SU1441278A1 - Способ измерени показател преломлени прозрачных стержней - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  показател  преломлени  материала прозрачных цилиндрических прот женных объектов. Цель изобретени  - повышение точности измерений . Перед цилиндром ввод т с двух сторон ограничители, ограничи- ваюп|ие относительно линии регистрации диапазон входных углов лучей, посту- пающих на измер емый объект от рас- сеивател . Ограничители закрепл ют симметрично линии регистрации, регистрируют распределение интенсивности параксиальных лучей в плоскости изображени  измер емого объекта, и по этому распределению суд т об искомой величине. Ограничение диапазона входных углов излучени  приводит к отсутствию части лучей в вьщел емом потоке , направленном в объектив фото- приемника, что регистрируетс  светочувствительной частью фотопрйемника. На выходе фотоприемника формируютс  два уровн  сигналов: единичный и нулевой . Единичный формируетс  прошедшими к фотоприемнику лучами, нулевой соответствует местоположению лучей, отсеченных /ограничител ми, причем уровни сигнала на выходе фотоприемника однозначно св заны с показателем преломлени  материала измер емого цилиндрического объекта. 4 ил. S (Л

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  определени  показател  преломлени  твердых тел в виде прот - с женных цилиндрических объектов, волокон , световодов.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерений.

На фиг. 1 показано устройство дл  Ю реализации способаj на фиг. 2 - зависимость угла входа луча, прошедшего через цилиндр, от координаты выкода из объе кта элементарного луча, параллельного линии регистрации, и сигнал 15 на выходе фотоприемника; на фиг. 3 - построение изображени  точки Ь,. в тонкой линзе; на фиг. 4 - прохождение луча через цилиндрический объект.

Устройство дл  реализации данного 20 способа содержит осветитель , рассе- иватель 2, ограничители 3 и 4; фотоприемник 5 и peгиcтpиpyюD ий прибор 6.

Способ осуществл етс  следующим 25 образом.

Световым потоком от источника 1, рассе нным с помощью рассеивател  2, облучают прозрачный цилиндр 7, причем диапазон углов входа в ци- ЗО линдр 7 ограничивают закрепленными ограничител ми 3 и 4. С помощью объектива фотоприемника 5, имеющего малую .апертуру, из всех лучей, вьшедших .из цилиндра 7 в плоскости изображе- с ни  фотоприемника 5, фиксируют только параксиальные лучи.

Ограничение диапазона входных углов излучени  приводит к отсутствию части лучей в выделенном потоке, Q направленном и объектов фотоприемника 5, что регистрируетс  фотоприемником 5 и приводит к тому, что на выходе фотоприемника формируетс  сигнал , изображенный на фиг. 2, Единич- ные уровни сигнала формируютс  прошедшими к фотоприемнику 5 лучами а нулевые соответствуют местонахождению лучей, отсеченных ограничител ми,, причем уровни сигнала на выходе фо- топриемника однозначно св заны с показателем преломлени  материала измер емого цилиндра.

Через объектив фотоприемника 5 на его фоточувствительный слой посту55

пают параксиальные лучи, что определ етс  свойствами объектива фотоприемника (объектив с небольшой апертурой ) .

5

0

5

О с

Q

5

Построение изображени  цилиндра 7 можно провести с помощью параксиальных пучков, формируемых на поверхности цилиндра 7. Поскольку дл  параксиальных лучей изображение точки стигматично (т.е. гомоцентричность пучка сохран етс ), то дл  построени  ее изображени  достаточно найти точку пересечени  какого-либо луча из параксиального пучка с плоскостью изображени .

Рассмотрим изображение точки В в линзе (фиг. 3). Из свойства гомо- центричности следует, что после выполнени  построени  любой преломленный луч из параксиального пучка пройдет через точку Bg. Так как построение изображени  точки Bj сводитс  к геометрической задаче отыскани  В, то нет.надобности, чтобы выбранные элементарные лучи имели реальный характер . В частности, луч не попадает в оправу линзы, но может участвовать в п остроении точки Вг. Таким образом, построение изображени  видимых объективом фотоприемника 5 точек, лежащих на поверхности цилиндра 7, может быть сведено к построению с участием только тех лучей, которые выход т из цилиндра 7 параллельно линии регистрации.

Местоположение лучей,, выход щих из цилиндра 7 параллельно линии регистрации , зависит от углов входа рассе нных лучей, прошедших от рассеивател  2 через пространство, ограниченное ограничител ми 3 и 4, к поверхности цилиндра 7.

Тем самым установление зависимости показател  преломлени  материала цилиндра от сигнала на выходе фотоприемника 5 может быть сведено к определению св зи между распределением лучей , выход щих из цилиндра параллельно линии регистрации и углами входа в цилиндр лучей, выход щих от рассеи- ,вател  2 и участвующих в формировании на выходе из цилиндра 7 пучка, параллельного линии регистрации.

Зависимости, св зьшающие углы вхог да лучей, проход щих через цилиндр 7, с координатами выхода из их цилиндра 7 параллельно линии регистрации, получаютс  на основании исследовани  прохождени  элементарного луча через цилиндрический объект (фиг, 4).

Угол б входа элементарного луча (фиг, 4) в цилиндр относите.чьно ли31441278

НИИ регистрации св зан с углом выхода относительно перпендикул ра к поверхности цилиндра, восстановленного в месте выхода рассматриваемого луча, соотношением

уг

е , j- () -S )

«(j - е/, - (180°- -О/)

+« о -

2

(О

arcsin(sine)

arcsin

(4)

Принима  во внимание равенство углов 0 и о( , а также формулы (2) и (4), запишем формулу (1) в виде

0

2с(о- 2с,

где (f 180 - угол между направлением регистрации и радиусом цилиндра, проход щим через точку входа луча в цилиндр;

oi, - oij- угол между радиусами цилиндра, проход щими через точку входа и выхо- . да луча из цилиндра; J,, d.2 соответственно углы между

пр мой, соедин ющей точки выхода и вхсда измерени  в цилиндр , и его радиусами, прохо- д п1ими через эти точки. Угол 0/0 образован направлением луча, выход щего из цилиндра параль- лельно линии регистрации, и перпендикул ром к поверхности цилиндра, проход щим через его центр. Этот уго св зан с координатой X, соответствующей удалению места выхода элементарного луча от линии регистрации, соотношением из треугольника АОВ (фиг. 4):

X о/о arcsin -, (2)

где. R - радиус окружности цилиндра .

Углы о( и «( равны между собой, как углы при основании равнобедренного треугольника. Угол oi образован направлением луча, вход щего в цилиндр, и направлением радиуса ци- линдра, проход щего через точку входа луча в него.

Углы J.g и о(, также равны между собой, так как св заны с углами ai и формулой Снеллиуса - Декарта

n(

По

sinot,

По

(3)

- показатели преломлени  материала цилиндра и окружающей среды соответственно.

формулы (3) наход т уг

5

-

0

5

ПоХч

2 arcsin - - arcsin --г). (5) к п J к

На основании полученного соотношени  (5) построен график (фиг. 2).

Из графика видно, что если в рассе нном свете ограничить диапазон входных углов лучей, то в выход щем световом потоке, параллельном линии регистрации, есть зоны, в которых лучи отсутствуют (на графике изображены заштрихованными участками). Этим зонам соответствует нулевой уровень сигнала на выходе фотоприемника.

Предельные углы и -(9 в устройстве, реализующем данный способ , задаютс  ограничител ми 3 и 4.

Из уравнени  (5) получаем значение показател  преломлени  материала цилиндра:

X По

. , .X &. Rsin(arcsin s - о). к. i

(6)

Радиус окружности определ ют по формуле

R КТг/2, (7)

где К - масштабный коэффициент, определ емый коэффициентом усилени  фотоприемникл;

Tj,- интервал, характеризующий внешний диаметр (фиг. 2).

Значение Х, соответствующее критическому углу отношени 

в

kp.

наход т из соX , ,

(8)

где Т - интервал, характеризующий координату Х места выхода светового луча, параллельного линии регистрации, при заданном критическом угле

(фиг. 2).

Радиус R прозрачного стержн  определ ют заранее или по распределению интенсивности. Если радиус стержн известен , то показат гль преломлени  наход т по формуле (6).

Если радиус стержн  не известен, то показатель преломлени  определ ют по формуле

п.

п„

T,.sin(arcsin i - ). (9)

Операци  калибровки устройства с целью определени  предельного угла падени  осуществл етс  один раз пе ред нача.лом работы дл  определенного положени  ограничивающих световой поток экранов. При изменении положени  ограничивающих экранов относительно линии регистрации необходимо проводить дополнительную калибровку устройства,

В соответствии с фиг. 4 предельный угол определ ют из соотношени 

arctg

L - Н

, Р + R sinV arctg .

(10)

где

180 -o(o 2e,

L - рассто ние от оси образца до

плоскости ограничителей; Р - рассто ние от линии регистрации до краев ограничителей; Н - рассто ние от плоскости, прО ход щей через ось образца перпендикул рно линии регистрации э до места входа в образец луча, определ ющего внутреннюю границу светотени; F - рассто ние от линии регистрации до места входа этого граничного луча.

Величины углов з( и е(о определ - ютс  по формулам (4) и (2).

Предельный угол ®KP отличаетс  от угла Оу 5 который образован линией регистрации и линией проход щей чет рез край ограничител  и ось образца, и вычисл етс  функцией

®о arctg 2. (И)

Однако, если обеспечить условие L R и PJi- R, то , предельный угол &/(р будет близок по значению к углу &о (сравним уравнений (10) и (П), где sin и cos V не могут быть больше единицы , а при,Ъ 100 Р.и Р 100 .Р углы Окр и Gg с погрешностью, не превышающей 1%, совпадают). Если размеры образца удовлетвор ют условию

R L/100 и R Р/100, то калибровку устройства с целью определени  предельного угла дл  каждого нового образца проводить не нужно, в противном случае ограничители удал ют на требуемое рассто ние и провод т дополнительную калибровку.

гОпераци  формировани  пучка парак- симальных лучей необходима, поскольку рассе нный свет после прохождени  образца остаетс  рассе нным, а на фиг. 4 приведен ход только одного

ИЗ сформированных параксиальных Лучей , а остальные рассе нные лучи не проход т через объектив.

Устройство может быть выполнено

следующим образом.

Осветитель в виде двух ламп накаливани  мощностью по 150 Вт питаетс  от напр жени  сети 200 Б. Рассеи- ватель изготовл ют из стекл нной

пластины путем нанесени  на нее матовой поверхности пескоструйным механизмом . Ограничители реализуют с помощью двух непрозрачных металлических пластин, закрепленных в корпусе осветител  между рассеивателем и объектом измерени . Фотоприемником служит телевизионна  камера типа КТП-67 промышленной телевизионной установки ПТУ-43. Регистрирующий прибор выполн ют на базе видеоконтрольного устройства тип ВК50В100 промышленной телевизионной установки ПТУ-43 и устройства отображени , служащего дл  преобразовани  сигнала с выхода

отоприемника в цифровой код. Цифровые значени , интервалов времени Т и Тз ввод т в вычислительное устройство , например мини-ЭВМ Электрони- ка ДЗ-28.

Распределение интенсивности света, формируемое в плоскости фотоприемника , имеет четкие границы светлых и темных полос, поэтому погрешность, обусловленна  сферической аберрацией , создаваемой объектом измерени , в способе отсутствует. Благодар  этому достигаетс  повышение точности определени  показателей преломлени  до 0,05%.

Claims (1)

1. Формула изобретен и. 

   Способ измерени  показател  преломлени  прозрачных стержней, включа71Д

   ющий освещение световым пучком стержн  и регистрацию распределени  интенсивности прошедшего через него светового пучка, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, стержень освещают излучением , рассе нным в плоскости, перпендикул рной световому пучку, и ограниченным симметрично плоское- ти, проход щей через ось стержн  и направление освещени , регистрируют границы света и тени в распределении интенсивности светового пучка, образованной его параллельными луча- ми, причем показатель преломлени  п стержн  определ ют по формуле

   2

   Tjsin(arcsin де Т, и Т, минимальное н максимальное рассто ни  между границами света и тени в распределении интенсивности;

   чр - максимальный угол между падаютдими на стержень ограниченными рассе нными лучами   направлением освещени  стержн ;

   Пда - показатель преломлени  окружающей среды.

   Фиг. 2

   f7o