разности оптического пути между первым и вторым пучком в момент време i695184

15 (2) а = arctg

25

50 ни, когда ее значение станет равным оптической разности хода, которую вносит исследуемый объект в зондирующий луч, падающий в точку регистрации интерференционной картины, на входе фотоприемника, расположенного в точке регистрации, появляются полосы с максимальным контрастом, поскольку разность хода интерферирующих в точке регистрации лучей равна нулю. Зафиксировав момент появления полос с максимальным контрастом, определяют разность оптических путей, которую вносит исследуемый объект для данной точки регистрации, Перекрыв второй пучок непрозрачной диафрагмой, постепенно перекрывают первый пу шк последовательно в двух взаимно ортогональных направлениях равномерно перемещающимися диафрагмами. По мере перекрытия пучка света в плоскости расположения фотоприемника происходит постепенная замена оптического поля, сформированного пучком света, прошедшим через объект исследования на тень, о гбрасываемую перемещающейся диафрагмой, Зафиксировав момент резкого скачка интенсивности света на входе фотоприемника, определяют координаты точки входа луча, который, пройдя через исследуемый обьект, падает на данный фотоприемник, Зная координаты тачки входа луча в исследуемый объект, определяют угол его выхода по формуле а=агс гх +У (1) где Х и Y.— координаты фотоприемника в плоскости регистрации интерференционной картины;

Ч и U — координаты точки входа луча оптическую неоднородность;

l3 — расстояние между исследуемым объектом и плоскостью регистрации интерференционной картины..

Если в исследуемом объекте существует направление, вдоль которого градиент показателя преломления можно принять равным нулю, то траектории зондирующих лучей лежат в плоскости, перпендикулярной этому направлению, В этом случае, разместив объект исследования таким образом, чтобы падающий пучок света был перпендикулярен направлению нулевого градиента показателя преломления; и перекрыв второй пучок света непрозрачной диафрагмой, постепенно перекрывают первый пучок диафрагмой, равномерно перемещаю цейся в направлении, перпендикулярном направлению нулевого градиента показателя преломления. Зафиксировав момент резкого скачка интенсивности света на входе фотоприемника, определяют координату точки входа луча, который, пройдя через исследуемый объект, падает на данный фотоприемник. В этом случае угол выхода луча определяется по формуле. где x — координата фотоприемника в плоскости регистрации интенференционной картины;

V — координата точки входа луча в оптическую неоднородность;

 — расстояние между исследуемым объектом и плоскостью регистрации, Определив разность оптических путей интерферирующих пучков и угол выхода из исследуемой оптической неоднородности первого пучка света, определяют оптическую длину пути зондирующего луча в исследуемом объекте по формуле где Л вЂ” разность оптических путей интерферирующих лучей; .

D — расстояние между исследуемым обьектом и плоскостью регистрации интерференционной картины; а — угол выхода зондирующего луча из исследуемого объекта.

Зная оптическую длину пути пучка с данными координатами точки входа в исследуемый объект, определяют оптическую длину пути лучей,- имеющих координаты точки входа, путем измерения разности оптических путей интерферирующий лучей и координат точек входа зондирующих лучей дяя других точек интерференционной картины. Определив зависимость оптической длины пути лучей от координат гочек их входа в исследуемую оптическую неоднородность„с помощью интегральных преобразований производят расчет профиля показателя преломления с учетом отклонения лучей от прямолинейной траектории.

Устройство для определения профиля показателя преломления оптических нео- . днородностей содержит последовательно расположенные источник 1 монохроматического излучения, оптическую систему 2, формирующую параллельный пучок света, светоделительную пластину 3;устройство 4 мод JI оптической разности хор3, блок

5 диафрагм, содержащий систему диаф1695184 фотоприемного устройства 9 на вход схемы 55

10 обработки си;нала поступает синусоидальный сигнал ", переменной амплитудой, При достижен*;и амплитуды сигнала максимальнай величины схема 10 обработки сигнала фиксирует инфармацию. поступаюрагм, первая из которых установлена с возможностью въода-вывода из хода одного из пучков, а две другие установлены с возможностью равномерного перемещения в двух взаимнб ортогональных направлениях в ходе пучка, падающего на контролируемый объект, кювету 6 с иммерсионной жидко-. стью и объектом 7 исследования, вторую светоделительну|о пластину 8 и фотоприемное устройство 9, соединенные со схемой 10 обработки сигнала, информационные входы которого соединены с выходами устройства

4 модуляции оптической разности хода и блока 5 диафрагм.

Устройство работает следующим образом.

Светоделительная пластина 3 разделяет монохроматический гучок света, идущий ат источника 1 излучения через оптическую систему 2, которая формирует параллельный пучок света необходимой ширины, на два параллельных пучка и направляет их через устройство 4 модуляции оптической разности хода и блок 5 диафрагм на кювету 6 таким образом, что только один из пучков света проходит через объект 7 исследования, Вторая светоделительная пластина 8 совмещает пучки света и направляет их на фотопр|лемное устройства 9, с помощью,. которого регистрируется образую|цаяся интерференцианная картина, Электрический сигнал, г|аступа|ощий с фотоприемногo устройства, обрабатывается схемой ".0 обработки сигнал-. Ка выходе устройства 4 модуляции оптической разности хада постоянно присутствует информация о величине оптической разности хода между световыми пучками, вносимой зтим устройством в да -! ный момент времени, а на выходе устройства 5 г|еремещающихся диафрагм i1 0ñòñÿ í H o при сgтсTВует инфопмация о текущей координате пере" .мещающихся в дву„взаимна арта"oнальl ных направлениях диафрагмах, т.е. схема

10 обработки сигнала постоянно располагает информацией о текущей разности оптического пути между и чками света и о те .,щей координате перемещающихся диафрагм. При „àáî.òå у..;гоойство 4 модуляции ап.гической разности хода плавно изменяет ра-íîñ:òü апти |вских путей в плечах интерферометра, В момент появления контрасгных полос в точке регистрации интерфере; ционнага поля. с, выхода

50 щую с выхода устройства 4 модуляции оптической разности хода, Эта информация характеризует оптическую разность хода, которую вносит исследуемый объект 7 в зондирующий луч, прошедший через него и попавший в точку регистрации, так как в момент максимального контраста интерференционных полос разность оптических путей интерферирующих лучей равняется нулю, После определения оптической разности хода устройство 5 перемещающихся диафрагм, перекрыв непрозрачной диаф-рагмой пучок света, идущий мимо объекта исследования, последовательно перекрывает в двух взаимноортогональных направлениях равномерно перемещающимися диафрагмами пучок света, падающий на объект 7 исследования. В момент резкого скачка интенсивности света на входе фотоприемного устройства 9 на вход схемы 10 обработки сигнала поступает сигнал ступенчатой формы и схема обработки сигнала зафиксирует информацию, поступающую с вь хода блока 5 диафрагм, Эта информация характеризует координаты точки входа луча света в исследуемый объект. Зная координаты точки входа луча в исследуемый объект и координаты точки поля интерференции, в которой фотоприемное устройство регистрировало интерференцион||ую картину, рассчитывают угол выхода луча по формуле (1), а затем определяют оптическу а длину пути луча в исследуемом объекте по формуле (3). Если в исследуемом обьекте поисутствуег направление с нулевым градиентом показателя преломления,. устройство перемещающихся диафрагм перекрывает пучок света, падающий на объект исследования только в одном направлении, перпендикулярном направлению с нулевым градиентом показателя преломления, В э гам случае угол выхода луча, прошедшего ч:-.рез объект исследования. рассчитывается по форму-е (2), Определив оптическую длину пути луча в иссгедуемом объекте и координаты точки входа луча ь объект исследования, определяют оптическую длину пути лучей, имеющих другие координаты точки входа в объект исследования, путем регистрации интерференционной картины и оптического поля, формируемого перемещающимися диафрагмами, во множестве произвольно выбранных точек. Определив зависимость ог|тической длины пути лучей в исследуемом сбъектс QT координат точек их входа в объек исследования, с помошью интегральных преобразований определяют профиль показателя преломления исследуемой оптической неоднородности.

1695184

В качестве примера конкретного выг олнения предлагаемое устройство для определения профиля показателя преломления оптических неоднородностей, обладающих направлением с нулевым градиентом 5 показателя преломления, содержит полу 1роводниковый лазер (длина когерентности 80 мкм), коллиматор, формирующий г араллельный пучок света (ширина пучка О мм), светоделительную пластину (толщи- 10 а 40 мм), амплитудно-фазовый модулятор, выполняющий функции устройства модуляЧии оптической разницы хода и блока диафрагм и состоящий из последовательно расположенных по цилиндрической поверх- 15 ости на расстоянии, равном ширине светоого пучка, пар плоско-параллельных теклянных пластин равной толщины (толина пластин 8 мм, угол между пластинами

О ) и светонепроницаемых диафрагм, ши- 20 ина которых равна ширине светового пучка, Который приводится во вращение электродвигателем (частота вращения 5 +0,001 Гц) и соединен с датчиком угол — код, информация с которого поступает на устройство 25 обработки сигнала, обрабатывающее сиг-. нал, поступающий с фотодиодной линейки,. и состоящее из блока определения контраста интерференционной картины и блока определения скачка интенсивности 30 (детектор, дифференциатор, компаратор), Сигналы с которых подаются на запоминающее устройство, фиксирующее информацию с датчика угол — код. Это устройство

Позволяет определить профиль показателя 35 преломления оптических неоднородностей, Обладающих направлением с нулевым градиентом показателя преломления, диапозон изменения оптической длины пути лучей внутри которых не превышает 500 мкм 46 и геометрический размер которых в направлении,- перпендикулярном направлению с нулевым градиентом, не превышает

20 мм.

Формула изобретения

Способ определения профиля-показателя преломления оптических неоднородностей, заключающийся в том, что формируют монохроматический пучок излучения, разделяют его на два пучка, направляют первый из них на объект исследования, совмещают пучок света, прошедший через объект, с вторым пучком, регистрируют полученную интерференционную картину, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона исследуемых оптических неоднородностей в сторону больших геометрических размеров и градиентов показателя преломления, равномерно изменяют разность оптических путей в разделенных пучках последовательно .для множества точек плоскости регистрации, определяют величину разности оптических путей лучей в пучках, фиксируя момент-максимального контраста интерференционной картины в выбранных точках плоскости регистрации, полностью перекрыв второй пучок света, последовательно в двух взаимно ортогональных направлениях равномерно перекрывают первый пучок света, падающий на объект исследования, определяют координаты точек входа лучей первого пучка в объект исследования, фиксируя момент исчезновения перекрываемого пучка в тех же точках плоскости регистрации, по найденным значениям разности оптических путей и координат точек входа определяют оптическую длину пути лучей в исследуемом объекте, по которой определяют профиль показателя преломления оптической неоднородности, 1695184

Составитель Ю.. Гринева

Техред M.Mîðãeíòàë Корректор .С. Шевкун

Редактор М. Келемеш

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

Заказ 4157, Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5