Способ измерения показателя преломления прозрачных стержней

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 Х 21 41 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ ТЕЛЬСТ АВТОРСКОМУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Киевский политехнический институт им. 50-летия. Великой Октябрьской социалистической революции.(56) Авторское свидетельство СССР У 1141316, кл, С 01 Б 21/41, 1985,:Заявка Великобритании У 2117512, кл, С 01 И 21/41, 1984.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ СТЕРЖНЕЙ(5) Иэобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения показателя преломления материала прозрачных цилиндрических протяженных объектов. Цель изобретения - повышение точности измерений, Перед цилиндром вводят с двух сторон ограничители, ограничивающие относительно линии регистрации диапазон входных углов лучей, поступающих на измеряемый объект от рассеивателя, Ограничители закрепляютсимметрично линии регистрации, регистрируют распределение интенсивностипараксиальных лучей в плоскости иэображения измеряемого объекта, и поэтому распределению судят об искомойвеличине, Ограничение диапазона входных углов излучения приводит к отсутствию части лучей в выделяемом потоке, направленном в объектив фотоприемника, что регистрируется светочувствительной частью фотоприемника.На выходе фотоприемника формируютсядва уровня сигналов: единичный и нулевой. Единичный формируется прошедшими к фотоприемнику лучами, нулевойсоответствует местоположению лучей,отсечеНных .ограничителями, причемуровни сигнала на выходе фотоприемника однозначно связаны с показателем преломления материала измеряемого цилиндрического объекта, 4 ил, 1441278Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения показателяпреломления твердых тел в виде протяженных цилиндрических объектов, волокон, световодов,Целью изобретения является повышение точности измерений.На фиг 1 показано устройство для 10реализации способа; на фиг, 2 - зависимость угла входа луча, прошедшегочерез цилиндр, от координаты выходаиз объекта элементарного луча, параллельного линии регистрации, и сигнал 15на выходе фотоприемника; на фиг. 3построение изображения точки В,. втонкой линзе; на Фиг, 4 - прохождение луча через цилиндрический объект.Устройство для реализации данного 20способа содержит осветитель 1, рассеиватель 2, ограничители 3 и 4, Фотоприемник 5 и регистрирующий прибор б,Способ осуществляется следующим 25образом,Световым потоком от источника 1,рассеянным с помощью рассеивателя 2,облучают прозрачный цилиндр 7, причемдиапазон углов входа излучения в цилиндр 7 ограничивают закрепленнымиограничителями 3 и 4, С помощью объектива фотоприемника 5, имеющего малую,иэ цилиндра 7 в плоскости изображения фотоприемника 5, фиксируют толькопараксиальные лучи.Ограничение диапазона входныхуглов излучения приводит к отсутствию части лучей в выделенном потоке, 40направленном в объектив Фотоприемни-ка 5, что регистрируется фотоприемником 5 и приводит к тому, что на выходе фотоприемника Формируется сигнал, изображенный на Фиг. 2, Единичные уровни сигнала формируются прошедшими к фотоприемнику 5 лучами, анулевые соответствуют местонахождению лучей, отсеченных ограничителямипричем уровни сигнала на выходе фотоприемника однозначно связаны с показателем преломления материала измеряемого цилиндра,Через объектив фотоприемника 5на его фоточувствительный слой поступают параксиальные лучи, что определяется свойствами объектива Фотоприемника (объектив с небольшой апертурой),Построение изображения цилиндра 7можно провести с помощью параксиальных пучков, формируемых иа поверхности цилиндра 7. Поскольку для параксиальных лучей изображение точкистигматично (т,е. гомоцентричностьпучка сохраняется), то для построения ее изображения достаточно найтиточку пересечения какого-либо лучаиз параксиального пучка с плоскостьюиэображения,Рассмотрим изображение точки В,в линзе .(Фиг. 3). Из свойства гомоцентричности следует, что после выполнения построения любой преломленный луч иэ параксиального пучка пройдет через точку В, Так как построение изображения точки В сводится кгеометрической задаче отыскания В,то нет.надобности, чтобы выбранныеэлементарные лучи имели реальный характер, В частности, луч В, С не попадает в оправу линзы, но можетучаствовать в построении точки В,Таким образом, построение изображения видимых объективом фотоприемникаБ точек, лежащих на поверхности цилиндра 7, может быть сведено к построению с участием только тех лучей,которые выходят из цилиндра 7 параллельно линии регистрации.Местоположение лучейвыходящихиз цилиндра 7 параллельно линии регистрации, зависит от углов входарассеянных лучей, прошедших от рассеивателя 2 через пространство, ограниченное ограничителями 3 и 4, к поверхности цилиндра 7.Тем самым установление зависимостипоказателя преломления материала цилиндра от сигнала на выходе Фотоприемника 5 может быть сведено к определению связи между распределением лучей, выходящих из цилиндра параллельно линии регистрации и углами входав цилиндр лучей, выходящих от рассеивателя 2 и участвующих в формированиина выходе из цилиндра 7 пучка, параллельного линии регистрации,Зависимости, связывающие углы вхо,да лучей, проходящих через цилиндр 7,с координатами выхода из их цилиндра 7 параллельно линии регистрации,получаются на основании исследованияпрохождения элементарного луча черезцилиндрический объект (фиг, 4),Угол 9 входа элементарного луча(81 нии регистрации связан с углом Мо выхода относительно перпендикуляра к поверхности цилиндра, восстановленного в месте выхода рассматриваемого луча, соотношениемо9: 4 - Ч = ( - (180 - -3 )щ с - Г 180 о - (180 - ф -)ф + ф 1 о ф 2 9 (1) 10 огде= 180 - 1, - " - угол между направлением регистрации и радиусом цилиндра, проходящимчерез точку входа луча в цилиндр;180 - Ы, - - угол между раодиусами цилиндра, проходящими через точку входа и выхода луча из цилиндра;- соответственно углы междупрямой, соединяющей точки выхода и вхеда измерения в цилиндр и его радиусами, проходящими через эти точки, 25Угол 1, образован направлением луча, выходящего из цилиндра паральлельно линии регистрации, и перпендикуляром к поверхности цилиндра, проходящим через его центр. Этот угол связан с координатой Х, соответствующей удалению места выхода элементарного луча от линии регистрации, соотношением из треугольника АОВ (фиг, 4): где, К - радиус окружности цилиндра.Углы (, и о равны между собой, как углы при основании равнобедренного треугольника. Угол Ы образован направлением луча, входящего в цилиндр и направлением радиуса циФ45 линдра, проходящего через точку вхо" да луча в него.Углы ., и 1 также равны междузсобой, так как связаны с углами иформулой Гнеллиуса - Декарта50-ш- - В ЛФв 1 и ио где и, и и, - показатели преломления материала цилиндра и окружающей среды соответственно,С учетом формулы (3) находят углы и 4 4.,= агсв 1 и(в 1 и,)и Хагсв 1 и - -(4)и К Принимая во внимание равенствоуглов р = М и= 4 , а такжеформулы (2) и (4), запишем формулу(1) в виде21 о 2 а,= Х и Х2(агсви -- агсви - -) . (5) К и,К На-основании полученного соотношения (5) построен график (фиг. 2),Из графика видно, что если в рассеянном свете ограничить диапазон входных углов лучей, то в выходящем световом потоке, параллельном линии регистрации, есть зоны, в которых лучи отсутствуют (на графике изображены заштрихованными участками), Этим зонам соответствует нулевой уровень сигнала на выходе фотоприемника,ПРеДельные Углы + 8 и -вк в устройстве, реализующем данный способ, задаются ограничителями З.и 4.Из уравнения (5) получаем значение показателя преломления материала цилиндра:(6)Квди(агсви -- 8),К 2 Радиус окружности определяют поформуле где К - масштабный коэффициент, определяемый коэффициентомусиления фотоприемника;Т - интервал, характеризующийвнешний диаметр (фиг. 2). Значение Х, соответствующее критическому углу 8, находят из со- отношения Х, - КТ,/2,где Т - интервал, характеризующийкоординату Х 1 места выхода светового луча, параллельного линии регистрации, при заданном критическом углеЭцр (фиг, 2). Радиус К прозрачного стержня определяют заранее или по распределению интенсивности. Если радиус стержня(10) 1, - расстояние от оси образца доплоскости ограничителей;Р - расстояние от линии регистрации до краев ограничителей;Н врасстояние от плоскости, проходящей через ось образца перпендикулярно линии регистрации, до места входа в образец луча, определяющего внутреннюю границу светотени;Р - расстояние от линии регистрации до места входа этого граничного луча.Величины углов ( и К, определя ются по формулам (4) и (2).Предельный угол Эр отличается от угла О который образован линией регистрации и линией, проходящей че-. рез край ограничителя и ось образца, и вычисляется функцией 45 50 55 Однако, если обеспечить условие 1.ЯК и Р й, то предельный угол 8 к, будет близок по значению к углу 9 (сравним уравнения (10) и (11), где з 1 п и соя Ч не могут бить больше единицы, а при 1, 100 Р и Р 1 100 Р углы 8 кр и Р, с погрешностью, не превышающей 17, совпадают), Если размеры образца удовлетворяют условию 5 1 известен,то показатель преломления находят по формуле ,б).Если радиус стержня не известен, то показатель преломления определяют по формуле Т ипАТ, 9Т зз.п(агсздп - - "). (9)2Т 2 Операция калибровки устройства с целью определения предельного угла падения осуществляется один раз пе ред началом работы для определенного положения ограничивающих световой поток экранов. При изменении положения ограничивающих экранов относительно линии регистрации необходимо проводить дополнительную калибровку устройства,В соответствии с фиг. 4 предельный угол определяют из соотношения огде т = 180 - , - 1 =: 2 - о о = агсг в . (11)Р 20 25 30 35 40 В (Е/100 и Р.( Р/100, то калибровкуустройства с целью определения предельного угла для каждого нового образца проводить не нужно, в противном случае ограничители удаляют натребуемое расстояние и проводят дополнительную калибровку,I Операция формирования пучка параксимальных лучей необходима, поскольку рассеянный свет после прохождения образца остается рассеянным, а на фиг. 4 приведен ход только одного из сформированных параксиальных лучей, а остальные рассеянные лучи не проходят через объектив,Устройство может быть выполнено следующим образом.Осветитель в виде двух ламп накаливания мощностью по 150 Вт питается от напряжения сети 200 В, Рассеиватель изготовляют из стеклянной пластины путем нанесения.на нее матовой поверхности пескоструйным механизмом, Ограничители реализуют с помощью двух непрозрачных метаЛлических пластин, закрепленных в корпусе осветителя между рассеивателем и объектом измерения. Фотоприемником служит телевизионная камера типа КТП-б 7 промышленной телевизионной установки ПТУ. Регистрирующий прибор выполняют на базе видеоконтрольного устройства типа ВК 50 В 100 промышленной телевизионной устанбвки ПТУи устройства отображения, служащего для преобразования сигнала с выхода фотоприемника в цифровой код. Цифровые значения, интервалов времени Т и Т вводят в вычислительное устройство, например мини-ЭВМ нЭлектроника ДЗ". Распределение интенсивности света, формируемое в плоскости фотоприемника, имеет четкие границы светлых и темных полос, поэтому погрешность, обусловленная сферической аберрацией, создаваемой объектом измерения, в способе отсутствует. Благодаря этому достигается повышение точности определения показателей преломления до 0,053.Формула изобретения Способ измерения показателя преломления прозрачных стержней, включа1441278 5 где Т ющий освещение световым пучком стержня и регистрацию распределения интенсивности прощедшего через негосветового пучка, о т л и ч и ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, стержень освещают излучением, рассеянным в плоскости,перпендикулярной световому пучку,и ограниченным симметрично плоскос- Оти, проходящей через ось стержня инаправление освещения, регистрируютграницы света и тени в распределении интенсивности светового пучка,образованной его параллельными лучами, причем показатель преломления истержня определяют по формуле Т иТТ виь(агсвп - .) 4Т 2 и Т - минимальное и макси 2мальное расстояния между границами света итени в распределенииинтенсивности; ар - максимальный угол между падающими на стержень ограниченными рас 3сеянными лучами и направлением освещениястержня;и - показатель преломленияокружающей среды,1441278 олуб оставитель С, ехред М.дидык дактор Т. Лазоренко ктор Г, Решетник аказ 6280/4 ираж 847 П исное НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 35, Москва, Ж"35, Раушская наб., д. 4