устройство для поляризационного измерения характеристик прозрачного объекта

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЗРАЧНОГО ОБЪЕКТА, включающее установленные последовательно вдоль оптической оси источник светового пучка, поляризатор, кювету с держателями для крепления объекта, компенсатор, анализатор, установленный с возможностью вращения вокруг оси устройства, проекционную оптическую систему, спектральный селектор, фоторегистратор, отличающееся тем, что в устройство введен двулучепреломляющий оптический элемент, установленный перед компенсатором, в состав оптической системы введен дополнительный оптический элемент, установленный после кюветы, и Фурье-сопрягающий срединную плоскость кюветы с двулучепреломляющим оптическим элементом, двулучепреломляющий оптический элемент, поляризатор и компенсатор установлены с возможностью вращения вокруг оси устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для поляризационного измерения распределений механических напряжений и показателя преломления в сечении прозрачного объекта, в частности в поперечном сечении заготовки волоконного световода, лазерного стержня, элемента градиентной оптики.

Известно устройство для оптического измерения распределений механических напряжений и показателя преломления в поперечном сечении прозрачного объекта [1] содержащее источник линейно поляризованного пучка, расширитель пучка, модулятор эллиптической поляризации, включающий установленную с возможностью вращения вокруг оси устройства полуволновую пластинку и установленную за ней неподвижную четвертьволновую пластинку, кювету с держателями прозрачного цилиндрического объекта, объектив, анализатор, обтюратор (непрозрачный диск с прорезями), вращающийся вокруг оси, параллельной оси устройства, и установленный в плоскости, Фурье-сопряженной со срединной плоскостью кюветы, фоторегистратор, установленный с возможностью сканирования вдоль оси Y.

Измерение распределения механических напряжений проводится модуляционным методом, по которому вращающаяся полуволновая пластинка формирует вращающуюся линейную поляризацию, цилиндрический объект модифицирует состояние поляризации, внося в каждой точке вдоль оси Y срединной плоскости кюветы разность хода между ортогонально поляризованными (с ориентацией вдоль осей Х и Y) компонентами пучка, неподвижный анализатор переводит указанные разности хода во временное распределение интенсивности в каждой точке вдоль оси Y изображения срединной плоскости кюветы в плоскости точечного фоторегистратора, которое считывается при сканировании последнего вдоль оси Y и затем используется для пересчета в распределение механических напряжений в объекте.

При измерении распределения показателя преломления в объекте фактически не задействованы пластинки (их присутствие не искажает результата измерения распределения показателя преломления) и вместо анализатора в схему введен вращающийся обтюратор. Измерение основано на том, что световой луч на выходе из объекта отклоняется на некоторый угол в плоскости YZ, определяемый значением показателя преломления вдоль пути луча в объекте, и по измеренному распределению углов наклона лучей в точках вдоль оси Y рассчитывают затем распределение показателя преломления вдоль оси Y. Измерение проводится методом динамической пространственной фильтрации, по которому вращающаяся лопасть обтюратора (ось вращения которого не совпадает с осью устройства) периодически перекрывает часть пучка в плоскости, Фурье-сопряженной со срединной плоскостью кюветы, и таким образом осуществляет преобразование распределения углов наклона лучей в срединной плоскости кюветы во временное распределение интенсивности в плоскости фоторегистратора. Сканирование фоторегистратора вдоль оси Y позволяет измерить последнее распределение для всех точек вдоль оси Y cрединной плоскости кюветы и затем пересчитать в распределение показателя преломления вдоль оси Y в объекте.

К недостаткам устройства можно отнести следующие.

Наличие быстро и непрерывно вращающихся узлов (пластинка или обтюратор) создает постоянные вибрации, снижающие точность измерения (при измерении распределения механических напряжений и распределения показателя преломления). Использование сменных узлов, которые нужно вводить или выводить из пучка (пластинки и анализатор нужны только при измерении распределения механических напряжений, обтюратор только при измерении распределения показателя преломления), приводит к нарушению юстировок положения оптической оси анализатора и положения оси вращения обтюратора, что снижает точность измерений. Использование одного объектива для получения Фурье-образа объекта (находящегося в срединной плоскости кюветы) в плоскости обтюратора и для получения изображения этого же объекта в плоскости фоторегистратора приводит к тому, что либо указанный Фурье-образ, либо изображение (либо и то, и другое) не является плоским, что снижает точность измерения и разрешение. Большие затраты времени связаны с необходимостью восстановления взаимной юстировки элементов устройства при смене режимов его работы. Снижается точность измерения распределения показателя преломления за счет несовпадения линии, соединяющей центр объектива и центр фоторегистратора, с осью устройства (пучка) при смещении фоторегистратора с оси Z при его сканировании вдоль оси Y. При измерении распределения механических напряжений в объектах с большим двулучепреломлением однозначное определение разности хода, превышающей длину волны, возможно лишь для объектов, не содержащих областей, приводящих к резкому изменению разности хода, что ограничивает круг исследуемых объектов или ведет к потере точности при исследовании объектов, содержащих указанные области.

В качестве прототипа выбрано устройство для поляризационного измерения распределения механических напряжений в прозрачном объекте [2] содержащее расположенные последовательно вдоль оси устройства ламповый источник светового пучка, поляризатор, кварцевую кювету с держателями прозрачного объекта, расположенного в срединной плоскости кюветы, компенсатор, анализатор, объектив, спектральный селектор, фоторегистратор в виде линейного многоэлементного фотоприемника.

Это устройство свободно от недостатков аналога в части измерения распределения механических напряжений. Шаговый привод вращения анализатора и вращение турели спектрального селектора не создают вибраций в момент измерения распределения интенсивности. Смена одного светофильтра другим в случае многоволновых измерений не приводит к сбою юстировок, так как требования на положение светофильтра в пучке на жесткие. Точность измерения распределения механических напряжений достигает 1% время измерения 5 мин. Недостатком устройства является невозможность измерения с его помощью распределения показателя преломления.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем обеспечения возможности измерения распределения показателя преломления дополнительно к измерению распределения механических напряжений.

Цель достигается тем, что в устройство для поляризационного измерения характеристик прозрачного объекта, содержащее последовательно установленные вдоль оптической оси устройства источник светового пучка, поляризатор, кювету с держателями объекта, компенсатор, анализатор, установленный с возможностью вращения вокруг оси устройства, оптическую систему, спектральный селектор, фоторегистратор, согласно изобретению введен двулучепреломляющий оптический элемент, установленный перед компенсатором, в состав оптической системы введен дополнительный оптический элемент, установленный после кюветы и Фурье-сопрягающий срединную плоскость кюветы с двулучепреломляющим оптическим элементом, при этом поляризатор, двулучепреломляющий оптический элемент и компенсатор установлены с возможностью вращения относительно оси устройства.

Введение дополнительного оптического элемента в состав оптической системы обеспечивает возможность выполнения преобразования Фурье и возможность доступа в плоскость Фурье-образа для размещения в ней двулучепреломляющего оптического элемента.

Введение двулучепреломляющего оптического элемента обеспечивает возможность перевода распределения положения лучей в распределение разности хода, что позволяет в результате провести высокоточные измерения разности хода методом, общим для обоих режимов работы устройства.

Установка поляризатора, двулучепреломляющего элемента и компенсатора с возможностью вращения вокруг оси устройства обеспечивает функционирование предлагаемого устройства в двух режимах путем задания требуемой для каждого режима ориентации осей перечисленных узлов.

Введение дополнительного оптического элемента, обеспечивающего доступ в Фурье-плоскость оптической проекционной системы, и введение двулучепреломляющего элемента, расположенного в указанной Фурье-плоскости, позволяет выполнить измерение распределения показателя преломления в исследуемом объекте высокоточным и быстрым поляризационным методом, который используется для измерения распределения механических напряжений в прототипе. Установка поляризатора, двулучепреломляющего элемента и компенсатора с возможностью указанного вращения позволяет использовать узлы одного и того же устройства для измерения распределений как механических напряжений, так и показателя преломления, причем угловое положение указанных узлов различно для случая измерения распределения механических напряжений и для случая измерения показателя преломления. Все это позволяет проводить на одном устройстве измерение распределений как механических напряжений, так и показателя преломления, т.е. достичь цели изобретения.

Устройство согласно изобретению приведено на чертеже.

Оно содержит источник 1 светового пучка, направленного вдоль оси устройства, поляризатор 2, кювету 3 с держателями 4 и 5, обеспечивающими герметичность установки прозрачного объекта 6 вдоль оси Х в срединной плоскости кюветы, дополнительный оптический элемент 7, двулучепреломляющий оптический элемент 8, вносящий монотонно изменяющуюся вдоль своей оси разность хода, компенсатор 9, анализатор 10, оптический элемент 11, образующий совместно с элементом 7 оптическую проекционную систему, спектральный селектор 12, многоэлементный фоторегистратор 13 в виде линейки ПЗС-фотодиодов, ориентированной параллельно оси Y.

Дополнительный оптический элемент 7 установлен так, что срединная плоскость кюветы 3 расположена в его передней фокальной плоскости, а входная поверхность двулучепреломляющего оптического элемента 8 расположена в его задней фокальной плоскости. При такой установке элемент 7 выполняет преобразование Фурье из срединной плоскости кюветы в плоскость элемента 8, что существенно для измерения показателя преломления. Оптический элемент 11 установлен так, что входная поверхность двулучепреломляющего оптического элемента 8 расположена в его передней фокальной плоскости, а чувствительные площадки элементов многоэлементного фоторегистратора 13 расположены в его задней фокальной плоскости. При такой установке оптическая проекционная система из элементов 7 и 11 переносит изображение из срединной плоскости кюветы в плоскость фоторегистратора, что существенно для измерения и механических напряжений, и показателя преломления. Поляризатор 2, двулучепреломляющий оптический элемент 8, компенсатор 9 и анализатор 10 установлены с возможностью пошагового контролируемого вращения вокруг оси устройства. Кювета 3 заполнена иммерсией под материал наружного слоя объекта 6.

Устройство работает в режиме измерения механических напряжений и в режиме измерения показателя преломления.

Для перевода устройства в режим измерения распределения механических напряжений выполняют следующее. Поворотом вокруг оси устройства устанавливают ориентацию оптической оси поляризатора 2 под некоторым углом (этот угол не должен составлять 90 или 180^о и предпочтительно выбран рваным 45^о) к оси Х. Устанавливают ориентацию оси двулуче-преломляющего оптического элемента 8 вдоль оси Х. Ось компенсатора 9 устанавливают под некоторым углом к оси Х. Этот угол не должен составлять 90 или 180^о и предпочтительно выбран равным 45^о. Указанные предпочтительные ориентации условно обозначены сплошными стрелками на соответствующих элементах на чертеже.

Устройство работает в этом режиме следующим образом. После прохождения поляризатора 2 световой пучок содержит две синфазные ортогонально (вдоль осей Х и Y) поляризованные компоненты и направляется на кювету 3 с держателями 4 и 5, установленными так, что прямая, соединяющая их центры, находится в срединной плоскости кюветы. На выходе из расположенного в держателях объекта 6 эти поляризационные компоненты приобретают разности хода, пропорциональные значению осевого механического напряжения вдоль пути луча в объекте. Иначе говоря, пучок с линейной поляризацией (до входа в объект 6) преобразуется в пучок с эллиптической поляризацией (после выхода из объекта 6), причем эллиптичность меняется вдоль оси Y в соответствии с приобретенной разностью хода.

Для определения этой разности хода пучок пропускают через двулучепреломляющий оптический элемент 8, который в общем случае вносит известную, постоянную для всех точек вдоль оси Y, разность хода. Затем пучок пропускают через компенсатор 9. Далее пучок пропускают через анализатор 10, который в процессе измерения вращают пошагово на 180^о вокруг оси пучка, и направляют на оптический элемент 11, спектральный селектор 12 и фоторегистратор 13, в котором для каждого шага поворота анализатора выполняют электронное сканирование линейки фотодиодов (вдоль оси Y). В результате по информации о временном положении минимума интенсивности на каждом из элементов фоторегистратора 13 (при вращении анализатора 10 на 180^о интенсивность пучка на каждом из элементов фоторегистратора 13 изменяется синусоидально на один период) определяют расчетом ориентацию вектора линейной поляризации после компенсатора 9 или искомую разность хода, вносимую объектом 6 в каждой точке по оси Y. По распределению вдоль оси Y разности хода путем интегрального преобразования находят распределение по оси Y механического осевого (вдоль оси Х) напряжения в объекте 6.

В предпочтительном варианте положение двулучепреломляющего оптического элемента 8 выбирают так, что линия внесения им в пучок нулевой (для всех длин волн) разности хода и линейка многоэлементного фоторегистратора находятся в одной плоскости, параллельной плоскости YZ. При этом двулучепреломляющий оптический элемент 8 не оказывает никакого влияния на распределение разности хода в пучке вдоль оси Y.

Для перевода устройства в режим измерения распределения показателя преломления выполняют следующее. Поворотом вокруг оси устройства устанавливают ориентацию оси поляризатора 2 либо вдоль оси Х, либо вдоль оси Y. Ориентация оси двулучепреломляющего оптического элемента 8 не должна совпадать с направлением оси Х или Y. Ориентация оси компенсатора 9 не должна совпадать с направлением оси элемента 8 или быть ей перпендикулярной. Предпочтительно устанавливают ось элемента 8 под углом 45^о к оси Х и ось компенсатора 9 вдоль оси Х. Указанные предпочтительные ориентации условно обозначены штриховыми стрелками на соответствующих элементах на чертеже.

Устройство работает в этом режиме следующим образом. Поляризатор 2 формирует линейно поляризованный пучок с ориентацией вектора поляризации, например, вдоль оси Y. При такой ориентации вектора поляризации объект не вносит никакой разности хода между компонентами вектора поляризации. Оптический элемент 7 переводит распределение углов наклона лучей, преломившихся при прохождении через объект 6 в плоскости YZ, в распределение положений лучей в плоскости YZ по апертуре двулучепреломляющего оптического элемента 8, т.е. Фурье-сопрягает срединную плоскость кюветы 3 и плоскость двулучепреломляющего оптического элемента 8. Двулучепреломляющий оптический элемент 8 вносит монотонно изменяющуюся вдоль оси Y разность хода между двумя ортогонально (ориентированными вдоль и поперек оси элемента 8) поляризованными компонентами пучка, т.е. переводит распределение положения луча в задней фокальной плоскости элемента 7 в подлежащую дальнейшему измерению разность хода. Для ее измерения пучок, как и в предыдущем режиме, направляют на компенсатор 9, анализатор 10, оптический элемент 11, спектральный селектор 12 и фоторегистратор 13.

Таким образом, измерение распределения показателя преломления сведено к измерению разности хода между двумя ортогонально поляризованными компонентами пучка, которое выполняется далее с высокой точностью так же, как и в режиме измерения распределения механических напряжений. По найденной разности хода определяют положение луча на элементе 8, угол наклона луча в срединной плоскости кюветы, значение показателя преломления объекта в соответствующей данному лучу точке срединной плоскости кюветы.

Предложенное устройство позволяет высокоточно измерить распределение механических напряжений и распределение показателя преломления по сечению прозрачного объекта, т. е. имеет расширенные функциональные возможности по сравнению с прототипом, и существенно дешевле, чем две отдельные установки, позволяющие каждая измерять либо распределение механических напряжений, либо распределение показателя преломления.

Предложенное устройство свободно от всех перечисленных выше недостатков аналога. В моменты измерения интенсивности на фоторегистраторе в устройстве все узлы неподвижны, что исключает вибрации, снижающие точность аналога. В предлагаемом устройстве все узлы отцентрированы и установлены неподвижно (кроме селектора для случая многоволновых измерений) относительно оси пучка, и смена режимов работы достигается лишь их пошагово управляемым поворотом вокруг оси устройства, что не нарушает юстировки. Наличие спектрального селектора, т. е. возможность проведения многоволновых измерений, обеспечивает высокие точности определения разностей хода для практически любых объектов. Наличие нескольких элементов в составе оптической системы позволяет формировать качественные как изображение, так и Фурье-образ.

Предложенное устройство обеспечивает точность измерения распределения механических напряжений такую же, как и прототип. Поскольку предлагаемое устройство свободно от недостатков аналога, то и точность измерений распределения механических напряжений и распределения показателя преломления предлагаемым устройством выше, чем аналогом. Более того, поскольку при измерении распределения показателя преломления предлагаемым устройством использован высокоточный метод поляризационных измерений, то точность измерений распределения показателя преломления предлагаемым устройством не только выше точности аналога, но и выше точностей, обеспечиваемых другими известными устройствами (кроме интерферометров, которые существенно дороже предлагаемого устройства).

Световые диаметры поляризатора, двулучепреломляющего оптического элемента, компенсатора, анализатора, всех элементов оптической системы, фильтров спектрального селектора выбирают не меньшими, чем диаметр падающего на них светового пучка.

Поляризатор 2 и анализатор 10 могут быть выполнены как пленочными, так и кристаллическими. Двулучепреломляющий оптический элемент 8 может быть выполнен, например, в виде двулучепреломляющего кристалла, в частности в виде оптического клина. Спектральный селектор 12 содержит узкополосный (например, интерференционный на 630 нм) светофильтр. В другом варианте реализации спектральный селектор может быть выполнен в виде набора из двух узкополосных (например, на длины волн 630 5 и 670 5 нм светофильтров, которые могут быть установлены на поворотной турели, приводимой во вращение шаговым двигателем.

Ширина пучка должна быть не менее размера исследуемого объекта в направлении, параллельном линейке фотодиодов.

Источник 1 светового пучка может быть выполнен, например, в виде лампы накаливания и расширения пучка. Источник светового пучка может быть выполнен, например, в виде лампы накаливания с большим телом накала, снабженной коллектором. Источник светового пучка может быть снабжен контррефлектором.