УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОБРАЗЦА

Полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам определения показателя преломления образца и может быть использована в качестве средства измерений на основе лазерной динамической гониометрии для высокоточных измерений показателя преломления твердых и жидких веществ.
Высокоточные измерения показателя преломления необходимы в оптической промышленности для повышения качества и надежности оптических приборов, в химической, пищевой промышленности, а также фармакологии и медицине. Традиционно в качестве материального носителя единицы показателя преломления твердого вещества используются образцы, изготовленные из оптического бесцветного стекла. Основными оптическими характеристиками бесцветных оптических стекол являются показатель преломления и дисперсия. Для вычисления коэффициентов дисперсии стекла необходимо измерить значения показателя преломления на нескольких длинах волн (согласно ГОСТ 13659-78 «Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Основные параметры»). Способы измерения и передачи единицы показателя преломления напрямую влияют на точность и по этой причине имеют важное значение при обеспечении единства измерений.
-4
-5
Для измерения показателя преломления твердых и жидких прозрачных веществ наиболее широко применяются рефрактометрические и гониометрические методы. Рефрактометрические методы обеспечивают достаточно высокую точность измерения показателя преломления порядка 10÷10.
Из уровня техники известно устройство для измерения показателя преломления, содержащее источник света, оптический элемент, выполненный в виде призмы из стекла с высоким показателем преломления, рабочая грань которой соприкасается с исследуемым веществом, соответствующее матричное фотоприемное устройство (МФПУ), микропроцессор и дисплей, подключенный к информационному выходу микропроцессора (см. патент RU 2562270, кл. G01N 21/43, опубл. 10.09.2015). В известном устройстве пучок света формируют от нескольких источников света различной длины волны (RGB светодиоды) и преобразуют в единый расходящийся пучок света, который направляют на матричный фотоприемник, спектральная чувствительность которого соответствует спектрам излучения источников света. Функциональную зависимость показателя преломления от длительности импульса спектрального сигнала с фотоприемника для каждого конкретного устройства (рефрактометра) определяют хорошо известным способом тарировки по эталонным жидкостям с известными показателями преломления, например, калиброванным водным растворам кислот, солей, сахарозы и др.
Из уровня техники известен рефрактометр для многоволнового измерения показателя преломления образца, содержащий: дисперсионную оптическую систему с дифракционной решеткой, цилиндрическую линзу для коллимирования спектрально расширенного оптического луча и фокусирующую оптическую систему для направления коллимированного луча на границу раздела между образцом и призмой в диапазоне углов падения, включая критический угол (см. патент US 9194798, кл. G01N 21/41, опубл. 24.11.2015). Разложение света по длинам волн происходит вдоль одной из осей, где распространяется коллимированный пучок, таким образом, что получается двумерное спектральное изображение. Это изображение имеет пиксельные координаты, связанные с диапазоном длин волн по одной оси и углом падения по другой. Принцип измерения показателя преломления основан на нахождении критического угла полного внутреннего отражения от поверхности границы раздела сред.
Однако известные устройства имеют ряд недостатков, связанных с высокой трудоемкостью процедуры измерений. Большинство промышленных рефрактометров работают по принципу полного внутреннего отражения или нарушенного полного внутреннего отражения, в связи с чем при измерении показателя преломления твердых образцов необходимо применение иммерсионных жидкостей, которые в большинстве токсичны. Также предъявляются требования и к форме исследуемого образца. Он должен быть изготовлен в виде параллелепипеда или трехгранной призмы. Кроме того, главным недостатком такого способа измерения критического угла и, соответственно, показателя преломления, является низкая точность.
Из уровня техники известно устройство для измерения показателя преломления призм, включающее в себя источник излучения и фотодетектор, которые имеют возможность вращаться вокруг призмы на общей оси (см. патент US 8692985, кл. G01N 21/41, опубл. 08.04.2014). Одна из реализаций устройства позволяет быстро измерять показатель преломления на множестве длин волн. Однако недостатком известного устройства является тот факт, что для определения показателя преломления на каждой длине волны используется диспергатор, который расположен в одном плече с детектором и передает рассеянный пучок излучения на различные участки фотоприемника. В указанном методе вместо автоколлимационной регистрации сигналов используется матрица для регистрации диспергированного пучка света. Данное решение позволяет одновременно получать пространственное распределение пиков интенсивности спектра источника. В качестве излучателя в этом случае используется спектроскопическая лампа. Такая реализация не дает достаточной точности ввиду проблем согласования плеч источника и приемника излучения. Кроме того, ввиду конструкции плеч невозможно использовать кольцевой лазер совместно с автоколлиматором для измерения углов, что не позволяет достигнуть высоких точностей.
Из уровня техники известен более точный методом измерения показателя преломления - гониометрический метод. Реализующее его устройство для измерения показателя преломления прозрачных материалов в форме призмы содержит поворотную платформу, предметный стол, автоколлиматор и зеркало (см. а.с. SU 1578599, кл. G01N 21/41, опубл. 15.07.1990). Угловое положение поворота платформы в такой схеме измеряется с высокой точностью благодаря использованию в конструкции кольцевого лазера. Точность данного метода может быть улучшена посредством использования динамического режима и усреднений результатов измерений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является устройство определения показателя преломления образца, содержащее единое основание, закрепленный на нем источник излучения линейчатого спектра с автоколлиматором, горизонтальный стол для образца и вертикальное плоское подвижное зеркало, обращенное внутренней стороной с отражающим покрытием к образцу и установленное с возможностью перемещения в плоскости указанного стола вокруг его центральной оси на приводной консоли, снабженной блоком определения ее углового перемещения (см. патент JP 2010243241, кл. G01N 21/41, опубл. 28.10.2010). Недостатками такого устройства являются относительно низкие скорость и точность измерений.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в упрощении процедуры определения показателя преломления образца при сохранении высокой точности измерений. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в устройстве определения показателя преломления образца, содержащем единое основание, закрепленный на нем источник излучения линейчатого спектра с автоколлиматором, горизонтальный стол для образца и вертикальное плоское подвижное зеркало, обращенное внутренней стороной с основным отражающим покрытием к образцу и установленное с возможностью перемещения в плоскости указанного стола вокруг его центральной оси на приводной консоли, снабженной блоком определения ее углового перемещения, консоль выполнена с возможностью совершения полного оборота вокруг указанного стола, причем орбита вращения подвижного зеркала находится между образцом и автоколлиматором, а само подвижное зеркало на наружной стороне снабжено дополнительным отражающим покрытием. Блок определения углового положения подвижной консоли предпочтительно снабжен кольцевым лазером. Дополнительное отражающее покрытие предпочтительно выполнено с меньшим коэффициентом отражения, чем основное отражающее покрытие. Стол для образца предпочтительно выполнен поворотным. Источник излучения линейчатого спектра предпочтительно выполнен в виде, по меньшей мере, двух лазеров с объединенным оптоволоконным выводом. Автоколлиматор может быть выполнен в виде интерференционного или фотоэлектрического автоколлиматора. Привод консоли, блок определения ее углового положения и детектор автоколлиматора предпочтительно подключены к единому блоку управления и обработки.
На фиг. 1 представлен общий вид предлагаемого устройства; на фиг. 2 - то же, вид сбоку;
на фиг. 3 - схема измерения показателя преломления призмы с использованием двухстороннего зеркала (вид сверху) в момент регистрации первого сигнала с помощью нуль-индикатора от внешней стороны зеркала;
на фиг. 4 - то же в момент регистрации одного из сигналов, полученного от внутренней поверхности зеркала на одной дискретной длине волны.
Предлагаемое устройство измерения показателя преломления призматического образца 1 представляет собой горизонтальный поворотный стол 2, закрепленный на едином основании 3 с приводной консолью 4 и автоколлиматором 5 (интерференционным или фотоэлектрическим). Приводной двигатель консоли 4 и столика 2 размещен внутри основания 3.
На консоли 4 с возможностью перемещения в плоскости стола 2 вокруг его центральной оси установлено вертикальное плоское подвижное зеркало 6 с основным отражающим покрытием на внутренней стороне, обращенной к образцу 1, и дополнительным отражающим покрытием с меньшим коэффициентом отражения на наружной стороне. Консоль 4 снабжена блоком определения ее углового перемещения с кольцевым лазером, расположенным в основании 3, и выполнена с возможностью совершения полного оборота вокруг стола 2. При этом орбита вращения подвижного зеркала 6 на консоли 4 находится между образцом 1 и автоколлиматором 5.
Вход автоколлиматора соединен посредством оптоволокона 7 с источником излучения линейчатого спектра в виде, по меньшей мере, двух лазеров 8 с объединенным оптоволоконным выводом 9.
Привод консоли 4, блок определения ее углового положения и детектор автоколлиматора 5 подключены к единому блоку управления и обработки. Автоколлиматор 5 при этом выполнен с возможностью выполнения функции нуль-индикатора в режиме счетчика импульсов, который обеспечивает угловую привязку всех отражающих элементов схемы. Автоколлиматор 5 формирует и направляет на призму 1 плоский пучок излучения 10, а затем вырабатывает электрический сигнал в тот момент времени, когда отраженный назад пучок распространяется строго по направлению освещающего пучка.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. От двигателя в основании 3 приводится во вращение поворотный стол 2. Излучение 10, содержащее дискретный спектр длин волн, выходит из нуль-индикатора (автоколлиматора) 5 в виде параллельного пучка, оптическая ось которого коллинеарна нормалям к рабочим граням призмы 1 и нормалям к отражающим поверхностям двустороннего зеркала 6. Нуль-индикатор (автоколлиматор) 5 регистрирует излучение, отраженное от двустороннего зеркала в те моменты времени, когда это излучение распространяется строго вдоль оптической оси автоколлиматора, и генерирует электрические импульсы, которые регистрируется блоком обработки информации и являются исходной информацией для вычисления углов поворота двустороннего зеркала 6.
1
2
3
n
При включении гониометра начинается непрерывное вращение консоли 4 с двухсторонним зеркалом 6. Поворотный стол 2 с призмой 1 неподвижен. Первый автоколлимационный сигнал с нуль-индикатора (автоколлиматора) 5 возникает при отражении луча от внешней по отношению к оси вращения зеркальной поверхности двухстороннего зеркала 6 (см. фиг. 3). Он задает начало отсчета угловых измерений. Следующие сигналы возникают от лучей, прошедших через призму 1, которые разделились в пространстве и отразились назад от внутренней поверхности зеркала 6 (см. фиг. 4). По этим сигналам определяются первоначальные углы отклонения луча ε по отношению к падающему лучу для дискретных длин волн (λ, λ, λ, … λ), содержащихся в исходном пучке 10.
Поскольку пучок излучения 10 формируется несколькими монохромными источниками излучения 8, за один полный поворот консоли 4 с двухсторонним зеркалом 6 получают ряд сигналов, содержащих информацию об углах отклонения для всех длин волн, содержащихся в исходном пучке 10.
Из описанного принципа работы видно, что все сигналы с нуль-индикатора (автоколлиматора) 5 возникают от излучения, отраженного от двух разных сторон зеркала. В первом (фиг. 3) и во втором (фиг. 4) случае амплитуда регистрируемого сигнала будет отличаться ввиду того, что во втором случае излучение будет многократно проходить через призму 1. Сигналы различного уровня могут негативно повлиять на точность определения угловых положений при измерении углов отклонения, и для минимизации этого эффекта на внешнюю сторону зеркала 6 подбирается покрытие с меньшим коэффициентом отражения, чем на внутреннюю. Чтобы реализовать данное техническое решение можно закрепить на внешней поверхности зеркала оптические фильтры или скрещенные поляризаторы, или применить другой метод изменения коэффициента отражения для его регулировки.
min
Для вычисления показателя преломления необходимо выполнить измерения преломляющего угла исследуемой призмы и угла наименьшего отклонения ε. Реально на динамическом гониометре проводится измерение угла Ψ, смежного с углом отклонения ε:
Основное уравнение измерения показателя преломления (формула Френеля):
min
где α - преломляющий угол призмы; ε - угол наименьшего отклонения падающего луча от своего первоначального направления.
Для измерения показателя преломления призмы необходимо знать ее преломляющие углы α. Для этого зеркало 6 исключаются из процесса измерений, а призму 1 устанавливают на вращающемся столе 2 динамического гониометра таким образом, чтобы пучок лучей, сформированный нуль-индикатором (автоколлиматором) 5, отражался от всех рабочих граней. Таким образом, призма совершает непрерывное вращение, а нуль-индикатор (автоколлиматор) 5 вырабатывает электрический сигнал в тот момент времени, когда отраженный назад световой пучок распространяется строго по направлению освещающего пучка света 10. Результатом обработки полученной информации являются измеренные значения преломляющих углов призмы 1. Для того, чтобы исключить систематическую погрешность гониометра, призму 1 поворачивают на 180° относительно первоначального положения на поворотном столе 2, и повторяют измерения. Полученные две серии результатов измерений подвергают статистической обработке, и затем полученные пары результатов усредняют.
i
min
Следующий этап измерений заключается в измерении угла наименьшего отклонения ε. Для его нахождения в автоматическом режиме проводится серия измерений угла отклонения ε для различных угловых положений призмы ϕ, посредством поворота стола 2, далее строится экспериментальная зависимость ε(ϕ), которая аппроксимируется полиномом и по нему численным способом вычисляется минимальное значение ε.
Затем вычисляется показатель преломления по формуле Френеля. Значение показателя преломления вычисляется с учетом параметров окружающей среды в момент измерения. Значения показателя преломления могут быть определены для конкретных дискретных длин волн.
Благодаря вышеописанным конструктивным особенностям, предлагаемое устройство позволяет значительно упростить процесс определения показателя преломления путем автоматизации (за счет обеспечения самокалибровки при полном обороте двухстороннего зеркала), а также повысить скорость и увеличить диапазон измерений (за счет одновременного использования нескольких лазеров), в том числе в УФ-, и ИК- части спектра.