Рефрактометр для прозрачных пластин Советский патент 1991 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и представляет собой прибор для измерения показателя п.релом- ления прозрачных плоскопараллельных пластин любого размера, причем в случае крупных пластин измерения могут выполняться непосредственно на объекте независмо от его пространственного положения, без изменения этого положения.

Цель изобретения - упрощение измерений.

На фиг. 1 представлена оптическая схема рефрактометра; на фиг. 2 - вариант конструктивного выполнения; на фиг. 3 ход лучей, формирующих интерференционную картину.

Рефрактометр содержит источник 1 излучения (лампочку накаливания на 6 3,

10 Кл), короткофокусную собирующую линзу 2 с фокусным расстоянием 25 мм, фокусирующую световой пучок от источника на отверстии диаметром ,.1-0,2 мм в диафрагме 3, которое играет роль точечного источника света. Автоколлимационный элемент 4 выполнен в виде небольшого полупрозрачного зеркала (50%), закрепленного внутри зрительной трубы 5 под углом а 45° к оси трубки и наклоненного к оси светового пучка также под углом 45°.

Положение диафрагмы 3 отрегулировано так, чтобы ее изображение в автоколлимационном элементе 4 совпадало с фокальной плоскостью 6 линзы 7, а изображение отверстия диафрагмы 3 оказалось в главном фокусе этой линзы. На выходе зрительной трубы 5 установлены параллельно

Os СО

00 VI СО

друг другу и нормально к выходящему из зрительной трубы 5 световому потоку диффузор 8, держатель образца с исследуемой пластиной 9 и отражатель 10.

Устройство включает также окулярный микрометр 11 со шкалой 12. Отражатель 10 установлен на горизонтальном столике (не показан), а зрительная труба 5 установлена вертикально над ним. Зрительная труба 5 в нижней своей части имеет линзу 7 с фокусным расстоянием F, равным 110 мм, а в верхней части - окуляр с глазной линзой 13 (F 20 мм). Под глазной линзой 13 вблизи ее фокальной плоскости закреплен окулярный микрометр 11. Между линзами 7 и 13 расположен автоколлимационный элемент 4, связывающий осветительную часть прибора с коллимационной и наблюдательной частями.

Устройство работает следующим образом.

На поверхность отражателя кладут исследуемую пластину, которую покрывают диффузором. Отражатель ориентируют так, чтобы его горизонтальная поверхность оказалась перпендикулярной коси зрительной трубы. Световой поток от источника 1 излучения проходит через короткофокусную собирающую линзу 2 и фокусируется на отверстии диафрагмы 3, которое является вторичным источником излучения. Благодаря автоколлимационному элементу 4 световой поток вводится в зрительную трубу 5.

Зрительная труба 5 формирует строго коллимированный световой поток, который по выходе из нее попадает на диффузор 8, исследуемую пластину 9 и отражатель 10. В результате частичного расеяния на поверхности 14 (фиг. 3), зеркального отражения от поверхности 15 и повторного частичного рассеяния на поверхности 14 возникают несколько производных пучков. Лучи, соответствующие главным из них, показаны на фиг. 3. Это производный луч 16, не испытавший рассеяния ни на прямом, ни на обратном пути (нулевой пучок).

Луч 16 может формировать зеркальное изображение освещающего источника по законам плоского зеркала, немотря на наличие диффузора. Производные лучи 17 и 18, как один, так и другой, испытывают однократное зеркальное отражение от поверхности 15 и однократное рассеяние на поверхности 14х, но при разной последовательности этих процессов. Луч 17 рассеивается на обратном пути после отражения от поверхности 15, проходя подложку туда и обратно по нормали (опорный пучок), а луч 18 рассеивается на прямом пути - до отражения и проходит поверхность 14 туда и

обратно под углом (предметный пучок). Так как лучи 17 и 18 возникают в результате

рассеяния на одной и той же частице, то

11

дополнительные скачки фаз ,

обусловленные рассеянием, имеют одну и

t11

ту же величину, т.е. , и на разность хода А лучей 17 и 18 они не влияют. Поэтому можно добиться высокой степени

Q взаимной когерентности этих лучей.

Перекрывание опорного и предметного пучков при условии их когерентности приводит к формированию интерференционной картины, В силу осевой симметрии располо5 жения она имеет вид системы светлых и темных концентрических колец. Рассчет величины Л для небольших углов падения I дает А i2t/n.

Поэтому картина представляет собой

0 семейство темных и светлых колец первых порядков, окружающих центральное нулевое пятно. Для темных колец имеют А (2К-1)А /2 или i2t/n (2К-1)А /2. Отсюда

5n 2i2t/(2K-1)A,...(1)

где t - толщина исследуемой пластины А-длина волны излучения: К - номер темного кольца. Интерференционная картина формиру0 ется в фокальной плоскости линзы 7 - в плоскости 6. Картина имеет центральную симметрию, причем центром симметрии, совпадающим с серединой ахроматического центрального нулевого пятна картины,

5 является главный фокус линзы 7. Эта точка оказывается выделенной и отчетливо видимой, поскольку с ней совмещается яркая светящаяся точка, представляющая собой изображение точечного источника 1, форми0 руемое нулевым пучком отражательно-диффузной системы. Величину угла выхода рассеянных диффузором лучей для каждой точки интерференционной картины можно определить, измеряя расстояние отданной

5 точки картины до ее центра.

Лучшую видимость имеют темные кольца и положение этих колец можно фиксировать с большей надежностью. Поэтому расчетную формулу целесообразно связать

5 с радиусами темных колец картины. Если фокусное расстояние коллиматорной линзы 7 обозначить через F, а радиус К-ro темного кольца в картине, наблюдаемой в фокальной плоскости линзы 7 при нормальном рас0 положении отражательно-диффузной системы, через Rk, то угловые радиусы тем- 1 ных колец можно записать в виде

l Rk/F.

Подставляя это значение в формулу (1), получают расчетную формулу в виде

n 2tRk2/(2K-1)AF2

(2)

Промер радиусов колец окулярным микрометром позволяет на основании формулы (2) рассчитать величину показателя преломления п исследуемой пластины,

Методика измерений зависит от размеров исследуемой пластины. В том случае, когда пластина имеет сравнительно небольшие размеры, например, не более 15x15 см2, можно использовать два вариан- та прибора. В первом из них рефрактометр для прозрачных пластин имеет оправу со столиком наподобии столика микроскопа с тремя опорными регулировочными винтами, которые и служат держателями образца. На эти винты накладывают отражатель, покрывают его иссследуемой пластиной, верхнюю поверхность которой совмещают с диффузором или запыляют, для чего достаточно иметь щепотку легко наносимого и удаляемого порошка, например, ликоподия, и, наблюдая за интерференционной картиной в окуляр, поворачивают регулировочные винты столика, добиваясь того, чтобы картина представляла собой систему пра- вильных колец с изображением источника излучения в центре нулевого пятна. После этого измеряют несколько значений Rk и по формуле (2) определяют показатель преломления.

Во втором варианте прибора оправа со столиком отсутствует.Отражатель кладут на любой стол, накладывают на него исследуемую пластину, покрывают ее диффузором или запыляют. Непосредственно на это уст- ройство ставят зрительную трубу так, чтобы плоский край трубы, отработанный на пло

5

10 152025 30

35 скость, перпендикулярную оси трубы, опи-. рался на поверхность диффузора. При этом прибор принимает нужное положение и измерения далее выполняют аналогичным образом. В том случае, когда исследуемая пластина имеет крупные размеры и она труднотранспортируема, но доступ к пластине свободен как со стороны передней поверхности, так и со стороны задней, поступают следующим образом. К задней поверхности пластины прижимают отражатель, а переднюю поверхность запыляют, вплотную к ней (до упора) подносят зрительную трубу и производят измерения. Формула изобретения Рефрактометр для прозрачных пластин, содержащий источник света и установленные по ходу светового потока собирающую линзу, держатель прозрачных пластин и зрительную трубу, включающую объектив, автоколлимационный элемент и отсчетное устройство, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений, в устройство дополнительно введены диафрагма, рассеивающий элемент и отражатель, авто- колимационный элемент выполнен в виде полупрозрачного зеркала, установленного наклонно к напрзрлению распространения светового потока, рассеивающий элемент и отражатель установлены по х-оду светового потока соответственно перед держателем прозрачных пластин и за ним, а диафрагма установлена за собирающей линзой по ходу светового потока и оптически сопряжена относительно наклонного полупрозрачного зеркала с фокальной плоскостью объектива зрительной трубы.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и предназначено для проведения быстрых оценочных (с точностью до 10) измерений показателя преломления прозрачных пластин любого размера, причем в случае крупных и трудно транспортируемых пластин измерения могут выполняться непосредственно на объекте независимо от его пространственного положения без изменения этого положения. Целью изобретения является упрощение измерений. Рефрактометр содержит источник излучения, собирающую линзу, держатель образца и зрительную трубу, в которой расположены автоколлимационный элемент и отсчетное устройство В прибор введены диффузор t отражатель излучения, установленные соответственно перед исследуемым образцом и а ним, и диафрагма с точечным отверстием (диаметром 0,1- 0,2 мм), совмещенная с фокальной плоскостью объектива зрительной трубы посредством автоколлимационного элемента, выполненного в виде наклонного полупрозрачного зеркала.3 ил.

.2 1

Ю

71

П

Фиг, 2

Ч

1 23