Устройство для определения показателя преломления Советский патент 1992 года по МПК G01N21/45 

Изобретение относится к оптическим измерениям и может быть использовано для определения абсолютного значения показателя преломления оптических материалов.

Известны устройства, позволяющие определять показатели преломления образцов оптических материалов, выполненных в виде плоскопараллельных пластин

Однако, устройство не обеспечивает высокой точности измерений, так как у него ограничен диапазон поворота образца из- за взаимного смещения интерферирующих световых пучков и низок контраст интерференционных полос из-за разной интенсивности этих световых пучков Кроме того, для определения с помощью этого устройства показателя преломления необходимо предварительно с высокой точностью измерять толщину исследуемого образца

Устройство не требует предварительного бпределения толщины образца, поскольку она определяется в процессе измерений.

Однако, оно так же не обеспечивает высокой точности измерений, так как имеет малую чувствительность к измеряемой величине.

Наиболее близким к изобретению является устройство, которое и выбрано в качестве прототипа. Это устройство содержит источник монохроматического излучения, объектив, интерферометр Маха-Цен дера, устройство поворота исследуемого образца и систему анализа интерференционной картины. Устройство позволяет определять абсолютный показатель преломления образца по изменению порядка интерференции в зависимости от угла поворота образца. Изменение порядка интерференции соответствует числу интерференционных полос N, пробеХ|

сл ел

кэ ся

жавших через анализируемую точку изображения при развороте образца. Образец для измерений изготавливается в виде плоскопараллельной пластинки.

К основным недостаткам прототипа следует отнести снижение точности измерений за счет смещения светового пучка, прошедшего через образец, при его повороте, а также сложностТГконструкции.

Смещение светового пучка при повороте образца приводит (с-очЪйь жестким требованиям k качеству изготовления оптических элементов (обьёктивов, зеркал, светоделителей), т.е. принтом интерферируют не одноименные лучи света и погрешности изготовления непосредственно складываются с погрешностью определения величины изменения порядка интерференции. Это также накладывает ограничение на максимальный диаметр световых пучков(при допустимой погрешности 0,01 полосы диаметр не более нескольких миллиметров); к уменьшению контраста интерференционных полос по мере разворота образца и к их полному исчезновению в области фотоприемника при смещении, равном половине диаметра световых пучков. Это накладывает существенные ограничения на величину диапазона углов поворота образца. Величина смещения определяется следующей формулой:

d-|.,ina.Cl-Vni fynag KB

где I - толщина образца;

G - угол поворота;

п - показатель преломления.

Из (1) следует, что при мм, п 1,6 и диаметре светового пучка 6 мм, максимальный угол, на который можно развернуть образец, равен 40°.

Ограничение величины диапазона углов поворота образца также снижает точность определения показателя преломления. Действительно, чем больше угол поворота образца, тем больше число пробежавших интерференционных полос N, т.е. при постоянной погрешности определения числа пробежавших полос A N, относительная

погрешность 5N -in- с увеличением угла поворота уменьшается. Погрешность определения показателя преломления Дп можно рассчитать по следующей эмпирической формуле:

An-ffi m n-jFm

(0,79 Ом) где Ом - величина максимального угла разворота образца,град;

I - число контролируемых углов разворота образца.

Из (2) видно, что с уменьшением угла поворота образца погрешность определения показателя преломления увеличивается,

Цель изобретения - повышение точности измерений и упрощение конструкции устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения показателя преломления, содержащее последовательно расположенные источник монохроматического излучения, обьектив, устройство

поворота, исследуемого образца, а также систему анализа интерференционной картины, введены плоское зеркало, установ-, ленное по ходу излучения за устройством поворота исследуемого образца перпендикулярно оптической оси, и светоделитель, отражающая грань которого ориентирована под углом 45° к оптической оси, расположенный между источником монохроматического излучения и объективом, а система

анализа интерференционной картины расположена в плоскости автоколлимационного изображения источника излучения, сформированного объективом с помощью зеркала и светоделителя.

Определение показателя преломления и толщины исследуемого образца проводится путем измерения количества интерференционных полос, прошедших через систему анализа, в зависимости от угла поворота образца. При этом величину показателя преломления п образца и его толщину I находят из решения системы уравнений

40

-sln2ai -cosai-n + 1

2e

N1 f -sin2«i -cosai-n + 1

(3)

где а - текущий угол разворота образца

(угол между нормалью к образцу и оптической осью);

А-длина волны источника излучения; NI - количество прошедших интерфе- ренционных полос при развороте образца

от О)

Повышение точности в заявляемом техническом решении достигается за счет уменьшения влияния внешних воздействий (вибраций, конвекционных потоков воздуха), обеспечения возможности проведения измерений в широком диапазоне углов поворота исследуемого образца,(0 + 90°) и двойного прохождения света через образец.

Уменьшение влияния внешних воздействий происходит за счет того, что в отличие от прототипа оба интерферирующих световых пучка формируются одними и теми же элементами устройства, что уменьшает вли- яние вибраций, и пространственно расположены близко друг к другу, что уменьшает влияние конвекционных потоков воздуха.

Возможность проведения измерений при больших углах разворота образца обес- печивается путем устранения смещения интерферирующих световых пучков в области формирования интерференционной картины за счет автоколлимационного отражения прошедшего через образец света от введен- иого плоского зеркала. При этом погрешность изготовления оптических элементов значительно меньше, чем в прототипе, будет влиять-на точность определения показателя преломления.

Как следует из (2), с увеличением угла поворота образца точность определения показателя преломления увеличивается. Например, для образца с I 10 мм, п 1,6. при максимальном угле разворота Ом - 40° и при числе контролируемых углов 1 10, погрешность в определении показателя преломления составит Дп 21103.

При тех же условиях, но при увеличении максимального угла поворота до 80°, по- грешность в определении показателя преломления будет А п 4,8 10 . Таким образом, точность определения показателя преломления возросла приблизительно в 40 раз.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для определения показателя преломления.

Устройство содержит последовательно расположенные источник монохроматического излучения 1, светоделитель 2, обьек- тив 3, диафрагму 4, устройство поворота исследуемого образца 5, зеркало б, а также систему анализа интерференционной картины 7. Исследуемый образец 8 закреплен на оси устройства поворота 5.

Устройство работает следующим образом.

Источник монохроматического излучения 1 с помощью объектива 3 и диафрагмы 4 формирует плоскую световую волну, одна часть которой проходит мимо исследуемого

образца 8 и является опорной, а другая часть дважды проходит через образец 8. Отразившись от зеркала 6, обе волны попадают в объектив 3, который с помощью светоделителя 2 формирует в своей фокальной плоскости интерференционные полосы. Регистрация и обработка интерференционной картины осуществляется системой анализа интерференционной картины 7. При развороте исследуемого образца 8 с помощью устройства поворота 5 фаза светового пучка, прошедшего через образец, изменяется, что приводит к перемещению интерференционных полос в плоскости регистрации. Система анализа 7 регистрирует число прошедших интерференционных полос NI; в зависимости от величины угла поворота образца а который измеряется с помощью датчика угловых перемещений. Подстановкой измеренных значений NI и GI в систему уравнений (3) определяются показатель преломления п и толщина I образца. Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет повысить точность измерений, снизить требования к качеству оптических деталей, уменьшить влияние внешних условий на результат измерений, а также упростить конструкцию устройства.

Формула изобретения Устройство для определения показателя преломления, содержащее последовательно расположенные источник монохроматического излучения, объектив, устройство поворота исследуемого образца, а также систему анализа интерференционной картины, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и упрощения конструкции, в него введены плоское зеркало, установленное по ходу излучения за устройством поворота после исследуемого образца перпендикулярно оптической оси, и светоделитель, отражающая грань которого ориентирована под углом 45° к оптической оси, расположенный между источником монохроматического излучения и объективом, а система анализа интерференционной картины расположена в плоскости автоколлнмационного изображения источника излучения, сформированного объективом с помощью зеркала и светоделителя.

$л

/ / / / /

/ / / / /

У

ф

Сущность изобретения: устройство содержит светоделитель и последовательно расположенные источник монохроматического излучения, объектив, диафрагму и устройство поворота исследуемого образца, а также систему анализа интерференционной картины, плоское зеркало, расположенное за устройством поворота исследуемого образца перпендикулярно оптической оси, при этом светоделитель расположен за источником монохроматического излучения и ориентирован под углЬм 45° к оптической оси, а система анализа интерференционной картины расположена в плоскости изображения источника излучения, сформированного объективом и светоделителем. 1 ил. Ё