Способ определения показателя преломления материала Советский патент 1991 года по МПК G01N21/43 

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для определения показателя преломления материалов.

Целью изобретения является расши-. рение класса исследуемых материалов путем обеспечения исследования рассеивающих материалов с шероховатой поверхностью, например лакокрасочных покрытий .

Способ осуществляется следующим образом.

Материал освещают поочередно двумя направленными монохроматическими потоками, поляризованными перпендикулярно и параллельно плоскости падения, и регистрируют интенсивности отраженного света.

После регистрации интенсивностей с отраженного света определяют для каждого освещающего монохроматического потока коэффициенты яркости материала в фиксированном направлении, лежащем в центральной части индикатрисы рассеяния, например, проходящем через максимум индикатрисы рассеяния, при приеме на параллельной и ортогональной поляризации относительно поляри- , зации освещающего потока. Показатель преломления п вычисляют по формуле

n tge sin29(|Ј)We

(1)

о

42ь

to

со

GO СО

где

ftuiJVLii frui -

1

(2)

31642333

Q - угол падения освещающего потока на материал; коэффициент яркости материала при поляризации освещающего потока, перпендикулярной плоское ти падения, и приеме на той же поляризации;

коэффициент яркости материала при поляризации освещающего по-, тока, параллельной плоскости

PuчГ

,5

падения, и приеме на той же поляризации; Р, . - коэффициент яркости материала

при поляризации освещающего по- тока, перпендикулярной плоскости падения, и приеме на ортогональной поляризации; () (, коэффициент яркости материала

при поляризации освещающего потока, параллельной плоскости падения, и приеме на ортогональной поляризации, Ац Если рассеивающий Материал представляет собой многокомпонентную сие- тему такого же вида, как лакокрасочное покрытие, состоящее из оптически однородного связующего (пленкообразо- пепеля), внутри которого находятся частицы дисперсного вещества (пигмента или наполнителя), то отраженный лучистый поток состоит из двух составляющих - внешней и внутренней.

Внешняя составляющая рассеянного лучистого потока формируется шероховатой поверхностью материала, которую можно представить в виде совокупности плоских фацетов, ориентированных под различными углами. Размеры фацетов существенно превышают длину волны on тического излучения, так что диффрак- ционные эффекты пренебрежимо малы и оражение излучения от каждого фацета описывается формулами Френеля, связывающими коэффициент зеркального отра- жения с показателем преломления и локальным углом падения. Внешняя составляющая потока в каком-либо направлении формируется только теми фацета

ми, нормаль к которым совпадает с биссектрисой угла, заключенного между направлениями на излучатель и приемник, так что локальный угол падения излучения на фацеты равен половине уг ла между направлениями на излучатель и приемник.

На внешнюю составляющую рассеянного лучистого потока накладывается внутренняя составляющая, обусловлен

5

„ , 5 д0

5

ная рассеянием излучения толщей материала. Интенсивность этой составляющей зависит не только от структуры материала, но и от показателя преломления и шероховатости поверхности материала, а также от угла падения.

Внутренняя составляющая рассеянного лучистого потока неполяризована, а внешняя составляющая - полностью поляризована и сохраняет поляризацию падающего потока, если падающий поток поляризован перпендикулярно или параллельно плоскости падения.

Из сказанного следует, что коэффициенты яркостир1(, , () ц | определяются только внутренней составляющей, а коэффициенты яркости J , НИЦ суммой внутренней и внешней составляющих. Следовательно, разности }iL - /3

1II

/Зц и -/Зщ характеризуют только внешние составляющие для падающих потоков, поляризованных соответственно перпендикулярно и параллельно плоскости падения, причем индикатрисы этих внешних составляющих совпадают, поэтому отношение упомянутых разностей равно отношению коэффициентов отражения в перпендикулярно и параллельно поляризованном свете, что и приводит к формуле (2). Зная отношение А, можно вычислить по формуле (1) показатель преломления п, если только в эту формулу в качестве угла падения б подставить локальный угол падения, равный половине угла между направлениями на излучатель и приемник.

Погрешность определения показателя преломления будет тем меньше чем больше разности }и - рц „ , р м, -(3,и, и поэтому с этой точки зрения следует устанавливать приемник ближе к максимуму индикатрисы рассеяния.

Рассмотренные выше зависимости применимы для определения показателя преломления только при соблюдении следующих условии:

1)поверхность материала предста- Q вима в виде совокупности фацетов, размеры которых много больше длины волны излучения, так что дифракционные эффекты несущественны;

2)отсутствуют многократные пере- 5 отражения между различными фацетами;

3)внешняя составляющая отраженного лучистого потока полностью поляризованная, а внутренняя - полностью неполяризованная;

5

4) углы падения и наблюдения боль максимального угла наклона фацетов , так что взаимные затенения одних

участков поверхности другими отсут- ствуют.

Эти условия выполняются приближенно с достаточной для практических прменений точностью.

Выли выполнены экспериментальные исследования отражательных характеритик лакокрасочных покрытий с разной фактурой поверхности (всего нескольк сотен образцов).

Эти исследования выполняли на го- ниофотометре с чувствительностью по коэффициенту яркости с угловым разрешением 30 мин и поляризационной развязкой более 30 дБ в видимом диапзоне. Измеряли коэффициенты яркости и их индикатрисы при различных углах падения и различных поляризациях на излучение и на прием, а также исследвали профили поверхности на профило- метре.

Измерения показали, что в предела точности измерений перечисленные условия соблюдаются для углов падения и наблюдения менее 70 град.

Пример. Требовалось определить показатель преломления поверхности лакокрасочного покрытия (ЛКП), нанесенного на плоскую пластину, на длине волны 0,63 мкм.

Для этого пластину установили на гониофотометре с регулировкой поляри- ;зации на излучение и на прием и осве- тили ЛКП монохроматическим пучком света на длине волны 0,63 мкм.

Установили угол падения равным 45 град.

Приемник разместили в плоскости падения так, что угол между направлениями на излучатель и на приемник составил 90 град, при этом локальный уго падения равен

9 - Ц- - 45

Установили линейную поляризацию падающего пучка, перпендикулярную плоскости падения.

Измерили коэффициент яркости ft,, при приеме на поляризации, параллельной поляризации освещающего потока, когда поляризация на излучение и на прием одна и та же (перпендикулярная плоскости падения).

5

0

5

0

5

Затем измерили коэффициент яркости (iiu при приеме на ортогональной поляризации по отношению к поляризации освещающего потока, когда поляризация на излучение перпендикулярна плоскости падения, а поляризация на прием параллельна плоскости падения.

11осле этого установили поляризацию О освещающего потока, параллельную плоскости падения, и измерили коэффициент

яркости pun при приеме на поляризации, параллельной поляризации падающего потока, когда поляризация на излучение и на прием одна и та же (параллельная плоскости падения), а затем измерили коэффициент яркости /5 BJ при приеме на поляризации, ортогональной поляризации падающего потока, когда поляризация на излучение - параллельная плоскости падения, а поляризация на прием - перпендикулярная плоскости падения.

Измерения коэффициентов яркости

ft ц РИМ Pill ft id выполняли путем сопоставления интенсивности света, рассеянного ЛКП, с интенсивностью света, рассеянного эталонным образцом сравнения с известными коэффициентами яркости. В качестве эталонного образца сравнения использовали пластину из молочного стекла М-20. При сопоставлении интенсивностей применяли набор паспортизированных ослабителей света. В рассматриваемом примере результаты измерении коэффициентов яркости таковы:

«5

0

0

(ц 1,39;Pi,, 0,30;

° «б;/}„1

Вычислили по формуле (2) отношение коэффициентов отражения

д - ..- о и

А /5„и-рщ- 98

Вычислили показатель преломления ЛКП по формуле (1), в которую подставили полученное значение А 9,8, а в качестве угла падения Q- в (1) взяли половину угла между направлениями на излучатель и приемник Q - 90/2 45°:

55

n te 45

+

(12

1,54.

Таким образом, получили п 1,54, В исследованном ЛКИ связующим служил сополимер винилхлорида с винилаце- татом, омыленный А-15-0, который, , согласно литературным данным, имеет показатель преломления п. 1,52. Отличие измеренного значения показателя преломления от значения тавляет

п.

-100 1,3 %.

Формула изобретения

Способ определения показателя преломления материала, включающий осве- фение материала поочередно двумя монохроматическими световыми потоками, поляризованными перпендикулярно и па- 20 раллельно плоскости падения, регистра- :цию интенсивностей, отраженного света IB направлении зеркального отражения, вычисление отношения коэффициентов отражения и вычисление показателя преломления п материала по формуле

,-25

- tgO sin29(jЈf)2

+ cos

0 - угол падения освещающего потока на материал;

А - параметр, определяемый отно- 35 шением коэффициентов.отражения света, поляризованного

,

10

15

2025

30

35

перпендикулярно и параллельно плоскости падения, отличающийся тем, что, с целью расширения класса исследуемых материалов путем обеспечения исследования рассеивающих материалов с поверхностным и/или объемным рассеянием, после регистрации интенсивностеи отраженного света определяют коэффициенты яркости материала при регистрации на параллельной и ортогональной поляризациях относительно поляризации ост вещающего потока, а параметр А вычисляют по формуле

А fiaiЈaf

Pllll fij.U

где ft - коэффициент яркости материала при поляризации освещающего потока, перпендикулярной плоскости падения, и регистрации на той же поляризации;

Р)м(| - коэффициент яркости материала при поляризации освещающего потока, параллельной плоскости падения, и регистрации на той же поляризации;

$И1НР«1. коэффициенты яркости материала при поляризации освещающего потока, перпендикулярной и параллельной плоскости падения соответственно, и регистрации на ортогональной поляризации.

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для определения показателя преломления материала. Цель изобретения - расширение класса исследуемых материалов путем обеспечения исследования материалов с поверхностным и/или объемным рассеянием. Освещают материал поочередно двумя направленными монохроматическими потоками, поляризованными перпендикулярно и параллельно плоскости падения, регистрируют интенсивность отраженного света. Измеряют для каждого освещающего потока коэффициенты яркости материала в фиксированном направлении при приеме на параллельной и ортогональной поляризациях относительно поляризации освещающего потока, а коэффициент преломления вычисляют по формуле, приведенной в описании. & V.