Способ измерения угла вращения плоскости колебаний поляризованного излучения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК С 0 БРЕТЕ АВТО К ИДЕТЕЛ ЬСТВМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ(71) Всесоюзный научный центрГосударственный оптический институт им. С,И,Вавилова"(56) Приборостроение, 1959, Р 4. 11, с,10. ОМП, 1968, М 10, с.9.Авторское свидетельство СССР М 65654, кл. 6 02 В 27/28, 1968. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА ВРАЩЕНИЯ ПЛОСКОСТИ КОЛЕБАНИЙ ПОЛЯРИЗОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к измерению угла вращения плоскости поляризации поляриметрическим методом, к измерению степени поляризации оптического излучения.Известен способ определения угла вращения плоскости поляризации света оптически активным веществом посредством фотоэлектрического поляриметра, в котором плоскость поляризации света во время измерений непрерывно приводят во вращение или колебание с переходам через максимум и минимум света, Причем вращение или колебание плоскости поляризации света производят путем вращения или колебания одного из поляризующих элементов,(57) Изобретение относится к оптическому приборостроению, Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений, Способ заключается в периодической модуляции направления колебаний излучения, поляризационной фильтрации излучения и преобразовании интенсивности излучения в основной и задержанный дополнительный электрические сигналы. Использование задержки электрического сигнала позволяет повысить линейность преобразования измеряемого угла в выходной сигнал, 3 ил. Вращение или колебание плоскости поляризации может быть осуществлено также при прохождении поляризованного света через ячейку Керра или модулятор Фарадея.Недостатком изложенного способа является сравнительно невысокая точность измерения угла ( 1 ) из-за недостаточной фильтрации полезного сигнала,Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является обьективный поляризационный способ измерения угла вращения плоскости колебаний поляризованного излучения, заключающийся в периодической модуляции направления колебаний излучения, его поляризационной фильтрации, преобразовании интенсивно 1744462сти излучения в электрический сигнал и определении угла вращения плоскости колебаний по электрическому сигналу на частоте модуляции излучения, При реализации способа свет от коллимированного источника пропускают через поляризатор и модулятор в виде ячейки Фарадея, подвергающий колебательному движению плоскость поляризации (колебаний) излучения с частотой в колебаний тока в модуляторе. Затем пропускают его через анализатор, скрещенный с поляризатором, после чего свет становится модулированным по интенсивности с частотой 2 м Модулированный свет направляют на фотоприемник, преобразуют в электрический сигнал, фильтруют на частоте э, синхронно эжектируют и по нему определяют угол вращения плоскости колебаний,Недостатком данного способа измерения угла вращения плоскости колебаний является недостаточная чувствительность и точность по следующим причинам; величину потока на приемнике, модулированного по интенсивности, можно представить выражением: а афпР(1) = фо д + - + 2 а д Яп ол - 2 сов 2 йл + 01, ( 1) где Фо - поток, прошедший поляризатор;а - амплитуда колебаний плоскости поляризации, вызываемых модулятором;в = 2 л Рм - угловая частота переменного тока модулятора;О - коэффициент пропускания излучения скрещенных поляризатора и анализатора;д - угол вращения плоскости колебаний,Из выражения (1) следует:между углом д и амплитудой 1-й гармоники сигнала частоты а существует линейная зависимость в диапазоне угла д3 О; амплитуда второй гармоники частоты 2 а имеет максимум для угла д = 0 и практически не меняется в указанном диапазоне угла д.Поток на приемнике минимален, когда угол д= 0 и амплитуда колебаний плоскости поляризации а =О, что соответствует моментам времени, когда ток в модуляторе отсутствует. При этом минимальный поток на приемнике обусловлен остаточным коэффициентом пропускания О в выражении (1).Из чего следует, что составляющие сигнала на частоте 2 в и обусловленный остаточным пропусканием "скрещенных" поляризатора и анализатора являются помехами, ограничивающими чувствительность метода и точность измерений угла д. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Целью изобретения является повышение чувствительности и точности измерений.Это достигается тем, что в предложенном способе начало преобразования интенсивности в электрический сигнал синхронизируют с моментом равенства нулю амплитуды модуляции направления колебаний излучения, формируют дополнительный электрический сигнал путем задержки основного электрического сигнала на время, равное полупериоду модуляции направления колебаний излучения, и вычитают из основного электрического сигнала дополнительный электрический сигнал,На фиг,1 изображена структурная схема устройства, реализующего предложенный способ, на фиг,2 - временная диаграмма, поясняющая взаимодействие блоков, обеспечивающих учет пространственного распределения зарядов; на фиг.3 - схема и временная диаграмма, поясняющие принцип определения знака проинтегрированного сигнала МКВ,Устройство содержит коллимированный источник 1, поляризатор 2, активное вещество 3, модулятор 4, анализатор 5, объектив 6, матрицу ФЗПС 7 с универсальным средним регистром, видеоусилители 8, 9, дифференциальный усилитель 10, интегратор 11, схему 12 выборки-хранения, аналого-цифровой преобразователь 13, генератор 14 опорного напряжения, генератор 15 управляющих импульсов, блок 16 управления, фазовый детектор 17,Излучение от источника 1 пропускают через поляризатор 2, оптически активное вещество 3, вызывающее вращение плоскости колебаний излучения на угол д, и далее через модулятор 4, анализатор 5 и объектив 6 направляют на фотоприемник 7 в виде излучения, модулированного по интенсивности в соответствии с (1), см. эпюру Е на фиг.16,В качестве приемника применяют матрицу ФПЗС с универсальным средним регистром в режиме межкадрового вычитания (МКВ), В твердотельном телевидении (4) при так. м режиме работы подавляется стационарная часть сигнала, что позволяет существенно повысить чувствительность, Возвращаясь к выражению (1), очевидно, к стационарной части сигнала на выходе ФПЗС можно отнести составляющие частоты 2 ви О,.Полезным сигналом, изменяющимся по амплитуде от кадра (полупериода модуляции) к кадру, является составляющая сигнала на частоте, ш. Для осуществления режима МКВ задерживают основной сигнал на время, равное длительности кадра Тк = Тм/2 (фиг.1 б), и вычитают из него дополнительный сигнал последующего кадра (полупериода). Межкадровую разность напряжения 5 сигнала определяют из выражения;Л Ос(т) = Ос(т+Тк) - Ос(с), (2) где Ос(1+Т) - напряжение сигнала на выходе ФПЗС, задержанное на время Т.Ос(1) - напряжение сигнала в текущем 10 кадре,Для получения сигнала Л Ос(т) синхронизируют частоту модуляции Ем излучения кадровой частотой Р, вывода информации из ФПЗС, выбрав Рм = 0,5 Е. При этом обес печивается синхронизация начала преобразования интенсивности излучения в электрический сигнал с моментами равенств нулю амплитуды колебаний плоскости поляризации (моменты равенства нулю 20 тока в модуляторе).Происходящие процессы в режиме МКВ можно записать в следующем виде:аФпр,= Ф;сг + - 2 -2 а б зЬ ол -- соз 2 ол) + 01 - 252 /т- поток в -том элементе ФПЗС в 1-мкадре,гфпр (1) = Фо д + г .ф. 2 а д зи ол -- соз 2 ол/ + О 2 - , 30г- поток на том же элементе матрицы во 2-м кадре.При известной интегральной чувствительности Яч,коэффициенте передачи Кп 35 матрицы и соотношении между напряжением с -го элемента и освещенностью на нем можно определить напряжение;ткОс,(с) = Кп Я,Е т бт и затем пеРейти к 40 уравнениям для напряжений сигналов на выходах регистров матрицы:для 1-го кадра:ОС 1;(т) - ц, Г/дг+ааг45- + 2 а д з 1 п ол -- соз 2 ол/ + Ог /для 2-го кадра;Оц фг+аа- , г 2 абзпол -- соз гол) +ОгПосле межкадрового вычитания сигна лов имеем напряжение:Ж 3 с(т) = 2 Оог 2 а д з и в т, свободное от стационарной части сигнала на этом элементе, являющейся помехой. Причем составляющая частоты 2 ц/ намного порядков 55 превышает полезный сигнал для угла д Зо,Операцию вычитания на фиг.1 выполняет блок 10, синхронизацию работы - блок15, а происходящие процессы отражаютэпюры на фиг,1 б.Преобразование излучения в электрический сигнал осуществляется ФПЗС,Один цикл его работы в режиме МКВ состоит из двух кадров. В первом кадре выполняется накопление заряда в секциинакопления СН и перенос его через среднийрегистр СР в секцию хранения СХ, Во втором кадре выполняется накопление зарядав СН и параллельное хранение предыдущего кадра в СХ, а также параллельное считывание из СН заряда второго кадра через СРи первого кадра через выходной регистр ВР.Перечисленные операции происходятвнутри матрицы под действием управляющих импульсов генератора 15, Считанныесигналы Оср и Овр после усиления в видеоусилителях 8 и 9 подаются на дифференциальный усилитель 10, на входе котороговыделяется напряжение Ь О (см. фиг.1 б),где Е - освещенность в плоскости элементов ФПЗС, принадлежащих - строкам и М-истолбцам, образующим "окно выборки"(фрагмент В); Тм - период колебаний модуляции; СИ - синхроимпульсы от генератора15 с периодом Тк = Тм/2; СР, ВР - сигналына выходе среднего и выходного регистровсоответственно; ДУ - сигнал МКВ на выходеусилителя 10.Для учета пространственного распределения зарядов под засвеченными элементами матрицы в "окне выборки" сигнал Ь Оинтегрируют в интеграторе 11, записываютв схему 12, управляемую блоком 16, затемсчитывают в АЦП 13, где его кодируют. Параллельно с этим определяют знак сигналаЛО в детекторе 17 с целью определениянаправления вращения плоскости поляризации,На фиг.2 цифрами 1 - 8 обозначены процессы, протекающие в соответствующихточках блок-схемы на фиг,1, Временной интервал т 1 соответствует интервалу от началанакопления до момента, когда сигнал первого засвеченного элемента превысит пороговый уровень. С него начинается процесспоэлементного и построчного интегрирования до уровня Ц, который заканчивается вмомент т 2 при поступлении импульса "Выборка". Этими процессами управляет блок16,Схема (фиг.3) содержит два параллельно включенных фазовых детектора, запитываемых по управляющим входампротивофаэными опорными напряжениямигенератора 14, Номер детектора, на выходе1744462 ю(9 И СН СХ которого появится сигнал Овых, обозначает направление вращения плоскости колебаний излучения.Использование предложенного способа измерения угла вращения плоскости колебаний позволяет повысить чувствительность примерно на порядок, Положительныйый эффект достигнут в результате использования матрицы ФПЗС с универсальным средним регистром в режиме межкадрового вычитания сигналов. Погрешность вычитания в этом случае не более 1 О, а ожидаемый выигрыш в отношении сигнал/шум не менее 10 раз. Аналогичный выигрыш ожидается в предельно достижимой точности измерений угла.Формула изобретения Способ измерения угла вращения плоскости колебаний поляризованного излучения, заключающийся в периодической модуляции направления колебаний излучения, поляризационной фильтрации излучения, в преобразовании интенсивности излучения в основной электрический сигнал 5 и определении угла вращения плоскости колебаний излучения по электрическому сигналу, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности, начало преобразования интенсивности в 10 электрический сигнал синхронизуют с моментом равенства нулю амплитуды модуляции направления колебаний излучения, формируют дополнительный электрический сигнал путем задержки основного электри ческого сигнала на время, равное полупериоду модуляции направления колебаний излучения, и вычитают из основного электрического сигнала дополнительный электрический сигнал.201744462 Ййак ир Под Пр Фых