Устройство для определения показателя преломления

 

Изобретение может быть использовано для определения показателя преломления прозрачных для света веществ по вносимой ими оптической разности хода между эталонной и тестовой световыми волнами. Цель изобретения - повышение точности определения оптической разности хода за счет формирования эталонной и тестовой волн в виде бесконечной суммы плоских монохроматических световых волн, распространяющихся под углами друг к другу и формирующих в плоскости анализа освещенность с гармоническим законом распределения , и определения оптической разности хода по величине смещения положения максимумов этого распределения освещенности, возниканнцего при создании оптической разности хода эталонной и тестовой световыми волнами . Формирование бесконечной суммы плоских сватовых волн осуществляется, например, путем изображения в бесконечность с помощью коллиматорного объектива тест-объекта, выполненного в виде решетки с гармоническим распределением светопропускания, который равномерно освещается монохроматическим источником света. Формирование освещенности в плоскости анализас гармоническим законом распределения осуществляется с помощью камерного объектива, в фокальной плоскости которого локализуется изображение тестобъекта. При этом обеспечивается строгая линейность меяду величиной смещения максимумов распределения освещенности в изображении тест-объекта и величиной созданной оптической разности хода. 1 ил. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

„„SU 467464 (51)4 С 01 N 21/41

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4158097/24-25 (22) 08.12.86 (46) 23.03.89. Бюл. Р 11 (72) И.В.Черных и К.Г.Предко (53) 535.24(088.8) (56) Горелик Г.С. О применении модуляционного метода в оптической интерферометрии.,ДАН СССР, 1951, 83, У 4, с. 549-552.

Коломийцов Ю.В. Интерферометры.

Л.: Машиностроение, 1976, с, 68, 249. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ (57) Изобретение может быть использовано для определения показателя преломления прозрачных для света веществ по вносимой ими оптической разности хода между эталонной и тестовой световыми волнами. Цель изобретения — повышение точности определения оптической разности хода за счет формирования эталонной и тестовой волн в виде бесконечной суммы плоских монохроматических световых волн, распространяющихся под углами друг к другу и формирующих в плоскости анализа освещен1

Изобретение относится к области контроля оптических характеристик прозрачных для света веществ по создаваемой ими оптической разности хода между тестовой и эталонной световыми волнами и может быть использовано для определения показателя преломления газов, жидкостей и твердых тел.

Целью изобретения является повышение точности определения показателя преломления. ность с гармоническим законом распределения, и определения оптической разности хода по величине смещения положения максимумов этого распределения освещенности, возникающего при создании оптической разности хода эталонной и тестовой световыми волнами. Формирование бесконечной суммы плоских световых волн осуществляется, например, путем изображения в бесконечность с помощью коллиматорного объектива тест-объекта, выполненного в виде решетки с гармоническим распределением светопропускания, который равномерно освещается монохроматическим источником света. Формирование освещенности в плоскости анализа. с гармоническим законом распределения осуществляется с помощью камерного объектива, в фокальной плоскости которого локализуется иэображение тестобъекта. При этом обеспечивается строгая линейность между величиной смещения максимумов распределения освещенности в иэображении тест-объекта и величиной созданной оптической разности хода. 1 ил.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит источник 1 монохроматическогo света, равномерно освещающий тест-объект 2, выполненный в виде решетки с гармоническим распределением светопропускания с возможностью перемещения перпендикулярно оптической оси и направлению своих штрихов и расположенный в фокальной плоскости коллиматорного объектива 3, коI(x) - (1 + соз(ыдхЦ, (1)

Кд

15 гце ь = — — пространственная часf3 тота тест-объектау

D — световой диаметр коллиматорного и камерного объективов;

20 — длина волны излучения источника света;

f — фокусное расстояние камерного объектива; х — координата в плоскости

25 тест-объекта, перпендикулярная направлению его его штрихов.

Это позволяет повысить точность измерений за счет обеспечения строгой

30 линейности между величиной показателя преломления и величиной смещения максимумов распределения освещенности в изображении тест-объекта и светосилу устройства.

При выводе соотношений за основу взято то, что оптическая система изображает решетку с гармоническим рас- пределением светопропускания единичного контраста без искажения характе40 ра этого распределения, т.е. иэображение также имеет гармонический закон распределения. При этом изображение имеет контраст, равный величине функции передачи модуляции Т(м) и смещено относительно своего идеального положения пропорционально величине функции передачи фазы q(w) изображающей оптической системы.

Т(ы) и lg(cu) оптической системы имеют следующий вид:

sin К LIL) -- 7. и) 7 0; (2)

Шр 2

w (d p 7 (d 7 — r

146746 торый формирует световую волну, проходящую через кювету 4 с исследуемым веществом, камерный объектив 5, формирующий изображение тест-объекта 2

5 в плоскости анализатора 6, представляющего собой узкую щель, за которой расположен фотоприемник 7, полосовой усилитель.8, настроенный на временную частоту, вдвое большую частоты колебаний тест-объекта 2, регистратор 9 и индикатор 10 перемещения анализатора 6.

Устройство работает следующим образом.

Источник I света равномерно осве щает тест-объект 2, который с помощью объективов 3 и 5 изображается

B плоскости анализатора 6. Световой поток, прошедший через анализатор 6 преобразуется в электрический сигнал с помощью фотоприемника 7. Электрический сигнал модулируется по временной частоте путем периодического смещения тест-объекта 2 перпендикулярно оптической оси, с фотоприемника 7 подается в усилитель 8 и в регистратор 9. Путем перемещения анализатора 6 перпендикулярно оптичес кой оси добиваются максимума сигнала на регистраторе 9. Измерение величины перемещения анализатора 6 производится с помощью индикатора 10 °

Устройство для определения показателя преломления работает следуюt щим образом.

Первоначально до введения исследуемой среды в кювету 4 путем перемещения анализатора 6 измеряют с помощью индикатора 10 координату Х, положения анализатора 6, соответствующую максимуму электрического сигнала с усилителя 8. После введения исследуемой среды в одну из камер кюветы 4 путем перемещения анализатора 6 определяют с помощью индикатора 10 вторую координату Х положения анализатора 6, соответствующую новому положению максимума сигнала с усилителя 8. По величине смещения

4 анализатора А Х = Х вЂ” Х определяют показатель преломления исследуемой среды.

Равномерным освещением монохроматическим излучением тест-объекта, выполненного в виде решетки с гармоническим распределением светопропускания, в его плоскости создается распределение светимости I(x), пропорциональное выражению

lap

7i (d 7

Wp W 7

KDL

sin KdL (4

Wp

arctg (2ы о

1 — -- + — cps KDL

4) p „

0 (3) (Мp !

67464 6

Использование модуляционного метода для известных устройств не обеспечивает такой точности определения

Л L, так как для них форма максимумов функции В(х) имеет существенную несимметричность, что приводит к погрешности определения координаты максимума.

Повышается и светосила, так как исключается необходимость использования щелевых диафрагм в параллельном ходе лучей и снимается ограничение на максимальный размер источника

Размер 1 тест-объекта должен быть не меньше, чем где ыр= 2 "о

К

Т чин

1Р (7) 20

25 (4) 30

Л . п= — +и э (5) l 35 где L — длина кюветы;

n — показатель преломления среды э эталонного отделения кюветы.

Из выражения (4) следует зависимость 8L от величины дХ смещения мак- 40 симумов функции В(х):

D.f

1 м кс (8) (6) JL = — ЛХ

2f

Так как величины D u f в выраже- 45 нии (6) постоянны, то точность определения 8L, а следовательно, и и определяются только точностью определения координаты максимума функции

В(х). Поскольку форма максимумов функции В(х) симметрична, то, например, использование модуляционного метода наведения на максимум гармонического оптического сигнала позво5 14 предельная пространственная частота, волновое число, d L — оптическая разность хода между световыми волнами, прошедшими через первую и вторую камеры кюветы.

Из выражения (3) следует, что при м>--э ы„ величина ц (ы) прямопропорциональна dL а величина Т(ю) от

DL не зависит и уменьшается с увеличением э . Поэтому из условия получения максимально возможного контраста в изображении для тест-объекта выбрана минимальная ы= иэ, при которой еще сохраняется пропорциональность между (м) и Л .. Эта частота соответствует периоду Т тест-объекта, равному

2Лf

Т

Распределение освещенности В(х) в изображении тест-объекта вида (1) с учетом (2) и (3) имеет следующий вид:.

В(х) (1 + 0,5 сов(ы,Х + Кд1.)3.

Показатель преломления и связан с QL следующим образом: ляет в этом случае снизить погрешность определения 3L до 10 мкм. Модуляция выходного сигнала .осуществляется периодическим перемещением тест-объекта. где d — допустимая погрешность определения показателя преломления.

Условие (5) получено из анализа функции распределения освещенности в изображении ограниченного по размеру тест-объекта. Из {7) следует, что число периодов решетки тестобъекта, например, при Р= -10, L

100 мм и Л = 0,5 мкм должно быть не менее 66.

Верхний предел размера 1 опреде" ляется величиной поля зрения системы коллиматорный — камерный объективы и равен где А — расстояние между объективами.

Изобретение позволяет снизить погрешность определения оптической разности хода за счет обеспечения строгой линейной зависимости между определяемой величиной оптической разности хода и измеряемой величиной смещения точки максимума распределения освещенности в плоскости анализа и симметричности формы этих максимумов. Это позволяет эффективно применить модуляционный метод наведения на максимум гармонического оптического сигнала и снизить погрешность определения показателя преломления, например, при ) лине кюветы 100 мм до величины 10

Формула изобретения

Устройство для определения показателя преломления,.содержащее ис1467464

2Лf

T = ——

D а размер решетки 1 в направлении, перпендикулярном направлению ее штрихов, удовлетворяет соотношению

f0

Составитель С.Голубев

Техред М.Ходанич

Корректор В.Гирняк

Редактор Н.Бобкова

Заказ 1188I40

Тираж 788

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,101 точник монохроматического излучения и расположенные по ходу лучей тестобъект, коллиматорный объектив, фокус.которого совмещен с плоскостью тест-объекта, кювету, камерный объектив и регистратор, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения показателя преломления, тест-объект выполнен 1О в виде решетки с синусоидальным распределением светопропускания, период

Т которого равен

Т D f — — — Ф вЂ” = 1 (т1 где D — световой диаметр коллиматорного и камерного объективов

f — фокусное расстояние коллиматорного объектива; — допустимая относительная погрешность определения показателя преломления;

L — длина кюветы; — длина волны источника излучения;

А — расстояние от камерного до коллиматорного объектива, при этом тест-объект установлен с

/ возможностью перемещения перпендикулярно направлению хода лучей и направ лению своих штрихов.