Способ измерения поля градиента показателя преломления

(51)5 С 01 И 21/41 ТЕН хани ой е динамического диасти и расши зона.На Аиема у 1 и 2 едставлена блокеализующих спосо роис ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ПЮТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(71) Институт проблем ме ки АН СССР(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛЯ ГРАДИНПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к оптичеким методам исследования. физическихсвойств объектов, влияющих на параметры зондирующей световой волны, и Изобретение относится к оптическим методам исследования объектов, содержащих прозрачные неоднородности показателя преломления (фазовых объектов), и может быть использовано для технологического контроля процес" сов в различных отраслях народного хозяйства, например в химической, электронной, оптикомеханической, пище вой промышленности, а также в гид" роаэродинамике, Физике плазмы, теплофизике.Цель изобретения - повышение точможет быть использовано вхимической электронной, оптико-механической,пищевой промышленности и т.д. Цельизобретения - повышение точности ирасширение динамического диапазона.Способ заключается в просвечивании исследуемого объекта световой волной и регистрации Аазовых искажений этойволны после прохождения через объект, Положительный эффект достигается просвечиванпем объекта узким (по сравнению с его пространственным масштабом) пучком света и регистрацией инАормации о положении прошедшего через объект светового пучка. Измерения проводятся в два этапа: сначала прп а отсутствии в рабочем участке объекта ф7 а затем - при его наличии, с разност- фф н обработкой получаемой информации. ф ф Устройство (фиг.1) содержит лазер 1, оптическую систему 2, зеркальный восьмигранный барабан 3, связанный механической связью с шаговым двигателем 4, исследуемый объект 5, оптическуло систему 6, сопряженную с Аотодиодной матрицей 7, которая связана с ЗВМ 8, блок 9 КАМАКа, связанный с ЭВМ 8с шаговым двигателем 4.Устройство (Фиг,2) содержит тепловой источник 10 света, коллнмирующую систему 11, диафрагму 12, магнитоэлектрический сканер 13, оптическую систему. образованную двумя объективами 14 и 15. между которыми находится исследуемый объект 16, квадратный координатно-чувствительный фото 163673645 приемник (КЧФ) 17, связанный с многоканальным самописцем 18, и генератор.19, связанный с самописцем 18 и со сканером 13.5Устройство (фиг.1) работает следующим образом.Свет, генерируемый лазером преобразуется оптической системой 2 с целью получения требующегося прост ранственного разрешения и попадает на зеркальный восьмигранный барабан 3 который приводится во вращение с помощью шагового двигателя 4. Управление шаговым двигателем осуществля ется ЭВМ 8 через блок 9 КАМАКа. Лазерный пучок,.пространственное положение которого в данный момент времени определяется уровнем управляющих напряжений на двигателе 4, вырабаты ваемых блоком 9 КАЧАК по команде с ЭВМ 8, проходит через исследуемый объект 5. На выходе из объекта 5 лазерный пучок отклоняется на угол, величина которого определяется интеграль , ным по длине пучка значением градиен-та показателя преломления. Отклоненный лазерный пучок проходит через оптическую систему б, которая в заданном масштабе строит изображение объ О екта 5 на светочувствительной поверхности фотодиодной матрицы 7. На выходе этой матрицы формируется элект. рический сигнал, содержащий информацию о положении на ее поверхности лазерного пучка в соответствующий момент времени, Синхронизация сканирования и приема осуществляется за счет того, что сканированием и приемом информации управляет ЭВМ. В памяти ма О шины хранится информация о совокупности координат лазерного пучка на поверхности фотодиодной матрицы 7 при сканировании рабочего участка в случае отсутствия в нем исследуемого,объекта. При этом запоминаются искажающие полезную информацию паразитные отклонения, вызванные, например, аберрациями оптической системы 6 и низким качеством стекла, из которого выполнены защитные окна рабочей части. На втором этапе измерений, когда зондирование рабочего участка осуществляется при наличии в нем исследуемого объекта 5, также происходит прием в ЭИ 8 совокупности координат на поверхности фотодиодной матрицы 7 лазерных пучков, отклоненных обьектом 5, и разностпая обработка этих координат с учетом полученной на первом этапе измерений соответствующей совокупности координат. По полученной разностной совокупности координат с помощью ЭИ вычисляется распределение градиента показателя преломления в объекте.Устройство (фиг.2) "работает следующим образом,С помощью коллимирующей системы 11 и диафрагмы 12 формируется узкий пучок света, источником которого явля ется тепловой источник 10, Узкий пучок света попадает на магнитоэлектрический сканер 13, представляющий собой зеркало, управляемое по углу наклона с помощью электрического сиг" нала, вырабатываемого генератором 19. Отклоненный сканером узкий пучок света преобразуется объективом 14, про-,. свечивает исследуемый объект 16, испытывая отклонение на неоднородностях показателя преломления, преобразуется объективом 15 и попадает на поверхность квадрантного координатно-чувствительного фотоприемника 17. При этом зеркало сканера 13 и фоточувствительная поверхность фотоприемника 17 являются сопряженными с помощью оптической системы, образованной объективами 14 и 15. Электрический сигнал с КЧФ 17 пропорционален положению светового пучка на его поверхности и регистрируется с помощью самописца 18. На другой канал самописца 18 подается сигнал с генератора 19, управляющего сканером 13 и дающего информацию о координате сканируемого луча, На первом этапе записывается сигнал КЧФ 17 полученный при отсутствии в рабочем участке объекта. а на втором этапе - при наличии объекта 16. Разностная обработка сигнала осуществляется путем вычитания соответствующих показаний, полученных во втором и в первом случае.Сущность изобретения состоит в том, что зондирование исследуемого объекта осуществляется узким по сравнению с его пространственным масштабом пучком света, который сканируется, освещая все излучаемое пространство объекта. Синхронно со сканированием осуществляется регистрация угла рефракции зондирующего пучка, а также разностная обработка информации, получаемой при освещении рабочего участка при наличии и при6736 615 ТАИР Таким образом, при освещении оптически однородного участкапучок света остается неподвижным на5поверхности фотоприемника 17 при сканировании зондирующего пучка света.При отклонении зондирующего пучка вобъекте на угол1ЯпЬау,а и, ЗЕгде и - показатель преломления среоды, окружакицей изучаемыйобъект;и . - показатель преломления5объекта;Ь - протяженность объекта вдольнаправления зондирования у;Е - направление сканирования,происходит смещение светового пучкана поверхности фотоприемника вдольоси Е на величину 1 и о5163отсутствии в нем исследуемого объекта. Повышение точности, и расширениединамического диапазона измеренияраспределения градиента показателяпреломления обеспечивается тем, чтоинформация не искажается, так какнет наложения лучей света, прошедших.через отдельные участки объекта.Кроме того, так как фиксируетсяинформация только о положении (координате) прошедшего через объект светового пучка повышение точностиобеспечивается также за счет исключения влияния на полезную информациюпаразитных Флуктуаций интенсивностипрошедшего через объект пучка света(вследствие Флуктуаций интенсивностизондирующего пучка или по другимпричинам),Кроме того, применение разностного способа обработки информации позволяет также повысить точность и расширить динамический диапазон измерений за счет исключения из результатовизмерений стационарных паразитных эфФектов,вызывающих изменение освещенности в теневой картине известного способа, например таких как низкое качество оптическихэлементов измерительной системы. Приэтом повышение точности и расширение,динамического диапазона достигаются всочетании со сканированием и Фиксацией отклонения луча от невозмущенного направления вследствие проявления этими признаками указанныхсвойств.П р.и и е р. Способ был реализованс помощью устройства (Фиг.2). Светот ртутной лампы типа ДРШколлимируется с помощью линзы. Круглаядиафрагма 12 диаметром 0,5 мм вырезает узкий пучок света, попадающий насканер 13, который представляет собойзеркало, закрепленное на токопроводящей рамке, помещенной в поле постоянного магнита. Сканер 13 осуществляетстрочную развертку зондирующего лучаи выполнен на базе магнитоэлектрического гальванометра и постоянногомагнита. Зеркало сканера находитсяв передней фокальной плоскости осветительного объектива 14 ТАИР. Таким образом, объект 16 просвечиваетсяпараллельно перемещающимся при ска- .нировании пучком света. Квадрантныйфотоприемник 17 находится в задней фокальной плоскости приемного объектива ю 6 25 где Г - фокусное расстояние объектива ТАИР(Г = 300 мм). Так, если Эп/ЭЕ = 101/см,а Е = 20 см и объект находится в 30 воздухе, тоЭп -ФдЕ-- 2 10 рад. 0 С Ь =и может быть надежно зарегистрировано квадрантным Фотодиодом. Так, еслиФотодиод имеет крутизну координатной 40 характеристики 10 В/мм, то на выходе КЧФ имеем сигнал с амплитудой,равной 0,6 В. Этот сигнал регистрируется самописцем. Сигнал КЧФ не зависит при этом от интенсивности свето вого пучка на поверхности КЧФ в широком диапазоне изменения интенсивностей, а градуировка сводится к получению координатной характеристики КЧФ,которая может бить снята один раз и 50 является паспортной характеристикой устройстваУправление сканером осуществляется симметричным треугольныч импульсом, вырабатываемым генератором Г 6-27.55 Синхронизация сканирования и приемаинформации осуществляется путемзаписи на второй канал самописца управляющего сканером напряжения отгенератора Гб. Вычитание регистро.1636736 грамм сигналов сканирования осуществляется путем наложения и соответствующего,поэлементного вычитания регистрограмм, полученных на самописце приналичии и при отсутствии объекта .врабочем участке устройства. Формула изобретения ФИГ. Составитель В.Варнавскийедактор Л.Зайцева Техред М.Дидык рректор амборс акаэ 811 Тираж 406 ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 10Способ измерения поля градиента показателя преломления, включающий осве" щенке объекта, расположенного в рабочей зоне измерительной системы, ре 1 гистрацию прошедшей световой волны и обработку полученных данных, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона измерений, предварительно освещают сканируемым лучом рабочую зону измерительной системы без исследуемого объекта,фиксируя отклонения луча от невоэмущенного направления распространенияв каждой точке рабочей эоны, и запоминают эти результаты, этим же скани"руемым лучом освещают объект послеего помещения в рабочую зону с фиксацией отклонения луча в каждой точкеобъекта, а о величине градиента показателя преломления судят по разности зафиксированных отклонений в каждой точке рабочей зоны.