Устройство для измерения оптической разности хода

 

Использование: для измерения механических напряжений в оболочках электровакуумных приборов, заготовках волоконных световодов, лазерных стержнях, градиентных линзах и др. Сущность: в устройство введены АЦП и использованы двумерный матричный блок обработки и представления результатов, а также фотоприемник, двухволновой спектральный селектор и клинЬ- вый компенсатор, геометрические и оптические параметры которых удовлетворяют предлагаемым условиям. Погрешность измерения не превышает 1%, цикл измерений распределения механических напряжений по сечению исследуемого объекта от момента его установки в кювету до получения распечатки распределения напряжений по 103 точкам сечения занимает 2 мин. При томографическом исследовании неосесим метричных структур предлагаемое устройство позволяет сократить время измерений до 1 ч. 2 ил. СП G

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4897085/25 (22) 28.12.90 (46) 07.01.93. Бюл. М 1 (71) Институт радиотехники и электроники

АН СССР (72) И.В.Александров, M.E.Æàáoòèícêèé, А.Н.Тузов, С.Я.Фельд и О.E.Øóøïàíoâ (73) Институт радиотехники и электроники

АН СССР (56) Александров И.В. и др. — Радиотехника, 1988, M 8, с.67 — 72.

Грум-Гржимайло С.В. Приборы и методы для оптического исследования кристаллов. M.: Наука, 1972, с.104 — 106; (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ РАЗНОСТИ ХОДА (57) Использование: для измерения механических напряжений в оболочках электровакуумных приборов, заготовках волоконных

Изобретение относится к оптическим поляризационным измерениям свойств прозрачных цилиндрических объектов (свойства и геометрия которых сохраняются вдоль оси объекта), в частности к устройствам компенсационного измерения оптической разности хода.

Известно устройство для измерения оптической разности хода поляризованным методом, содержащее источник линейнополяризованного светового пучка, спектральный селектор в виде сменных узкополосных светофильтров на близкие длины волнА1 и А2, кюветусиммерсиейдля размещения объекта, проекционную опти„„Я „„1787266 АЗ (я)5 G 01 J 4/04, G 01 N 21/21 световодов, лазерных стержнях, градиентных линзах и др. Сущность: в устройство введены АЦП и использованы двумерный матричный блок обработки и представления результатов, а также фотоприемник, двухволновой спектральный селектор и клиновый компенсатор, геометрические и оптические параметры которых удовлетворяют предлагаемым условиям, Погрешность измерения не превышает 1, цикл измерений распределения механических напряжений по сечению исследуемого объекта от момента его установки в кювету до получения распечатки распределения напряжений по 10 точкам сечения занимает 2 мин. Пр томографическом исследовании неосесим метричных структур предлагаемое устройство позволяет сократить время измерений до 1 ч. 2 ил. ческую систему, фазовую .пластинку А /4, анализатор, фоторегистратор в виде многоэлементного линейного фотоприемника (ФП), узлы механического вращения анализатора и смены светофильтров. При этом благодаря использованию многоэлементного ФП осуществляется электронное сканирование по сечению объекта. Для обеспечения высокой точности измерения разности хода производится поиск минимума сигнала на ФП для каждой точки сечения объекта, для чего пошагово вращают анализатор в диапазоне от 0 до 180 . Измерения на двух длинах волн позволяют определять большие (> л,) разности хода, Точность из1787266 мерений с помощью этого устройства со. ставляет 1;4. Полное время измерения в одном сечении около 5 мин.

Недостатком устройства является невысокое быстродействие, что связано с необходимостью механического вращения анализатора. Кроме того для достижения высокой точности необходимо использовать прецизионные механические узлы, позволяющие осуществлять вращение и установку анализатора с точностью 2, что удорожает устройство.

Известно также устройство для измерения оптической разности хода в прозрачных цилиндрических объектах с большой разностью хода, которое содержит источник линейно-поляризованного светового пучка, спектральный селектор, кювету с иммерсией и держателями для крепления объекта, двулучепреломляющий оптический клин, анализатор, фоторегистратор и оптическую проекционную систему в виде объектива. В качестве фоторегистратора используется фотоаппарат, регистрирующий картину интерференции на фотопленку, а в качестве спектрального селектора — узкополосный интерференционный светофильтр на длину волны А1 . Ось клина (направление изменения его оптической толщины) перпендикулярна оси пучка -и параллельна оси исследуемого объекта. Ширина клина (в направлении перпендикулярном оси объекта) превышает диаметр объекта настолько, чтобы можно было наблюдать интерференционные полосы клина эа пределами объекта, то есть для невозмущенного объектом пучка. При этом клин обеспечивает проектирование на чувствительную площадку фоторегистратора фрагмента картины с числом полос более k+1, где k — целое число длин волн, заклюненных в измеряемой разности хода.

Известное устройство работает следующим образом.

При наличии в исследуемом объекте напряжений интерференционные полосы клина искривляются. Перемещая клин параллельно его оси, добиваются компенсации разности хода в выбранном участке объ-: екта. Компенсация достигается, когда одна из полос совпадает с этим участком, При этом картина искривления полос соответствует кривой распределения разности хода лучей в объекте. Разность хода определяется по отклонению интерференционной полосы от ее невозмущенного (вне объекта) положения. Расчет разности хода и роводится по фотографии интерференционной картины, Для этого калибруют устройство, то есть определяют расстояние между соседними полосами клина вне объекта, соответствующее изменению разности хода в клине на одну длину волны. Определение разности хода и калибровку проводят путем фотометрирования полученной фотографии.

Разность хода на исследуемом участке составляет либо дробную часть длины волны, либо целое число длин волн плюс дробная часть. Точность измерения с помощью описанного устройства составляет 107,, время измерения с учетом обработки фотоматериалов — более 1 часа.

Устройство имеет следующие недостатки. Малая точность измерения, обус5

15 ловленная нелинейными искажениями распределения интенсивности света при экспонировании фотопленки; ошибками фотометрирования (оцифровки) зарегистрированного фотопленкой распределения интенсивности; ошибками определения положения полосы, то есть минимума интенсивности картины в области максималь20 ных шумов

Все это вместе взятое не позволяет определить искомое положение с точностью лучше, чем А /10. Дополнительное снижение точности происходит из-за малости периода полос на пленке; (в прототипе используется 10 порядков, проектируемых на 1 кадр пленки).

Большое время измерения, что связано с длительными процессами обработки фото25

30 пленки, фотометрирования картины полос и калибровки устройства.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерений при сохранении диапазона измеряемых значений разности хода, Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения оптической разности хода на длине волны 4 в двулучепреломляющихся прозрачных цилиндрических объектах, включающее: источник линейно35

40 та, причем ось держателей перпендикулярна оптической оси устройства; двулучепреломляющий оптический клин, ось которого перпендикулярна оптической оси устройства и параллельна оси держателей; анализатор; спектральный селектор; двумерный фоторегистратор с чувствительной площадкой; оптическую проекционную систему, проецирующую иэображение объекта и клина на фоторегистратор, введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и электронный блок обработки и представления результатов, селектор выполнен двухвол но50

55 поляризованного светового пучка, направ45. ленного вдоль оптической оси устройства; кювету с держателями для крепления объек,1787266 вым, пропускающим излучение на длинах волн Л1 и ib; длина клина W< вдоль его оси и его высота ЮЬ удовлетворяют условиям

W> 6 >а; МЬ G >b, где6 — коэффициент изменения поперечных размеров при проецировании оптической проекционной системой, а — длина чувствительной площадки фоторегистратора в направлении оси клина, Ь вЂ” ее ширина; двумерный фоторегистратор выполнен в виде многоэлементного матричного ФП; строки матрицы ФП ориентированы параллельно оси клина; число строк M многоэлементного матричного ФП удовлетворяет условию

М 100, (1) длины волн А1 и Az, число разрядов m АЦП, число элементов N в строке матрицы ФП и параметр удовлетворяют условию м М 2 ехр (-1,03 х г (2) ф(3 — ф где = а/Wp G, \Ир- период клика на длине волны Л1 .

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для измерения оптической разности хода; на фиг, 2 — блок-схема конкретной реализации устройства для измерения оптической разности хода.

Предлагаемое устройство для измерения оптической разности хода (фиг. 1) содержит источник линейно поляризованного светового пучка 1, кювету 2 с иммерсией и держателями (на фиг. 1 не показаны) для крепления объекта 3, двулучепреломляющий оптический клин 4, анализатор 5, спектральный селектор 6, проекционную оптическую систему 7, многоэлементный

ФП 8, строки матрицы которого содержат по Й элементов и ориентированы параллельно оси клина 4, m-разрядный аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 9, электронный блок. обработки и представления результатов 10. Расположение спектрального селектора зависит от его конструктивной реализации. Если селектор выполнен в виде блока сменных светофильтров, то он может быть расположен между источником 1 и кюветой 2 (см. пример 2) или как указано на фиг. 2 (cM. пример 1). Спектральный селектор может быть также совмещен либо с источником (см. пример 4), либо с матричным ФП (см. пример 3).

Описанное устройство для измерения . оптической разности хода функционирует следующим образом.

Источник 1 формирует линейно поляризованный пучок, который направляется на кювету 2 с объектом 3. Прошедший через измеряемый объект пучок характеризуется

5 разностью хода д (у) = JAn dz, где Лn-пх- пу анизотропия показателя преломления, обусловленная двулучепреломлением объекта(интеграл берется вдоль траектории луча в объекте). Для уменьшения влияния

10 рефракции на результаты измерения используется проекционная оптическая система 7, формирующая изображение клина (и соответственно изображение средней плоскости объекта в плоскости клина) на чувст15 вительной площадке ФП 8. Клин вносит изменяющуюся вдоль оси х дополнительную разность хода д" (х). Таким образом после прохождения объекта и клина зондирующий пучок приобретает поляризацион20 ное состояние, характеризующееся следующим распределением разности хода по сечению лучка д (х, у) = д (у) + д" (х), где д (у) подлежит определению, 25 В отличие от устройства-аналога в предлагаемом устройстве развертка картины во времени (вращение анализатора) фактически заменяется пространственной разверткой (с помощью клина), что повышает

30 быстродействие, После прохождения клина пучок направляется на анализатор 5, ось которого ориентирована в общем случае произвольно. Анализатор выделяет в пучке с распре35 деленной по сечению эллиптической поляризацией линейно поляризованную компоненту для каждого луча, другими сло-. вами, поляризационная модуляция в поперечном сечении пучка преобразуется в

40 амплитудную, которая и регистрируется матричным ФП 8, После анализатора пучок пропускается через двухволновый спектральный селектор, в качестве которого могут быть использованы интерференционные

45 светофильтры на длины волн ib и Аг, попеременно устанавливаемые на пути пучка.

Спектральный селектор предназначен для обеспечения возможности зондирования объекта двумя монохроматическими свето50 выми пучками, Для выполнения этой функции селектор может быть расположен в любом месте вдоль оси устройства между источником света и ФП. Некоторые варианты расположения и конструктивной реализации спектрального селектора приведены в примерах.

В принципе, интенсивность сигнала!(у), записанная в любом столбце (х = const) матрицы ФП, позволяет с помощью соотноше1787266

15

40

55 ния (3) определить искомое распределение . д (у) с точностью до целого числа длин волн.

Однако при этом существуют два источника ошибок; рефракция зондирующего пучка в объекте в плоскости Y0Z и неравномер- 5 ность распределения интенсивности пучка вдоль оси у на выходе источника. Последний источник ошибок может быть устранен путем использования источника света с малой вариацией интенсивности по сечению, например растрового. Что касается рефракции как источника ошибок измерения, то она целиком определяется неизвестными заранее свойствами объектов исследования и может привести к существенной модуляции распределения интенсивности пучка, что будет интерпретироваться как следст- . вие большого фазового набега в объекте.

Поэтому ошибка восстановления дробной части д (у) по результатам измерения l(y) = 2

=l(x, у) >-«»< превышает 107;, В предложенном устройстве используется матричных ФП. Это обеспечивает возможность определения искомой разности хода путем нахождения положения минимума интенсивности сигнала для кан<дой строки ФП, т.е, в каждом продольном сечении объекта. Этим исключается ошибка определения значения фазового набега, связанная с рефракцией пучка, поскольку для всех элементов строки матричного ФП рефракция пучка одинакова. Интенсивность сигнала распределена вдоль строки по синусоидальному закону (в случае линейного клина). Определение положения минимума производится численно в блоке 10, куда после оцифровки в АЦП 9 направляется сигнал l(x, у) с выхода многоэлементного ФП

8. Интенсивность излучения в стандартном поляриметре в присутствии обьекта определяется следующим образом

I(x, у) = !О сов t Ô + þ д (х, У)/1), (3) где I< — интенсивность входного пучка;

Ф вЂ” угол между осями поляризатора и анализатора, Поэтому положение минимума связано с искомым распределением дробной части д (у) соотношением

Л Ф/ж +(д(у ) +д(х)) =iL!2+iL k, k-0, 1, 2,... (4)

Иэ (4) следует, что д (у) можно определить лишь с точностью до А k, т.е. можно найти лишь дробную часть разностй хода.

Для определения полной разности хода необходимо определить и целое число k длин волн, заключенных в измеряемой разности хода. Для этого спектральный селектор выполнен двухволновым, пропускающим излучение на длинах волн ih u ib . Это позволяет производить два независимых измерения на различных длинах волн (предпочтительно удаленных друг от друга не более, чем на (5-10)% и таким образом измерять полную разность хода, Необходимым признаком устройства является наличие АЦП, обеспечивающего оцифровку снимаемого с ПФ аналогового сигнала с разрядностью "m". Дальнейшая обработка сигнала в цифровом виде, в отличие от аналоговой обработки в устройствепрототипе, повышает точность и быстродействие измерения, так как позволяет использовать быстродействующие электронные блоки обработки информации

Кроме того, обработка сигнала в цифровом виде более устойчива к воздействию помех, что повышает точность измерения оптической разности хода, Другим необходимым признаком предлагаемого устройства является наличие двухволнового спектрального селектора, что обеспечивает измерение на двух длинах волн (ih u Xz ). Только проведение двухволновых измерений обеспечивает высокую точность измерений для объектов с д > 1.

Кроме того, двухволновые измерения позволяют исключить при обработке сигнала необходимость использования априорной информации об объекте и автоматизировать процесс, что повышает быстродействие устройства.

Необходимым признаком устройства является выполнение условия, что длина изображения клина (с учетом изменения масштаба из-за воздействия проекционной оптической системы) должна быть не менее длины а, т.е, должно выполняться условие

W1 G > а, а ширина его изображения не менее ширины Ь чувствительной площадки ФП, т,е. должно выполняться условие

64 6 > Ь. Выполнение этих условий обусловливает использование всех строк и всей длины строки матричного ФП. что повышает разрешающую способность устройства, (так как исследуемая картина, содержащая информацию о распределении вносимых объектом и клином оптических разностей хода, засвечивает большее число дискретных элементов ФП) и соответственно увеличивает число расположенных вдоль оси у точек, в которых измеряются значения оптической разности хода в объекте, а также повышает точность определения соответствующего минимуму сигнала номера элемента строки

ФП. Кроме того, повышается и быстродействие, поскольку отпадает необходимость предварительного определения границ изображения клина на ФП.

1787266

Необходимым является использование многоэлементного матричного ФП, так как только в этом случае можно исключить характерные для прототипа факторы, снижающие быстродействие и точность измерения. Быстродействие повышается за счет исключения операции калибровки и использования электронного сканирования (считывания) регистрируемой картины вместо длительного многостадийного процесса экспонирования химической обработки и фотометрирования фотопленки, Повышение быстродействия при замене фотопленки матричным ФП приводит к появлению возможности использования совершенно иных методом поиска координаты минимума сигнала. Фотометрирование является настолько длительнь,м и трудоемким процессом, что может быть выполнено за приемлемое время только в небольшой области вблизи минимума сигнала, то есть там, где отношение сигнал/шум наихудшее, Матричный ФП позволяет обрабатывать при поиске минимума сигнал со всей строки ФП, Это на порядок повышает точность определения координаты минимума сигнала и измерения оптической разности хода.

Считывание кадра с матричного ПФ осуществляется со скоростью телевизионной развертки, то есть за 0,04 с. При использовании современного фотооборудования, материалов и реактивов, например фирмы

"Polaroid", можно осуществить операции экспонирования и химической обработки фотоматериалов за время 10 с. Таким образом, применение матричного ФП повышает быстродействие по сравнению с гипотетическим устройством типа фоноскопа (прототип) на основе современного фотооборудования, по крайней мере на 2,5-3 порядка.

Другим возможным вариантом решения поставленной задачи могло бы быть ис1 пользование механического сканирования зондирующего поля линейным ФП, используемым в аналоге. При этом линейный ФП должен принять 500 (по числу строк телевизионного кадра) различных положений в пространстве. Считывание линейного ФП производится за время 5 10 с, так что вся картина (без учета времени механического перемещения ФП) может быть считана за 2,5 с. Таким образом применение матричного ФП позволяет повысить быстродействие по сравнению с гипотетическим устройством, подобным аналогу, но с механическим сканированием линейного ФП, на

2,5-3 порядка.

Таким образом сочетание матричного

ФП с АЦП является необходимым для достижения поставленной цели.

Приведенные оценки показывают, что применение линейного ФП, как в аналоге, в сочетании с механическим сканированием не позволяют повысить быстродействие по сравнению с прототипом.

Определение разности хода в каждом сечении производится путем поиска мини5

Ihnt и где r — радиус объекта;

n — показатель преломления иммерсии;

I Лп 1 — наибольшее отличие показателя преломления материала объекта от п.

Таким образом в плоскости ФП невозможно различать между собой точки объек55 мума сигнала вдоль строки — это снижает погрешности из-за неравномерного распределения интенсивности по сечению зондирующего пучка, вызванного рефракцией в

15 обьекте. Для реализации такого способа обработки регистрируемой картины строки матрицы ФП необходимо ориентировать параллельно оси объекта — в этом случае строка матрицы будет соответствовать про20 дольному сечению объекта. Отметим, что и при произвольной ориентации строк в процессе обработки можно выделить те элементы (находящиеся уже в различных строках матрицы), которые соответствуют продоль25 ному сечению объекта, но это может привести к увеличению времени обработки сигнала и уменьшению точности. Точность ориентации строк матрицы ФП должна быть такой, чтобы на всей длине строки отклоне30 ние не превышало половины ширины элемента матричного ФП, т.е. 5 — 10 мкм. При наклонной ориентации строк в области "перескока", где соседние элементы матрицы, соответствующие одному и тому же про35 дол ьному сечению объекта, находятся в различных строках матрицы, неизбежны ошибки, Они обусловлены ступенчатой аппроксимацией линии сечения объекта, что приводит к интегральной засветке элемента

40 лучами, соответствующими соседним сечениям обьекта. Поэтому только указанная ориентация матрицы ФП обеспечивает достижение поставленной цели, то есть признак является существенным, 45 Рефракция лучей в плоскости YOZ приводит к тому, что в одну и ту же точку ФП могут приходить лучи из точек объекта, находящихся внутри области, размер которой

hy вдоль оси ОУ удовлетворяет условию:

1787266

12 та, расположенные внутри области размером G r, где G- коэффициент из.. IhnI и менения поперечных размеров при проецировании оптической прОекционной системой. Измеряемая функция оптической разности хода не будет искажена вследствие применения в устройстве дискретного матричного ФП, если ширина Ь/М элемен га

ФП удовлетворяет условию

Ь/М ае ° ° и

Следовательно, устройство обеспечит высокую точность измерения разности хода, если число М строк ФП удовлетворяет условию

При использовании рассматриваемого устройства для измерения характеристик исследуемого объекта в целом целесообразно, чтобы поперечный размер d изображения объекта на ФП удовлетворял условию б = 2.6 г < b.

Обычно для исследуемых объектов I

Лn/n I < 2 10, так что число М строк ФП должно удовлетворять условию (1). Одновременно выполнение этого условия .обеспечивает уменьшение на порядок (за счет усреднения по столбцам) ошибок определения крутизнй клина и номера элемента ФП, где вносимая клином разность хода равна нулю..

Таким образом, не любой матричный

ФП позволяет достичь поставлейной цели, а именно: повысить не только быстродействие, но и точность измерений оптической разности хода. Большие по сравнению с

"зерном" фотоматериала поперечные размеры элементов матричного ФП не приводят к усреднению в процессе измерения, то есть к потере разрешения по апертуре объекта, а значит к потере точности измерения, если условие (1) выполняется, Ограничение сверху на число элементов в столбце (число строк) матричного ФП не является существенным для достижения поставленной цели и определяется лишь достигнутым уровнем технологии изготовления твердотельных матричных ФП, Экспериментально установлено, что среднеквадратическая ошибка в определении д (у) мала (< 1%) и по результатам измерения можно однозначно восстановить значение целого числа длин волн k в измеряемом фазовом набеге только в случае, когда параметры устройства: Лi, Л,m, N, а и 2> — удовлетворяют условию (2), т.е. этот признак является существенным для

5, достижения поставленной цели, Выполнение условия (2) позволяет повысить быстродействие устройства эа счет исключения медленного процесса интерактивного вмешательства оператора на этапе пересчета

10 результатов измерения в значения оптической разности хода. Такое вмешательство может потребоваться, если условие(2) будет нарушено. Повышение быстродействия в предлагаемом устройстве достигается также за счет электронного сканирования по

15 координатам х и у, которое реализуется благодаря применению матричного ФП.

Условия (1) и (2), накладывающие ограничения на выбор параметров устройства, не содержатся в известных источниках научно-технической информации, то есть предлагаемое устройство удовлетворяет критерию "существенные отличия", Для иллюстрации покажем, что устройства аналога и прототипа не удовлетворяют условию (2). Так в устройстве-аналоге вместо клинового компенсатора используется компенсатор в виде фазовой пластинки

il /4, что в терминах неравенства (2) соответ20

30 ствует Z> = оо), т.е. в поперечном направлении х свойства фазовой пластинкй не изменяются, При этом = 0 и левая часть неравенства обращается в О, т.е. условие (2) не выполняется. B прототипе используется лишь одна длина волны, т.е, A< = ib, поэто35 му левая часть равна 0 и условие (2) не выполняется. Таким образом и в аналоге и в прототипе высокая точность и быстродействие, гарантируемые предлагаемым устройством, не реализуются, 40

Пример 1, Устройство (фиг, 2) содержит источник 1 линейно-поляризованного светового пучка, включающий галогенную лампу (КГМ 12/100) 11, оптическую линзо45 вую систему 12, формирующую широкий параллельный пучок, ИК-фильтр 13 и поляризатор 14. ИК-фильтр отсекает тепловую компоненту пучка, которая практически не поляризуется стандартными поляризато50 рами. Поляризатор, ось которого ориентирована под углом 45 к оси объекта, выделяет линейно-поляризованную компоненту пучка, которая направляется на кювету 2 с объектом 3, 55 В качестве поляризатора используется кристаллическая призма Глана со световым диаметром 15 мм, в качестве анализатора— пленочный поляризатор со световым диаметром 57 мм, Цилиндрический образец с

13,1787266

5

50 наружным диаметром 12 мм в виде заготовки многомодового волоконного световода со ступенчатым показателем„преломления из неоднородно легйрованного кварцевого стекла горизонтально размещается в кювете с плоско-параллельными окнами из отожженного кварцевого стекла с помощью держателей, снабженных резиновыми уплотнителями. Плоскость поверхности окон параллельна оси объекта и перпендикулярна оси пучка. В качестве иммерсии использовалась смесь глицерина с водой, После прохождения кюветы с объектом зондирующий пучок направляется на оптическую проекционную систему 7, состоящую из объектива 15 (который стоит изображение средней плоскости абьекта в плоскости клина 4), и объектива 16 (который строит изображение объекта и клина на чувствительной площадке ФП 8). Двулучепреломляющий оптический кварцевый клин 4 высотой 55 мм и длиной 30 мм, причем на полной длине клина укладывается 3 порядка интерференции (т.е. перепад вносимой клином разности хода составляет 3 длины волны зондирующего излучения), Клин 4 выполнен в виде компенсатора Бабине (два совмещенных клина), крутизна клина L =

2 (ne - no) tg а, где (ne - no) — разность показателей преломления необыкновенного и обыкновенного лучей в материале клина, а - угол между рабочими гранями составляющих клиньев, L = 2 ж/Z<. После прохождения клинг пучок направляется на анализатор 5 и спектральный селектор 6, Спектральный селектор выполнен в виде блока двух сменных интерференционных светофильтров с центральными длинами волн 11 = 636 нм и ilz = 694 нм (ширина полосы пропускания фильтров 5 нм), которые с помощью шагового двигателя поочередно устанавливаются на пути зондирующего пучка. В качестве фотоприемника используется видеокамера на основе ПЗС-матрицы типа 1200ЦМ2 с числом элементов 256 * 488 (N = 256) и длиной строки а - 8 мм. Электрический сигнал с выхода ФП 8 подается на четырехразрядный АЦП 9 типа СТ- t. Далее сигнал в цифровом виде поступает на блок 10, содержащий микропроцессор ТМ$99000, 03У и графопостроитель.

Таким образом: rn = 4, И = 256, ih/Ëã =

=0.9. Иэ условия (2) вытекает следующее ограничение на ф: 0,7 < (< 2,67, так как а = 8 мм, то период Z> = G О/р изображения клина на чувствительной площадке ФП должен лежать в пределах от 3 до 11,4 мм. С помощью тестового объекта проведены измерения разности хода и получены оценки точности; при значении Zi в указанных пределах точность измерения составляет 1 при времени измерения 5 мин, При Z> - 2,7 мм точность 4-",ь, при Z> - 12,0 мм — 7ь. Ниже приведена таблица результатов измерений оптической разности хода в тестовом объекте с указанием параметров измерительного устройства, точности измерений и быстродействия.

Как видно из таблицы выбор параметров измерительного устройства в пределах, определяемых условием (2), т.е, Z1min < Z1 <

m», обеспечивает высокоточные измерения разности хода (погрешность не более

1,(,), в то же время выход за указа нные пределы приводит к резкому снижению точности (увеличению погрешности более 5 ) и снижению быстродействия из-за необходимости интерактивного вмешательства оператора в процессе пересчета измеряемых значений интенсивности в значения оптической разности хода. Итак, реализация измерительного устройства в соответствии с предло>кением позволяет повысить тоцность в 10 раз и быстродействие в 30 раз по сравнению с прототипом и быстродействие в 2 5 раза по сравнению с аналогом, Пример 2. Устройство содержит те же элементы, что и в примере 1, но галогенная лампа заменена на ртутную; оптическая линзовая система 12 содержит растровый элемент (фармирующий слаборасходящийся пучок с равномерным распределением интенсивности по сечению); оптическая проекционная система 7 состоит только из одного объектива 16 (клин 4 расположен вплотную к задней стенке кюветы); спектральный селектор 6 установлен между источником и кюветой; в качестве поляризатора и анализатора ис1 бльзуются пленочные паляроиды со световым диаметром 26 мм; исследуемый объект представляет собой активный лазерный элемент в виде цилиндра диаметром 22 мм; в качестве иммерсии использован водный раствор солей; объектив 7 и фотоприемник 8 установлены в едином корпусе видеокамеры MTV 1800; для представления результатов используется дисплей.

П р и мерЗ.Устройствосодержиттеже элементы, что и в примере 2, но клин 4 с задним окном кюветы 2; в качестве иммерсии используется смесь глицерина с водой; спектральный селектор 6 совмещен с чувствительной площадкой матричного ФП 8; в качестве ФП использована трехцветная видеокамера, каждый из элементов которой разделен на 3 секции, имеющие различные спектральные чувствительности и снабжен1787266

15 лей, анализатор, спектральный селектор, двумерный фоторегистратор с чувствительной площадкой, оптическую проекционную систему, о тл и ч а ю щ ее с я тем, что, с

5 целью повышения быстродействия и точно сти измерений, в устройство введены аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и соединенный с ним электронный блок обработки и представления результатов, при

10 этом селектор выполнен двухволновым, длина клина W1 вдоль его оси и его высота

И/ь удовлетворяют условиям Wl G а, МЬ G > Ь, где G — коэффициент изменения поперечных размеров при проецировании

15 оптической проекционной системой,.а— длина чувствительной площадки фоторегистратора в направлении оси клина, Ь вЂ” ее ширина, двумерный фоторегистратор выполнен в виде многоэлементного матрично20 го фотоприемника, строки матрицы фотоприемника ориентированы параллельно оси двулучепреломляющего оптического клина, число строк М многоэлементного матричного фотоприемника удовлетворяет

25 условию М 100, длины волн А1 и 12, число разрядов m АЦП, число элементов N в строке матрицы фотоприемника и параметр ф удовлетворяют условию

30 i — Д,1 Ж ° 2в1 4 ехр (-1,03 х

1,,нм

Время, мин

Z, Погрешмм ность

«V

2,7 6,5 ,11,4 6,0 1,0

12,с 7,8

2,5 6,8

57 30 1 0

60 7,5 и о

256

3с

Зс, 2>7

2 630 698

Зс г

Зс

0 9 12 .256 8

3,1 5,9

5,2 1,0

6,9 8„2

3,0 100 9,0, 84

27 163

3,4 6,6

4 .630 663 0,95 4 256 .8

15, 10

A 630 698

0,9 12

Видимый

П свет

3,6 10 ные индивидуальными электрическими выводами; спектральный селектор выполнен в виде пленочных фильтров с пропусканием на длинах волн k и Лг, напыленных на все первые секции элементов (фильтры на А1 ) и на все вторые секции (фильтры на Мз). Это позволяет производить параллельную обработку поступающей на ФП информации (одновременно на длинах волн А1 и Яа), что повышает быстродействие почти вдвое, Пример 4. Устройство содержит те же элементы, что и в примере 1, но источник линейно-поляризованного светового пучке

1 состоит из лазера с диаметром светового пучка 7 мм: спектральный селектор 6 совмещен с лазером и представляет собой перестраиваемый резонатор, обеспечивающий генерацию светового пучка на длинах волн

il1 или i ; кювета 2 с держателями выполнена так, что объект размещается вертикально; поляризатор и анализатор выполнены в виде кристаллических призм Глана-Тейлора со световым диаметром 9 мм. 8 качестве объекта используется градиентный линзовый стержень диаметром 6 мм.

Формула изобретения

Устройство для измерения оптической разности хода. содержащее установленные вдоль оптической оси и оптически связанные источник линейно поляризованного светового пучка, кювету с держателями для крепления объекта, причем ось держателей перпендикулярна оптической оси устройства, двулучепреломляющий оптический клин, ось которого перпендикулярна оптической оси устройства и параллельна оси держате630 698 0,9 4

3 630 670 С, 94 4 256 ф(з-g) где ф =а/WpG;

Wp — период клина на длине волны А1 .,1787266! ! !

1 (;

Составитель И. Александров

Техред М,Моргентал Корректор Н, Буллок

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент"„г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 272 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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