SU913183A1

SU913183A1 - Refraction index non-uniformity determination method

Info

Publication number: SU913183A1
Application number: SU802963029A
Authority: SU
Inventors: Vladimir I Bredikhin; Stanislav P Kuznetsov
Original assignee: Inst Prikladnoj Fiz An Sssr
Priority date: 1980-07-22
Filing date: 1980-07-22
Publication date: 1982-03-15

Description

Изобретение относится к оптическим измерениям, а именно к способам исследования прозрачных материалов путем измерения неоднородностей показателя преломления, и может быть использовано для контроля качества указанных материалов, $ в том числе кристаллов, применяемых в квантовой электронике.The invention relates to optical measurements, and in particular to methods for studying transparent materials by measuring inhomogeneities of the refractive index, and can be used to control the quality of these materials, including crystals used in quantum electronics.

Известен теневой способ исследования неоднородностей показателя преломления прозрачных материалов, основанный на ¹⁰зондировании исследуемого объекта однородным по интенсивности расходящимся пучком света от точечного источника.A well-known shadow method for studying the heterogeneity of the refractive index of transparent materials, based on ¹⁰ probing the object under study with a uniform intensity diverging beam of light from a point source.

Этот способ заключается в том, что расходящимся пучком света просвечивают ис- ¹⁵следуемый объект, регистрируют распределение интенсивности прошедшего через объект излучения и по изменениям интенсивности излучения в области тени объекта судят о наличии оптических неоднородностей в исследуемом объекте шThis method consists in that the divergent beam of light ¹⁵ used sleduemy translucent object recorded an intensity distribution of the radiation transmitted through the object and the radiation intensity variations in the shadow of the object is judged on the availability of optical inhomogeneities in the test object w

Этот способ прост в реализации, однако обладает недостаточной чувствительно2 стью и не позволяет проводить количественного анализа оптических неоднородностей.This method is simple to implement, however, it has insufficient sensitivity and does not allow quantitative analysis of optical inhomogeneities.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является количественный способ исследования неоднородностей показателя преломления [2}, основанный на сравнении интенсивности теневого изображения объекта с эталонным распределением интенсивности, полученным с помощью эталонной линзы, эталонного клина и т.п. Этот способ заключается в том, что коллимированный пучок света пропускают через исследуемый объект, фокусируют его и· в плоскости фокусировки ножом Фуко перекрывают пасть пучка в фокусе. После этого формируют теневое изображение объекта, регистрируют его и сравнивают распределение интенсивности в теневом изображении объекта с эталонным распределением интенсивности, которое получают путем замены исследуемого объекта на эталонный объект, например, эталонную линзу и регистрации получае3 913163 4 мого при этом эталонного распределения эталонное распределение интенсивности, интенсивности в плоскости изображения объекта. Затем по достижении равенства интенсивности теневого изображения объекта и интенсивности соответствующего ₃участка эталонного распределения определяют величину неоднородности показателя преломления по формулеThe closest technical solution to the proposed one is a quantitative method for studying the inhomogeneities of the refractive index [2}, based on a comparison of the intensity of the shadow image of the object with a reference intensity distribution obtained using a reference lens, a reference wedge, etc. This method consists in passing a collimated beam of light through the object under study, focusing it and · in the focusing plane with a Foucault knife, block the mouth of the beam in focus. After that, a shadow image of the object is formed, it is recorded and the intensity distribution in the shadow image of the object is compared with the reference intensity distribution, which is obtained by replacing the object under study with a reference object, for example, a reference lens and recording the reference intensity distribution obtained in this case, 913163 intensity in the image plane of the object. Then, upon reaching equality of the intensity of the shadow image of the object and the intensity of the corresponding ₃ sections of the reference distribution, the magnitude of the non-uniformity of the refractive index is determined by the formula

Ду.И - X / , * 10 где Δ * И - величина, характеризующая неоднородность показателя преломления по координате х (ось х перпендикулярна оси пучка и ножу Фуко); <5 х - координата соответствующего участка эталонного распределения интенсивности, освещенность которого равна освещенности изображения иссле- _мдуемой неоднородности объекта;Du.I - X /, * 10 where Δ * And is the value characterizing the heterogeneity of the refractive index along the x coordinate (the x axis is perpendicular to the beam axis and the Foucault knife); <5 x - coordinate of a corresponding portion of the reference intensity distribution, which is equal to the illumination light images investigated _m tivity of inhomogeneity of the object;

- фокусное расстояние эталонной линзы (эталонное фокусное расстояние);- focal length of the reference lens (reference focal length);

Ь — длина исследуемого объекта. Недостатком этого способа являетсяB is the length of the investigated object. The disadvantage of this method is

ТО, что его точность определяется точностью выполнения эталонного объекта (линзы, клина), койтроль за изготовлени- ₃₀ем которого осуществляют равноценным по'точности способом. К тому же, для исследования данным способом величин неоднородностейв широком диапазоне .требуется или набор высококачественных длиннофокусных линз, или набор высоко- ³⁵качественных клиньев, или набор каких-то других высококачественных эталонных объектов, изготовление которых является трудной технической задачей. При этом эталонные объекты занимают значительную часть поля зрения прибора, реализующего данный способ, что ограничивает возможность исследования больших образцов.That its accuracy depends on the accuracy performance of the reference object (the lens wedge) koytrol izgotovleni- ₃₀ for which it is carried po'tochnosti equivalent manner. In addition, to study heterogeneities in a wide range using this method, either a set of high-quality long-focus lenses, or a set of high- ³⁵ high-quality wedges, or a set of some other high-quality reference objects, the manufacture of which is a difficult technical task, is required. In this case, reference objects occupy a significant part of the field of view of the device that implements this method, which limits the possibility of studying large samples.

Цель изобретения - повышение точ— ⁴⁵ности способа.The purpose of the invention - an increase ^{of 45} Nosta accurate method.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения неоднородностей показателя преломления, заключающемся в том, что коллимированный пучок ⁵⁰света пропускают через исследуемый объект, фокусируют его и в плоскости фокусировки ножом Фуко перекрывают часть пучка для формирования теневого изображения объекта в плоскости изображения $5 оптической системы, регистрируют распределение интенсивности теневого изображения объекта, создают и регистрируют затем по равенству интенсивности теневого изображения объекта и интенсивности соответствующего участка эталонного распределения интенсивности определяют величину неоднородности показателя преломления по известной зависимости ее от эталонного фокусного расстояния Р_э, эталонное распределение интенсивности формируют, путем фокусировки коллимированного пучка света в той же плоскости, что и пучок света, пропущенный через объект, затем перемещают нож Фуко параллельно оптической оси на расстояние С?, при котором в плоскости изображения получают и регистрируют эталонное распределение интенсивности, а эталонное фокусное расстояние определяют по формуле Р_д= , где Р - фокусное расстояние элемента, с помощью которого фокусируют коллимированный пучок света.This goal is achieved by the fact that in the method for determining the inhomogeneities of the refractive index, which consists in the fact that a collimated beam of light ⁵⁰ is passed through the object under study, it is focused and in the focus plane it covers a part of the beam to form a shadow image of the object in the image plane $ 5 of the optical system, register the distribution of the intensity of the shadow image of the object, then create and register according to the equality of the intensity of the shadow image of the object and the intensity with Resp portion of the reference intensity distribution is determined magnitude inhomogeneity in the refractive index of the known its dependence on the reference focal length F _e, the reference intensity distribution is formed by focusing the collimated light beam in the same plane as the light beam passed through the object and then moves the knife Foucault parallel optical axis at a distance C? at which the reference intensity distribution is obtained and recorded in the image plane, and the reference focus snoe distance determined by the formula _d = P, where F - focal distance of the element through which the collimated light beam is focused.

На чертеже представлен один из возможных вариантов устройства, реализующего данный способ.The drawing shows one of the possible options for a device that implements this method.

Устройство содержит последовательно установленные источник света 1, коллимирующий объектив 2, выходной объектив с фокусным расстоянием Р, нож Фуко 4, окулярный объектив 5 и экран 6. Нож установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси устройства.The device contains a sequentially installed light source 1, a collimating lens 2, an output lens with a focal length P, a Foucault knife 4, an ocular lens 5 and a screen 6. The knife is mounted with the ability to move along the optical axis of the device.

Исследуемый объект 7 устанавливают между коллимирующих объективом 2 и выходным объективом 3. Пунктиром обозначена мнимая эталонная линза 8, фокусное расстояние которой равно эталонному фокусному расстоянию Р.The investigated object 7 is installed between the collimating lens 2 and the output lens 3. The dotted line indicates the imaginary reference lens 8, the focal length of which is equal to the reference focal length P.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Коллимированный объективом 2 пучок света от источника 1 пропускают через исследуемый объект 7 и фокусируют с помощью объектива 3. Нож 4 устанавливают в фокусе объектива 3, перекрывая тем самым часть пучка. Из оставшейся части пучка объективом 5 формируют теневое изофажение объекта на экране 6, которое затем регистрируют (регистратор на чертеже Не показан).A beam of light collimated by the lens 2 from the source 1 is passed through the studied object 7 and focused using the lens 3. The knife 4 is installed in the focus of the lens 3, thereby blocking part of the beam. From the remaining part of the beam by the lens 5, a shadow image of the object is formed on the screen 6, which is then recorded (the recorder is not shown in the drawing).

Для формирования эталонного распределения интенсивности коллимированный пучок света от источника 1 в отсутствии в устройстве исследуемого объекта, не меняя положения объектива 3, фокусируют этим объективом 3 в ту же плоскость, что и пучок света, пропускаемый через объект 7. Перемещая нож 4 из фокальной плоскости объектива 3 параллельно оптической оси устройства (оси пучка), перекрывают им часть пучка до получения в плоскости изображения объекта на экране 6 картины изменения ярко- 5 сти с диапазоном, сравнимым с диапазоном изменений яркости в зарегистрированном теневом изображении объекта. Затем регистрируют на экране 6 картину распределения интенсивности. Полученное 10 при перемещении ножа Фуко распределение интенсивности на экране 6 эквивалентно распределению интенсивности, даваемому мнимой 'эталонной линзой (изображенной на чертеже пунктиром), 15 поэтому это распределение можно принять за эталонное распределение интенсивности. При этом фокусное расстояние мнимой 'эталонной линзы' определяется по формуле 20 ^рэ' а ' <3' где — фокусное расстояние мнимой эталонной линзы; 25To form a reference intensity distribution, the collimated light beam from source 1 in the absence of the object under study, without changing the position of lens 3, is focused with this lens 3 into the same plane as the light beam transmitted through object 7. Moving knife 4 from the focal plane of the lens 3 parallel to the optical axis of the device (the axis of the beam), they overlap part of the beam until a picture of brightness changes in screen 5 is received in the image plane of the object on screen 6 with a range comparable to the range of brightness changes in registered shadow image of the object. Then register on screen 6 a picture of the distribution of intensity. The intensity distribution on screen 6 obtained by moving the Foucault knife 10 is equivalent to the intensity distribution given by the imaginary reference lens (dashed in the drawing), 15 therefore this distribution can be taken as the reference intensity distribution. In this case, the focal length of the imaginary 'reference lens' is determined by the formula 20 ^r e' a '<3' where is the focal length of the imaginary reference lens; 25

Р — фокусное расстояние объектива 3 (Г^ 1 - 10 м);P is the focal length of the lens 3 (G ^ 1 - 10 m);

<3 - расстояние, на которое перемещают нож Фуко (¢1-10^-5 м);<3 - the distance over which the Foucault knife is moved (¢ 1-10 ^-5 m);

Следует отметить, что фокусное рас- зо стояние Рд мнимой эталонной линзы можно плавно менять за счет перемещения ножа Фуко и подбирать оптимальным для конкретной измеряемой неоднородности. Фокусное расстояние Р_э мнимой ₃₅'эталонной линзы' может достигать величин ~10⁺⁵ м — 10⁺⁵м, что позволяет измерять слабые неоднородности показателя преломления.It should be noted that the focal length RD of the imaginary reference lens can be smoothly changed by moving the Foucault knife and choose the optimal one for the particular measured inhomogeneity. Focal Length F _e imaginary ₃₅ 'standard lens' may amount to ~ 10 m ⁵ - 10 ⁵ m, which allows to measure the weak inhomogeneity of the refractive index.

Для определения величины неоднород- 40 ности показателя преломления измеряют расстояние Д , на которое перемещают нож 4. Затем, сравнивая распределение' интенсивности в теневом изображении объекта с полученным эталонным рас- 45 пределением интенсивности находйт координату х, соответствующего участка эталонного распределения интенсивности, освещенность которого равна освещенности изображения исследуемой неоднород- ₅₀ности объекта. Величину неоднородности показателя преломления по координате х определяют по формулеTo determine the inhomogeneity of the refractive index, measure the distance D by which the knife 4 is moved. Then, comparing the intensity distribution in the shadow image of the object with the obtained intensity distribution, find the x coordinate corresponding to the portion of the intensity reference distribution whose illumination is equal to nonuniform illuminance image ₅₀ NOSTA investigated object. The magnitude of the heterogeneity of the refractive index along the x coordinate is determined by the formula

X Χά 55 ν ёт?¹ X Χά 55 ν eats? ¹

Таким образом, способ позволяет определить неоднородность показателя преломления путем сравнения с эталонным распределением интенсивности с высокой точностью за счет исключения использования эталонного объекта (эталонной линзы или набора эталонных клиньев).Thus, the method allows to determine the heterogeneity of the refractive index by comparing with the reference intensity distribution with high accuracy by eliminating the use of a reference object (a reference lens or a set of reference wedges).

Для формирования эталонного распределения в способе используется мнимая 'эталонная линза', получаемая за счет перемещения ножа 4 Фуко из фокальной плоскости выходного объектива 3 устройства, реализующего данный способ.To form a reference distribution, the method uses an imaginary 'reference lens' obtained by moving the Foucault knife 4 from the focal plane of the output lens 3 of the device that implements this method.

К достоинствам способа относится также возможность подбора оптимальной величины смешения ножа 4 при исследовании объектов, рабочие поверхности· которых после обработки не являются строго плоскопараллельными, а имеют, например, некоторую сферичность. В этом случае, перемещая нож 4 Фуко, одновременно компенсируют сферичность объекта 7 и формируют эталонное распределение интенсивности на экране 6. Это позволяет, в отличие от известного способа, одновременно регистрировать изображение неоднородностей объекта 7 и эталонное распределение интенсивности, вследствие чего также повышается точность измерений.The advantages of the method also include the possibility of selecting the optimal mixing value of the knife 4 when examining objects whose working surfaces · after processing are not strictly plane-parallel, but have, for example, some sphericity. In this case, moving the Foucault knife 4, at the same time compensate for the sphericity of the object 7 and form the reference intensity distribution on the screen 6. This allows, in contrast to the known method, to simultaneously record the image of the inhomogeneities of the object 7 and the reference intensity distribution, which also improves the measurement accuracy.

Предлагаемый способ исключает необходимость иметь большой набор эталонных объектов (высококачественных эталонных линз или клиньев) для исследования образцов с широким диапазоном изменений величин неоднородностей, поскольку перемещением ножа Фуко получают мнимую 'эталонную линзу' с любым необходимым фокусным расстоянием, что и позволяет расширить диапазон измерений.The proposed method eliminates the need for a large set of reference objects (high-quality reference lenses or wedges) for studying samples with a wide range of changes in the values of inhomogeneities, since by moving the Foucault knife an imaginary 'reference lens' with any necessary focal length is obtained, which allows to expand the measurement range.

Claims

Claim

A method for determining the inhomogeneities of the refractive index, namely, that a collimated light beam is passed through the object under study, it is focused and a part of the beam is blocked in the focus plane with the Foucault knife to form a shadow image of the object in the image plane of the optical system, the intensity distribution of the shadow image of the object is recorded, and a and record the reference intensity distribution, then by the equality of the intensity of the shadow image of the object and the intensity of the existing section of the reference intensity distribution, the magnitude of the inhomogeneity of the refractive index 7 913163 8 is determined by its known dependence on the reference focal length, Rd, characterized in that, in order to increase the accuracy of the method, the reference intensity distribution is formed by focusing the collimated light beam in the same plane as and the light beam passed through the object then moves the Foucault knife parallel to the optical axis by a distance при at which the register is received in the image plane by reference intensity distribution, a reference focal length determined by the formula 'a' where F - focal distance of the element through which the collimated light beam is focused.