Устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСИОННЫХ СВОЙСТВ ПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ(71) Заявитель Учреждение образования Гродненский государственный университет имени Янки Купалы(72) Авторы Ляликов Александр Михайлович Лявшук Ирена Александровна(73) Патентообладатель Учреждение образования Гродненский государственный университет имени Янки Купалы(57) Устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов, содержащее осветительную систему, включающую источники света, излучающие на отличающихся длинах волн, светоделитель и коллиматор, интерферометр с дифракционной решеткой, и приемную систему, включающую плоскости регистрации интерференционной картины, отличающееся тем, что исследуемый объект установлен перед дифракционной решеткой по ходу распространения излучений, приемная система дополнена фильтром пространственных частот, выполненным в виде диафрагмы с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений источников света, при этом плоскости регистрации интерференционных картин совмещены в пространстве и оптически сопряжены с исследуемым объектом посредством объектива. Фиг. 1 Полезная модель относится к области лазерной измерительной техники, в частности к интерферометрическим устройствам измерения параметров прозрачных объектов. 45312008.08.30 В качестве прототипа выбрана установка реализации методики двухдлинноволновой голографической интерферометрии, позволяющей исследовать дисперсионные характеристики прозрачных сред 1. Прототип содержит осветительную систему, включающую источники света, излучающие на отличающихся длинах волн, светоделитель и коллиматор,интерферометр с дифракционной решеткой, и приемную систему, включающую плоскости регистрации интерференционной картины. Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет непосредственно в реальном масштабе времени отображать дисперсионные свойства исследуемого объекта. В данном устройстве получают несколько голографических интерферограмм на различных длинах волн, которые оптически обрабатываются, не зависимо друг от друга. Информацию о дисперсионных свойствах исследуемого объекта получают из результатов обработки различных интерферограмм. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов, содержащее осветительную систему, включающую источники света, излучающие на отличающихся длинах волн, светоделитель и коллиматор, интерферометр с дифракционной решеткой, и приемную систему, включающую плоскости регистрации интерференционной картины, дополняют следующей совокупностью новых признаков, отличающих его от прототипа исследуемый объект установлен перед дифракционной решеткой по ходу распространения излучений, приемная система дополнена фильтром пространственных частот, выполненным в виде диафрагмы с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений источников света, при этом плоскости регистрации интерференционных картин совмещены в пространстве и оптически сопряжены с исследуемым объектом посредством объектива. Совокупность существенных признаков полезной модели направлена на получение следующего технического результата - получение информации о дисперсионных свойствах исследуемого объекта по одной интерференционной картине. На фиг. 1 изображена оптическая схема заявляемого устройства, на фиг. 2 вариант выполнения диафрагмы с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений источников света. Устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов, содержит осветительную систему, включающую источники света 1 и 2, излучающие на отличающихся длинах волн, например 1 и 2, светоделитель 3 и коллиматор, образованный объективами 4, 5 интерферометр бокового сдвига с дифракционной решеткой 6, и приемную систему, включающую плоскости 7 регистрации интерференционной картины, что исследуемый объект 8 установлен перед дифракционной решеткой 6 по ходу распространения излучений, приемная система дополнена фильтром пространственных частот, выполненным в виде диафрагмы 9 с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений источников света, при этом плоскости 7 регистрации интерференционных картин совмещены в пространстве и оптически сопряжены с исследуемым объектом посредством объективов 10, 11. Для оптического сопряжения достаточно и одного объектива 10. Интерферометр бокового сдвига образован совокупностью оптических элементов, расположенных по ходу излучений 10, 6, 9, 11, 7. Заявляемое устройство работает следующим образом. Световые пучки от двух источников света 1 и 2 светоделителем 3 совмещаются и направляются в интерферометр сдвига с дифракционной решеткой 6. Телескопической системой 4, 5 пучки света расширяются,коллимируются и освещают исследуемый объект 8. При прохождении прозрачного объекта 8 изменения фаз 1(х, у) и 2(х, у) световых пучков можно представить в виде(1) 1, 20 где нижние индексы 1 и 2 относятся соответственно к параметрам первого и второго световых пучков с длинами волн 1 и 2, 1(, , ) и 2(х, , ) показатели преломления 2 45312008.08.30 объекта 6 на длинах волн 1 и 2,- толщина объекта вдоль направления зондирования. Прямоугольная система координатвыбрана так, что направление распространения светового пучка, зондирующего прозрачный объект, параллельно оси . Разделение каждого из световых пучков на два когерентных осуществляется дифракционной решеткой 6, установленной вблизи задней фокальной плоскости объектива 10,перед диафрагмой 9. Предположим, что штрихи дифракционной решетки 6 ориентированы перпендикулярно оси координат у. На фиг. 2 приведены вид диафрагмы 9 (фиг. 1) и картины дифракционного спектра световых пучков с длинами волн 1 и 2. Дифракционные максимумы расположены на прямой параллельной оси координат у. Центральный дифракционный максимум соответствует прямопрошедшим пучкам с длинами волн 1 и 2, причем дифракционные максимумы для пучков с длинами волн 1 и 2 совпадают. Вследствие дисперсии дифракционной решетки дифракционные максимумы плюс и минус первых порядков разнесены в пространстве и не совпадают, причем крайнее положение дифракционных максимумов соответствует пучку с большей длиной волны (12). Отверстием в диафрагме выделяются пучки, дифрагированные в первые порядки одного знака, например минус первые. Таким образом, две пары пучков с длинами волн 1 и 2 отделяются диафрагмой 9 от других пучков, коллимируются объективом 11 и в плоскости 7 образуют (каждая для своей длины волны) две интерференционные картины бокового сдвига, совмещенные в пространстве. Боковые сдвиги 1 и 2 для интерференционных картин, образованных световыми пучками с длинами волн 1 и 2, различаются вследствие дисперсии дифракционной решетки и направлены вдоль оси у. Распределение интенсивностей в голографических интерферограммах бокового сдвига в случае малых величин сдвигов, удовлетворяющих условию 1,2, где- поперечные размеры исследуемого объекта 8, можно представить, как(,)21, 2 1, 2 1, 2 (,)1 где Т - период полос голографических интерферограмм, определяемый углами между интерферирующими когерентными пучками и регулируемый как периодом штрихов дифракционной решетки 6, так и ее положением относительно задней фокальной плоскости объектива 7. Следует отметить, что периоды полос голографических интерферограмм, полученных пучками с различными длинами волн, вследствие особенностей интерферометра бокового сдвига с дифракционной решеткой, одинаковы. Таким образом, в плоскости 7 суммируется пара голографических интерферограмм бокового сдвига вида (2), которые вследствие различия длин волн 1 и 2 некогерентно накладываются друг на друга, образуя на фотопленке двухдлинноволновую голографическую интерферограмму бокового сдвига. После экспонирования фотопленки и ее химической обработки в случае выполнения линейных условий регистрации (- 2, гдекоэффициент контрастности фотоэмульсии), амплитудное пропускание двухдлинноволновой голографической интерферограммы бокового сдвига можно представить в виде 2 Амплитудное пропускание двухдлинноволновой голографической интерферограммы вида (3) соответствует по своему виду пропусканию двухэкспозиционной голограммы. Методика восстановления интерференционной картины с двухдлинноволновой голографической интерферограммы бокового сдвига (3) принципиально не отличается от восстановления интерференционной картины с двухэкспозиционной голограммы. При 45312008.08.30 освещении голограммы вида (3) коллимированным пучком света в первом порядке дифракции распространяются две волны, дифрагированные на структуре полос голографических структур, соответствующих голографическим интерферограммам бокового сдвига,образованным излучением с длинами волн 1 и 2. Фазы этих волн согласно (3) Ф 1(х, у) и Ф 2(х, ). Для повышения видности восстановленных контурных линий обычно используется фильтрация пространственных частот, т.е. отверстием в диафрагме выделяются световые пучки, дифрагированные в первом порядке. В этом случае распределение интенсивности в интерференционной картине согласно (3) имеет вид 2(, )1 Ф 1(, ) - Ф 2(,).(5) Для светлых интерференционных полос выполняется условие(6) Ф(, ) - Ф 2(, )2, гд 0, 1, 2,. С учетом (1) и (4) последнее условие можно записать в виде 20 Данное выражение приобретает еще более удобный вид, если коэффициенты характеризующие чувствительность измерений становятся равными, т.е. 12(8) 1 2 Одним из замечательных свойств интерферометра бокового сдвига с дифракционной решеткой, установленной в фокусе или в близи фокуса, является постоянство отношения величины сдвига интерферирующих пучков к длине волны источника света, т.е. для этого типа интерферометра /. Таким образом, для нашего случая условие (8) выполняется автоматически. С учетом(8) условие образования светлых интерференционных полос можно представить в виде(9)1 ( , ,)2 ( , ,).0 Выражение (9) описывает интерференционные полосы в восстановленном изображении исследуемого объекта. Каждая интерференционная полоса соответствует зоне исследуемого прозрачного объекта, где произведение производной от разности показателей преломления на его толщину величина постоянная. Вид интерференционной картины характеризуется дисперсионными свойствами исследуемого объекта. Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели направлена на получение следующего технического результата - получение информации о дисперсионных свойствах исследуемого объекта, из выражения (9) по одной интерферограмме,описываемой выражением (3). Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4