RU2014576C1

RU2014576C1 - Device for measurement of total difference of phases of light

Info

Publication number: RU2014576C1
Authority: RU
Inventors: Б.В. Старостенко; В.В. Никитин; С.А. Ерохин
Original assignee: Алтайский государственный технический университет им.И.И.Ползунова
Priority date: 1991-03-01
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1994-06-15

Abstract

FIELD: instrumentation. SUBSTANCE: device includes source of light, polarizer, lenses, compensator, monochromator, photodetector. Compensator is manufactured in the form of quarter-wavelength plate and analyzer. Monochromator is built in the form of two light filters mounted for rotation and presenting semi-circles coupled over diameter. Line of connection of light filters passes through common center of rotation of analyzer and monochromator and is parallel to plane of polarization of analyzer. Light filters are so coupled to analyzer that have capability of joint rotation in plane perpendicular to direction of light propagation. Electromagnetic synchronization pickup is installed on edges of line of connection of light filters. EFFECT: enhanced reliability and accuracy of device. 4 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано как при создании средств контроля двойного лучепреломления веществ, так и при измерениях производственного и научно-исследовательского характера. The invention relates to a control and measuring technique and can be used both when creating means for controlling the birefringence of substances, and in measurements of a production and research nature.

Известно устройство для измерения полной разности фаз света, содержащее источник света, монохроматор, поляризатор, компенсатор, анализатор и фотоприемник. Измерение полной разности фаз производят с помощью компенсатора, путем последовательного измерения дробного порядка интерференции на двух длинах волн, а также сравнения дробной части интерференции с эталонным образцом и на основании измерений вычисления полной разности фаз. A device for measuring the total difference in the phases of the light, containing a light source, a monochromator, a polarizer, a compensator, an analyzer and a photodetector. The measurement of the total phase difference is carried out using a compensator, by sequentially measuring the fractional order of interference at two wavelengths, as well as comparing the fractional part of the interference with the reference sample and based on measurements of calculating the total phase difference.

Устройство обладает следующими недостатками:
необходимость эталонирования, что ограничивает диапазон и затрудняет автоматизацию измерения;
дополнительно затруднена автоматизация измерения вследствие необходимости последовательного измерения на двух длинах волн.The device has the following disadvantages:
the need for standardization, which limits the range and complicates the automation of measurement;
automation of the measurement is further complicated due to the need for sequential measurement at two wavelengths.

Известно устройство для измерения разности фаз света (прототип), содержащее источник света, монохроматор, поляризатор, линзы, компенсатор Сенамора и фотоприемник, компенсатор выполнен в виде четверть волновой пластинки и анализатора. Устройство содержит два канала измерения, один из которых рабочий и другой - опорный. На фиксированной длине волны света с помощью вращающегося анализатора измеряется разность фаз пучков света рабочего и опорного каналов, затем изменяется длина волны света и вновь измеряется разность фаз рабочего и опорного каналов. По результатам измерения вычисляется разность фаз света. A device for measuring the phase difference of light (prototype) containing a light source, a monochromator, a polarizer, lenses, a Senamore compensator and a photodetector, the compensator is made in the form of a quarter wave plate and analyzer. The device contains two measurement channels, one of which is working and the other is the reference. At a fixed wavelength of light using a rotating analyzer, the phase difference of the light beams of the working and reference channels is measured, then the wavelength of light is changed and the phase difference of the working and reference channels is measured again. According to the measurement results, the phase difference of the light is calculated.

Устройство обладает следующими недостатками:
наличие двух фотоприемников в рабочем и опорном каналах усложняет устройство и уменьшает точность измерения;
последовательное измерение разности фаз на двух длинах волн не позволяет автоматизировать измерения, в особенности для движущихся объектов.The device has the following disadvantages:
the presence of two photodetectors in the working and reference channels complicates the device and reduces the measurement accuracy;
consecutive measurement of the phase difference at two wavelengths does not allow automation of measurements, especially for moving objects.

Целью изобретения является автоматизация и упрощение измерений. The aim of the invention is the automation and simplification of measurements.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для измерения полной разности фаз света, содержащем источник света, поляризатор, линзы, компенсатор, выполненный в виде четвертьволновой пластинки и анализатора монохроматор, фотоприемник, указанный монохроматор согласно изобретению выполнен в виде двух светофильтров, имеющих возможность вращения и связанных между собой и с анализатором так, что линия соединения светофильтров проходит через центр вращения анализатора и монохроматора и параллельна плоскости поляризации анализатора. На линии соединения светофильтров установлен электромагнитный датчик синхронизации. This goal is achieved by the fact that in the known device for measuring the total phase difference of the light, containing a light source, a polarizer, lenses, a compensator made in the form of a quarter-wave plate and an analyzer, a monochromator, a photodetector, said monochromator according to the invention is made in the form of two filters having rotation and interconnected with the analyzer so that the connection line of the filters passes through the center of rotation of the analyzer and the monochromator and is parallel to the plane of polarization an analyzer. An electromagnetic synchronization sensor is installed on the connection line of the filters.

Такая конструкция монохроматора позволяет осуществлять измерения с помощью одного пучка света. Последовательное измерение разности фаз на двух длинах волн заменяется чередующимся измерением, при этом роль опорного сигнала выполняет короткий импульс на выходе электромагнитного датчика синхронизации, что обеспечивает автоматизацию и упрощение измерений. This design of the monochromator allows measurements with a single beam of light. The sequential measurement of the phase difference at two wavelengths is replaced by an alternating measurement, while the role of the reference signal is played by a short pulse at the output of the electromagnetic synchronization sensor, which provides automation and simplification of measurements.

На фиг.1 изображено предлагаемое устройство для измерения полной разности фаз света, общий вид; на фиг.2 - соединение светофильтров монохроматора и ориентация линии соединения светофильтров монохроматора относительно центра вращения анализатора и плоскости поляризации анализатора; на фиг.3 - изменения интенсивности прошедшего света, регистрированного фотоприемником; на фиг.4 - диаграмма состояний элементов схемы обработки сигнала фотоприемника. Figure 1 shows the proposed device for measuring the total phase difference of the light, General view; figure 2 - connection of the filters of the monochromator and the orientation of the connection line of the filters of the monochromator relative to the center of rotation of the analyzer and the plane of polarization of the analyzer; figure 3 - changes in the intensity of transmitted light detected by the photodetector; figure 4 is a state diagram of the elements of the signal processing circuit of the photodetector.

Устройство для измерения полной разности фаз света содержит источник света 1, линзу 2, диафрагму 3, поляризатор 4, измеряемый образец 5, четвертьволновую пластинку 6, монохроматор, состоящий из двух светофильтров 7 и 8, анализатор 9, двигатель 10, фотоприемник 11, дифференциатор 12, буферные усилители с коэффициентами передачи (+1) 13 и (-1) 14, дифференциальный компаратор 15, смеситель 16, счетный триггер 17, селектор 18, кварцевый генератор 19, распределитель цифровой последовательности 20, электромагнитный датчик синхронизации 21, формирователь импульса синхронизации 22, счетный триггер 23, счетчики импульсов 24 и 25, вычислитель 26. Компенсатор выполнен в виде четвертьволновой пластинки 6 и анализатора 9. A device for measuring the total phase difference of the light contains a light source 1, a lens 2, an aperture 3, a polarizer 4, a measured sample 5, a quarter-wave plate 6, a monochromator consisting of two light filters 7 and 8, an analyzer 9, an engine 10, a photodetector 11, a differentiator 12 , buffer amplifiers with transmission coefficients (+1) 13 and (-1) 14, differential comparator 15, mixer 16, counting trigger 17, selector 18, crystal oscillator 19, digital sequence distributor 20, electromagnetic synchronization sensor 21, blue pulse generator ronizatsii 22, the trigger counter 23, and the pulse counters 24 and 25, the calculator 26. The compensator is designed as a quarter-wave plate 6 and the analyzer 9.

Известно, что за один полный оборот анализатора формируются два периода колебаний интенсивности света, прошедшего анализатор. Для измерения дробной части разности фаз света, прошедшего через двулучепреломляющее вещество, достаточно одного периода колебаний интенсивности света, прошедшего анализатор. Для измерения полной разности фаз света, прошедшего через двулучепреломляющее вещество, необходимо (согласно прототипу) измерить дробные части разности фаз света на разных длинах волн света λ₁ и λ₂ соответственно. Следовательно, для измерения дробной части разности фаз света на длине волны λ₁ можно использовать одну половину анализатора, а для измерения дробной части разности фаз света на длине волны λ₂ - другую половину анализатора. Все это и определяет конструкцию монохроматора.It is known that for one full revolution of the analyzer two periods of fluctuations in the intensity of light passing through the analyzer are formed. To measure the fractional part of the phase difference of light transmitted through a birefringent substance, one period of fluctuations in the intensity of light passing through the analyzer is sufficient. To measure the total phase difference of the light transmitted through the birefringent substance, it is necessary (according to the prototype) to measure the fractional parts of the phase difference of the light at different light wavelengths λ ₁ and λ _2, respectively. Therefore, measuring the fractional part of the phase difference of light at a wavelength λ ₁ can be used one-half of the analyzer, and measuring the fractional part of the phase difference of light at wavelength λ ₂ - the other half of the analyzer. All this determines the design of the monochromator.

Монохроматор выполнен в виде двух светофильтров 7 и 8, представляющих собой полуокружности и соединенных между собой по диаметру (см. фиг.2). Линия соединения светофильтров 7 и 8 проходит через общий центр вращения анализатора 9 и монохроматора и параллельна плоскости поляризации анализатора 9. Светофильтры 7 и 8 связаны с анализатором 9 так, что они имеют возможность совместного (с анализатором) вращения в плоскости, перпендикулярной направлению распространения света. По краям линии соединения светофильтров установлен электромагнитный датчик 21. The monochromator is made in the form of two light filters 7 and 8, which are semicircles and interconnected by diameter (see figure 2). The connection line of the filters 7 and 8 passes through the common center of rotation of the analyzer 9 and the monochromator and is parallel to the polarization plane of the analyzer 9. The filters 7 and 8 are connected to the analyzer 9 so that they have the possibility of joint (with the analyzer) rotation in a plane perpendicular to the direction of light propagation. An electromagnetic sensor 21 is installed at the edges of the connecting line of the filters.

Плоскость поляризатора 4 ориентирована под углом 45^о к главным осям образца 5 и параллельна главным осям четвертьволновой пластинки 6.Polarizer plane 4 oriented at an angle ^of 45 ° to the principal axes of the sample 5 and parallel to the principal axes of the quarter-wave plate 6.

Устройство работает следующим образом. Свет источника 1 проходит линзу 2, которая формирует параллельный пучок света, диафрагма 3 позволяет сформировать параллельный пучок света требуемого размера. Далее свет проходит через поляризатор 4, исследуемый образец 5 и четвертьволновую пластинку 6. Поляризатор 4 линейно поляризует пучок света, при этом плоскость поляризации ориентируют под углом 45^о к главным осям образца.The device operates as follows. The light of the source 1 passes through the lens 2, which forms a parallel beam of light, the diaphragm 3 allows you to form a parallel beam of light of the desired size. The light then passes through the polarizer 4, the sample 5 and the quarter-wave plate 6. The polarizer 4 a linearly polarizes the light beam, the polarization plane is oriented at an angle of ⁴⁵ ° to the principal axes of the sample.

Пройдя исследуемый образец 5, свет приобретает разность фаз ортогональных компонент. After passing the test sample 5, the light acquires the phase difference of the orthogonal components.

Главные оси четвертьволновой пластинки 6 ориентированы под углом 45^о к главным осям исследуемого образца 5 и одна из них совпадает с плоскостью поляризации поляризатора 4.The main axes 6 quarter-wave plate oriented at an angle ^of 45 ° to the principal axes of the test sample 5 and one of them coincides with the plane of polarization of the polarizer 4.

Свет, прошедший четвертьволновую пластинку 6, преобразуется в линейно-поляризованный, причем его ориентация относительно исходной ориентации изменяется в зависимости от разности фаз, приобретаемой светом в образце 5. Далее свет проходит через совместно вращающиеся светофильтры 7, 8 и анализатор 9 и направляется на фотоприемник 11. За анализатором 9 интенсивность света изменяется так, как это показано на фиг.3. Одну половину оборота анализатора 9 в пучке света находится светофильтр 7, а другую половину оборота - второй светофильтр 8. Первые полоборота разность фаз φ₁, будет измеряться на длине волны λ₁, а вторые полоборота разность фаз λ₂ - на длине волны λ₂. С фотоприемника 11 сигнал поступает в дифференциатор 12, на входе которого сигнал пропорционален производной по времени. Далее сигнал поступает на буферные усилители с коэффициентами передачи (+1) 13 и (-1) 14, которые совместно с дифференциальным компаратором 15 позволяют выделить экстремумы входного сигнала. При вращении двигателем 10 монохроматора с анализатором 9 через каждые полоборота электромагнитный датчик 21 и формирователь 22 формируют короткий импульс синхронизации. Импульс синхронизации используется для запрета работы компаратора 15 в момент смены светофильтров монохроматора, что необходимо для исключения влияния переходных процессов на дальнейшую обработку сигнала. С компаратора 15 импульсы поступают в смеситель 16, выполненный на логическом элементе ИЛИ, в него же поступают и синхроимпульсы.The light transmitted through the quarter-wave plate 6 is converted to linearly polarized, and its orientation relative to the initial orientation changes depending on the phase difference acquired by the light in the sample 5. Further, the light passes through the co-rotating light filters 7, 8 and the analyzer 9 and is sent to the photodetector 11 Beyond the analyzer 9, the light intensity changes as shown in FIG. One half-revolution of the analyzer 9 in the light beam contains the filter 7, and the other half-revolution is the second filter 8. The first half-turns are the phase difference φ ₁ , will be measured at a wavelength of λ ₁ , and the second half-turns are the phase difference λ ₂ - at a wavelength of λ ₂ . From the photodetector 11, the signal enters the differentiator 12, at the input of which the signal is proportional to the time derivative. Next, the signal is fed to buffer amplifiers with transmission coefficients (+1) 13 and (-1) 14, which together with the differential comparator 15 make it possible to isolate the extrema of the input signal. When the motor 10 rotates the monochromator with the analyzer 9, every half-revolution, the electromagnetic sensor 21 and the former 22 form a short synchronization pulse. The synchronization pulse is used to prohibit the operation of the comparator 15 at the time of changing the filters of the monochromator, which is necessary to exclude the influence of transients on further signal processing. From the comparator 15, the pulses arrive at the mixer 16, made on a logical element OR, it also receives the clock pulses.

Цифровая последовательность поступает в счетный триггер 17, который формирует интервалы, прямопропорциональные дробным частям разностей фаз света на длинах волн λ₁ и λ₂. с выхода триггера 17 импульсы поступают в селектор 18, выполненный на логическом элементе "И", в него же поступают высокочастотные импульсы с кварцевого генератора 19. С выхода селектора 18 временные интервалы поступают в распределитель 20. Счетный триггер 23 преобразует входные синхроимпульсы в импульсы управления работой распределителя 20. С выходов распределителя 20 пачки импульсов, соответствующие измеряемым дробным частям разности фаз света, поступают на счетчики 24 и 25 соответственно. Информация со счетчиков поступает в вычислитель 26, в роли которого используется микроЭВМ. Дальнейшая обработка информации осуществляется по алгоритму, использованному в прототипе.The digital sequence enters the counting trigger 17, which forms intervals directly proportional to the fractional parts of the phase differences of light at wavelengths λ ₁ and λ ₂ . from the output of the trigger 17, the pulses enter the selector 18, executed on the logic element "I", it also receives high-frequency pulses from the quartz oscillator 19. From the output of the selector 18, the time intervals arrive at the distributor 20. Counting trigger 23 converts the input clock pulses into operation control pulses distributor 20. From the outputs of the distributor 20, the pulse packets corresponding to the measured fractional parts of the phase difference of the light are supplied to the counters 24 and 25, respectively. Information from the counters enters the calculator 26, in the role of which the microcomputer is used. Further information processing is carried out according to the algorithm used in the prototype.

Существенным отличием предлагаемого устройства, по сравнению с прототипом, является то, что в нем используется монохроматор, содержащий два светофильтра, соединенные по линии, проходящей через центр вращения анализатора и монохроматора, и параллельной плоскости поляризации анализатора анализатором. Такой монохроматор позволяет упростить измерения, заменить многоканальную систему измерения на одноканальную, и вместе с тем позволяет автоматизировать измерения, что при многоканальной системе измерения вызывает существенные затруднения, вследствие невозможности локализации нескольких пучков света в одном месте образца. A significant difference of the proposed device, compared with the prototype, is that it uses a monochromator containing two filters connected along a line passing through the center of rotation of the analyzer and monochromator and parallel to the analyzer’s plane of polarization. Such a monochromator makes it possible to simplify measurements, replace a multichannel measurement system with a single-channel one, and at the same time, automate measurements, which with a multichannel measurement system causes significant difficulties due to the impossibility of localizing several light beams in one place of the sample.

Claims

DEVICE FOR MEASURING THE FULL DIFFERENCE OF LIGHT PHASES, containing a light source, a polarizer, lenses, a compensator made in the form of a four-wave plate and an analyzer oriented according to the Senarmon method, a monochromator, a photodetector, an electric signal processing unit and a measurement result calculation unit, characterized in that the monochromator made in the form of two filters with the possibility of rotation, interconnected with analyzers and polarizers so that the connection line of the filters passes through the center of eniya analyzer and a monochromator and the analyzer is parallel to the plane, and on the compound line filters mounted solenoid synchronization sensor configured so that it is aligned with the beginning of each signal half cycle measurement.