Способ оптического измерения углов наклона лучей

 

Изобретение относится к оптическим измерениям параметров световых пучков, в частности к поляризационным измерениям углов наклона лучей в световых пучках, и может быть использовано для измерения показателя преломления в прозрачных объектах. Сущность изобретения: способ заключается в том, что оптически сопрягают указанные точки с апертурой фотоприемника, преобразуют искомое распределение углов наклона лучей в распределение положения лучей в поперечном сечении, расположенном между исследуемым сечением и апертурой фотоприемника, измеряют распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, рассчитывают искомое распределение углов наклона лучей по измеренному распределению интенсивности, при этом указанное сопряжение выполняют так, что всем указанным точкам одновременно соответствуют точки на апертуре фотоприемника, преобразуют полученное распределение положения лучей в распределение разности хода между двумя ортогонально поляризованными компонентами пучка, преобразуют полученное распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, все указанные преобразования выполняют для всех указанных точек в исследуемом сечении пучка одновременно и для всех лучей одновременно, указанное измерение выполняют для всех точек апертуры фотоприемника одновременно. 1 ил.

Изобретение относится к оптическим измерениям параметров световых пучков, в частности к поляризационным измерениям углов наклона лучей в световых пучках, и может быть использовано для измерения показателя преломления в прозрачных объектах.

Известен способ измерения распределения углов наклона вдоль выбранного направления в поперечном сечении пучка [1] по которому выделяют поперечное сечение пучка, в котором благодаря сложению лучей, выходящих из исследуемого сечения под искомыми углами, наблюдается распределение интенсивности I(y) вдоль выбранного направления у, переносят изображение этого сечения на плоскость апертуры фотоприемника, измеряют указанное распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, рассчитывают искомое распределение углов наклона (y) (у) по формуле Φ(y)= arctg[t- I(y)dy]/L где L удаление сечения пучка, в котором наблюдается распределение интенсивности I(y), от исследуемого сечения, в котором ищется распределение углов; t удаление точки вдоль выбранного направления у от оси пучка в исследуемом сечении пучка (прицельный параметр).

Недостатками способа являются невысокая точность вследствие искажения измеряемого распределения I(y) временными и пространственными флуктуациями интенсивности в пучке, а также вследствие неопределенности условий для выбора значений L (даже при наличии априорной информации об объекте источнике рефракции); принципиально невысокое разрешение вследствие того, что не все лучи одновременно пересекаются именно в том сечении, в котором измеряется I(y), следствием чего является размытость распределения I(y).

Наиболее близким к изобретению является способ измерения распределения углов наклона лучей вдоль выбранного направления в заданном поперечном сечении пучка [2] по которому взаимно однозначно оптически сопрягают одну точку, лежащую в заданном поперечном сечении на пересечении выбранного направления и оси пучка, с апертурой фотоприемника, расположенного также на оси пучка, взаимно однозначно преобразуют искомый угол наклона луча в положение луча вдоль выбранного направления в сечении пучка, расположенном между заданным сечением и апертурой фотоприемника, преобразуют методом динамической пространственной фильтрации указанное положение во временное распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, измеряют полученное распределение интенсивности, рассчитывают искомый угол наклона луча, располагают на оси пучка последовательно все точки вдоль выбранного направления и полностью повторяют весь цикл.

Способ свободен от перечисленных недостатков аналога, во-первых, поскольку измерения выполняют всегда только в одной точке заданного сечения пучка, лежащей на оси пучка, и, во-вторых, поскольку операция преобразования угла наклона луча в каждой точке в положение луча позволяет получить четкое и почти плоское распределение положения лучей в известном месте по оси пучка. Операция преобразования может быть выполнена при помощи оптической системы, вблизи передней фокальной плоскости которой расположена исследуемая точка, а в задней фокальной плоскости формируется плоское пространственное распределение положения лучей. Время непосредственного измерения в 1000 точках заданного сечения составляет 6 мин.

Недостатком способа является сложность измерений, обусловленная необходимостью стабилизации интенсивности пучка во времени для обеспечения точности измерений, растянутых во времени, необходимостью стабилизации интенсивности пучка в пространстве в случае применения широкого пучка и широкоапертурного фотоприемника для обеспечения точности, необходимостью прецизионного механического перемещения пучка относительно объекта для сканирования всех точек вдоль выбранного направления в заданном сечении пучка для обеспечения точности, необходимостью обеспечения постоянной в течение длительного времени скорости вращения обтюратора (для реализации метода пространственной фильтрации) для обеспечения точности.

Целью изобретения является упрощение измерений при одновременном сохранении точности и разрешения и увеличении быстродействия и надежности.

Цель достигается тем, что по способу оптического измерения углов наклона лучей, по которому взаимно однозначно оптически сопрягают указанные точки с апертурой фотоприемника, взаимно однозначно преобразуют искомое распределение углов наклона лучей в распределение положения лучей вдоль выбранного направления в поперечном сечении, расположенном между заданным сечением и апертурой фотоприемника, измеряют распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, рассчитывают искомое распределение углов наклона лучей по измеренному распределению интенсивности, согласно изобретению указанное сопряжение выполняют так, что всем указанным точкам одновременно соответствуют точки на апертуре фотоприемника, взаимно однозначно преобразуют полученное распределение положения лучей в распределение разности хода между двумя ортогонально поляризованными компонентами луча, взаимно однозначно преобразуют полученное распределение разности хода в распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, все указанные преобразования выполняют для всех указанных точек вдоль выбранного направления в заданном поперечном сечении пучка одновременно и для всех лучей вдоль выбранного направления в поперечном сечении пучка, расположенном между заданным сечением и апертурой фотоприемника, одновременно, при этом измерение распределения интенсивности выполняют одновременно для всех точек апертуры фотоприемника.

На чертеже изображена схема измерений.

Пучок 1 исходно параллельных световых лучей, ширина которого превышает размер (вдоль выбранного направления) прозрачного рефрагирующего объекта 2 (помещенного в кювету 3 с иммерсией 4 под материал наружного слоя объекта), преобразуется за счет рефракции в объекте 2 так, что световые лучи 5 в заданном поперечном сечении А отклоняются от направления их исходного распространения на углы Φ(У), зависящие от положения точки вдоль выбранного напряжения у в заданном поперечном сечении А пучка, например, так, что луч 5а, идущий по центру пучка, не испытывает отклонения, луч 5б отклоняется на угол Φ(у), луч 5в отклоняется слабее луча 5б. Оптический элемент 6 взаимно однозначно переводит распределение углов наклона лучей в сечении А одновременно во всех точках вдоль оси у в распределение положения лучей в сечении В.Такое преобразование может быть, например, выполнено при помощи тонкой линзы, передняя фокальная плоскость которой совмещена с сечением А, а задняя фокальная плоскость совмещена с сечением В (в случае необходимости коррекции аберраций вместо одиночной линзы может быть использована линзовая система). При этом смещение луча вдоль оси у относительно оси пучка в сечении В определяется углом наклона луча в сечении А (чем больше угол наклона, тем больше смещение). Далее преобразуют распределение положения лучей в сечении В в распределение разностей хода между двумя ортогонально поляризованными компонентами луча. Для этого лучи пропускают через оптический элемент 7, который вносит между указанными компонентами разность хода, значение которой изменяется вдоль направления оси у. Таким образом может быть, например, двулучепреломляющий оптический клин с линейно изменяющейся толщиной склеек. Луч 5а проходит сквозь центральную часть клина 7 и приобретает наибольшую по сравнению с лучами 5в и 5б, проходящими через более тонкие области клина, разность хода. Таким образом, распределение углов наклона лучей одновременно во всех точках вдоль оси у сечения А взаимно однозначно переведено в распределение положения вдоль оси у (в сечении В), которое затем взаимно однозначно переведено в распределение разностей хода между ортогонально поляризованными компонентами пучка вдоль оси у. Распределение разности хода можно достаточно просто, с высокой точностью и быстро измерить поляризационно оптическим методом, т. е. перевести в распределение интенсивности и измерить его. Для преобразования распределения разности хода вдоль оси у по сечению пучка в распределение интенсивности пучок направляют на компенсатор 8 и на анализатор 9. В качестве компенсатора может быть использована, например, четвертьволновая пластинка, а в качестве анализатора например, пленочный поляроид, установленный с возможностью регулируемого, желательно шагового, вращения вокруг оси пучка. Оптический элемент 10 совместно с оптическим элементом 6 переносят изображение оси у из сечения А в сечение С, с которым совмещают апертуру фотоприемника 11.

В качестве оптического элемента 10 может быть использована, например, тонкая линза, передняя фокальная плоскость которой совмещена с сечением В, а задняя фокальная плоскость совмещена с сечением С (в случае необходимости коррекция аберраций вместо одной линзы может быть использована линзовая система). На чертеже изображен частный случай, когда увеличение оптической системы из элементов 6 и 10 равно единице (размер апертуры фотоприемника 11 равен сечению пучка), хотя это увеличение может быть любым. При этом система оптических элементов 6 и 10 работает следующим образом. Элемент 6 выполняет преобразование Фурье из сечения А в сечение В, элемент 10 выполняет преобразование Фурье из сечения В в сечение С, т.е. восстанавливает в сечении С изображение сечения А. Такое оптическое сопряжение всех точек одновременно по оси у в сечении А со всеми точками одновременно по апертуре фотоприемника 11 (вдоль оси у) обеспечивает взаимно однозначное соответствие точек исследуемого сечения А пучка и точек на апертуре фотоприемника. В качестве фотоприемника 11 может быть применен, например, многоэлементный линейный фотоприемник с зарядовой связью.

Для быстрого и точного измерения распределения интенсивности по апертуре фотоприемника с целью получения информации о распределении разности хода лучей по сечению пучка можно воспользоваться, например, следующим методом. Анализатор 9 пошагово вращают в пределах от нуля до 180^о, и для каждого шага поворота анализатора считывают электрический сигнал одновременно со всех фотодиодов многоэлементного линейного фотоприемника 11 путем электронного сканирования линейки. Таким образом, за время порядка 1 мин можно получить информацию об изменении интенсивности во времени в каждой точке вдоль оси у апертуры фотоприемника 11, найти угловое положение минимума интенсивности в каждой точке и расчетом определить разность хода между ортогонально поляризованными компонентами пучка в каждой точке (на каждом фотодиоде) фотоприемника 11. Разность хода δ может быть рассчитана при этом по следующей формуле: δ_к= где = arccos - 90 U_к= -(2/N)· I_ki· cos 2α_i V_к= -(2/N)· I_ki· sin 2α_i N число шагов анализатора; I_ki интенсивность на фотодиоде номер К линейки фотоприемников для i-го шага поворота анализатора α_i.

По найденной разности хода δ_k для каждой точки вдоль оси у заданного сечения пучка или для k-го фотодиода многоэлементного фотоприемника расчетом определяют угол Φ_к наклона луча в указанной точке по формуле Φ_к= arctg · где f фокусное расстояние оптического элемента 6, переводящего распределение углов наклона луча в распределение положения лучей;
Р период двулучепреломляющего оптического клина (длина вдоль оси клина, на которой между взаимно ортогональными поляризациями набегает разность хода в λ( λ- длина волны излучения в пучке).

Если пучок не содержит двух ортогонально поляризованных компонентов, то для их получения следует ввести в пучок поляризатор, который может быть установлен в любом сечении пучка до оптического элемента 7.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА ЛУЧЕЙ, состоящий в том, что оптически сопрягают точки исследуемого сечения с апертурой фотоприемника, преобразуют распределение углов наклона лучей в распределение положения лучей в поперечном сечении пучка, расположенном между исследуемым сечением и апертурой фотоприемника, измеряют распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, по измеренному распределению интенсивности рассчитывают распределение углов наклона, отличающийся тем, что указанное сопряжение выполняют так, что всем точкам исследуемого сечения одновременно соответствуют точки на апертуре фотоприемника, преобразуют полученное распределение положения лучей в распределение разностей хода между двумя ортогонально поляризованными компонентами луча, преобразуют полученное распределение разностей хода в распределение интенсивности на апертуре фотоприемника, все указанные преобразования выполняют для всех указанных точек вдоль выбранного направления в заданном поперечном сечении пучка одновременно и для всех лучей в сечении пучка, расположенном между исследуемым сечением и апертурой фотоприемника, при этом измерение распределения интенсивности выполняют одновременно для всех точек апертуры фотоприемника.

РИСУНКИ

Рисунок 1