Устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСИОННЫХ СВОЙСТВ ПРОЗРАЧНЫХ ОБЪЕКТОВ(71) Заявитель Учреждение образования Гродненский государственный университет имени Янки Купалы(72) Автор Ляликов Александр Михайлович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гродненский государственный университет имени Янки Купалы(57) Устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов, содержащее многоканальную осветительную систему, включающую лазерные источники света,излучающие на отличающихся длинах волн, светоделитель и коллиматор, интерферометр с дифракционной решеткой и исследуемым объектом, и приемную систему, включающую фильтр пространственных частот, выполненный в виде диафрагмы с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений источников света, плоскость регистрации интерференционной картины, оптически сопряженную с исследуемым объектом посредством объективов, отличающееся тем, что в каналах осветительной системы на выходе лазерных источников света установлены поляризаторы, а приемная система дополнена фоторегистратором, установленным в плоскости интерференционной картины, и блоком обработки и хранения информации, соединенным с фоторегистратором. Полезная модель относится к области лазерной измерительной техники, в частности к интерферометрическим устройствам измерения параметров прозрачных объектов. В качестве прототипа выбрано устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов 1. Прототип содержит многоканальную осветительную систему,включающую лазерные источники света, излучающие на отличающихся длинах волн, све 92592013.06.30 тоделитель и коллиматор, интерферометр с дифракционной решеткой и исследуемым объектом, и приемную систему, включающую фильтр пространственных частот, выполненный в виде диафрагмы с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений лазерных источников света, плоскость регистрации интерференционной картины, оптически сопряженную с исследуемым объектом посредством объективов. Известное устройство имеет существенный недостаток. При исследовании динамических объектов, у которых дисперсионные свойства меняются во времени,при прохождении исследуемого объекта зондирующими пучками различных длин волн возможно изменение их интенсивности и, как следствие, уменьшение видности интерференционной картины. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов, содержащее многоканальную осветительную систему, включающую лазерные источники света, излучающие на отличающихся длинах волн, светоделитель и коллиматор, интерферометр с дифракционной решеткой и исследуемым объектом, и приемную систему, включающую фильтр пространственных частот,выполненный в виде диафрагмы с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений источников света, плоскость регистрации интерференционной картины, оптически сопряженную с исследуемым объектом посредством объективов, дополнено новыми признаками в каналах осветительной системы на выходе лазерных источников света установлены поляризаторы, а в приемную систему включены фоторегистратор, установленный в плоскости интерференционной картины, и блок обработки и хранения информации, соединенный с фоторегистратором. Новые признаки в совокупности с известными позволят при исследовании динамических фазовых объектов изменять интенсивности зондирующих пучков различных длин волн и тем самым получать интерференционную картину с высокой видностью полос. На фигуре изображена оптическая схема заявляемого устройства. Устройство для исследования дисперсионных свойств прозрачных объектов содержит осветительную систему, включающую лазерные источники света 1 и 2, излучающие на отличающихся длинах волн, например 1 и 2, светоделитель 3 и коллиматор, образованный объективами 4 и 5, интерферометр с дифракционной решеткой 6 и исследуемым объектом 7, и приемную систему, включающую фильтр пространственных частот, выполненный в виде диафрагмы 8 с отверстием, пропускающим нулевой порядок и первые порядки одного знака дифракции излучений источников света. Плоскость регистрации интерференционной картины совмещена с фоторегистратором 9 и оптически сопряжена с исследуемым объектом 7 посредством объективов 10 и 11. В каналах осветительной системы на выходе лазерных источников света 1 и 2 установлены поляризаторы 12 и 13. Приемная система дополнена блоком 14 обработки и хранения информации, соединенным с фоторегистратором 9. В качестве фоторегистратора 9 можно использовать ПЗС-матрицу, а в качестве блока 14 обработки и хранения информации можно использовать компьютер. Также в качестве элементов 9 и 14 может выступать цифровая камера 2. Заявляемое устройство работает следующим образом. Световые пучки от двух лазерных источников света 1 и 2 светоделителем 3 совмещаются и направляются в интерферометр с дифракционной решеткой 6. Телескопической системой 4, 5 пучки света расширяются, коллимируются и освещают исследуемый объект 7. При прохождении прозрачного объекта 7 изменения фаз 1 (, ) и 2 (,) световых пучков можно представить в виде 21, 2 (, )1, 2 (, , ) ,1, 20 92592013.06.30 где нижние индексы 1 и 2 относятся соответственно к параметрам первого и второго световых пучков с длинами волн 1 и 2 ,1 (, ,) и 2 (, ,) - показатели преломления объекта 7 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 8. Предположим, что штрихи дифракционной решетки 6 ориентированы перпендикулярно оси координат . Дифракционные максимумы в этом случае будут расположены на прямой, параллельной оси координат . 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 8 выделяются пучки, дифрагированные в первые порядки одного знака, например минус первые. Таким образом, две пары пучков с длинами волн 1 и 2 отделяются диафрагмой 8 от других пучков, коллимируются объективом 11 и на фоторегистраторе 9 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 . Распределение интенсивностей в голографических интерферограммах бокового сдвига в случае малых величин сдвигов, удовлетворяющих условию,2, где- поперечные размеры исследуемого объекта 7, можно представить как где 1,2 - средняя интенсивность зондирующего пучка соответственно для длин волн 1 и 2- 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 10. Следует отметить, что периоды полос голографических интерферограмм,полученных пучками с различными длинами волн, вследствие особенностей интерферометра бокового сдвига с дифракционной решеткой одинаковы. Таким образом, на фоторегистраторе 9 суммируется пара голографических интерферограмм бокового сдвига вида 2, которые вследствие различия длин волн 1 и 2 некогерентно накладываются друг на друга, образуя на фоторегистраторе 9 распределение освещенности(, )1 (, )2 (, )2 Очевидно, что видность полос в распределении 3 будет определяться соотношением интенсивностей зондирующих пучков на длинах волн 1 и 2 . Для достижения максимальной видности требуется выравнивание интенсивностей, т.е. 12. Выравнивание 3 92592013.06.30 интенсивностей зондирующих световых пучков производится вращением поляризаторов 12 и 13 относительно плоскости поляризации лазерных источников света 1 и 2. Контроль выравнивания интенсивностей производится по достижению максимальной видности полос на фоторегистраторе 9. Распределение интенсивности в интерференционной картине согласно 3 с учетом выравнивания интенсивностей 12 будет иметь вид(5) 2(,)11(,)2(,). Для светлых интерференционных полос выполняется условие(6) 1(,)-2(,)2, где 0,1,2,С учетом 1 и 4 последнее условие можно записать в виде 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 вблизи 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 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. Интерференционная картина вида 5, описываемая уравнениями 9 для светлых полос,преобразуется фоторегистратором 9, и посредством блока 14 обработки и хранения и информации, соединенного с фоторегистратором 9, информация о дисперсионных свойствах объекта 7 преобразуется в удобную форму и фиксируется в блоке 14. Таким образом, совокупность существенных признаков полезной модели направлена на получение следующего технического результата - изменять интенсивность зондирующих пучков различных длин волн и тем самым получать интерференционную картину с максимальной высокой видностью полос. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.