Устройство для измерения распределения показателя преломления градиентных оптических заготовок

Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно, к устройствам измерения показателя преломления оптических материалов.

Известны устройства, предназначенные для измерения показателя преломления кристаллов (кристалорефрактометры) по нарушению полного внутреннего отражения (Г.В. Креопалова, Н.Л. Лазарева, Д.Т. Пуряев, Оптические измерения: Учебник для ВУЗов, М.: Машиностроение, 1987 г. - 264 стр.). Кристалорефрактометр состоит из эталона, выполненного в виде сплошной полусферы из стекла с большим показателем преломления, конденсора, собирающего излучение от источника излучения. Исследуемый кристалл должен иметь одну плоскую полированную поверхность. Исследуемый кристалл кладут полированной плоскостью на плоскую поверхность эталона, и на границу кристалла и эталона направляют сходящийся пучок света, сформированный конденсором. Лучи падающие на поверхность кристалла под углами больше предельного угла полного внутреннего отражения полностью отражаются в среду эталона. Остальные лучи, падающие под углами меньше критического, проникают в кристалл и лишь частично отражаются в среду эталона. В отраженном свете наблюдаются две области: светлая, образованная полностью отраженными лучами, и полутемная, образованная частично отраженными лучами. Граница раздела соответствует лучам, отраженным под предельным углом полного внутреннего отражения. Можно рассчитать показатель преломления кристалла, по угловому положению границы раздела светлой и полутемных областей относительно нормали к плоской поверхности эталона.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения распределения показателя преломления градиентных оптических заготовок (Патент Японии №63-275936, 11.1988 г.), состоящее из эталона, выполненного в виде полусферы из стекла с показателем преломления n_э, конденсора, фокусирующего лазерный луч и приемника излучения. Измеряемая заготовка устанавливается на плоскую поверхность эталона на оптический контакт. Лазерный луч фокусируется конденсором в точку измерений, лежащую на поверхности контакта сред измеряемой заготовки и эталона. Лучи падающие под углами больше критического угла полного внутреннего отражения полностью отражаются, лучи же падающие под углами меньше критического угла полного внутреннего отражения частично проходят в среду измеряемой заготовки, частично отражаются и формируют область тени. Измеряется критический угол полного внутреннего отражения, по положению границы темной и светлой областей, и определяется показатель преломления в точке измерений. Измерение распределения показателя преломления производится путем смещения измеряемой заготовки по плоской поверхности эталона и измерения локального показателя преломления в серии точек на поверхности измеряемой заготовки.

Недостатками выше обозначенного устройства являются значительная длительность процесса измерения распределения показателя преломления, вызванная необходимостью измерения показателя преломления в каждой точке образца отдельно, а также необходимость использования сложного прецизионного оборудования для механического перемещения измеряемой заготовки по поверхности эталона и неизбежные механические повреждения при этом поверхности эталона, что приводит к сокращению срока службы дорогостоящей высокоточной детали.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение заключается в увеличении срока службы эталона, уменьшении времени измерения распределения показателя преломления и упрощении системы крепления измеряемой заготовки.

Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для измерения распределения показателя преломления градиентных заготовок,состоит из оптической системы конденсора, эталона, выполненного в виде полусферы из стекла с показателем преломления n_э и приемника излучения и отличается тем, что оптическая система конденсора выполняется такой, что на плоскость соприкосновения эталона и измеряемой заготовки падает негомоцентрический пучок лучей, сходящихся в сечении, параллельном плоскости падения, и параллельных в сечении, перпендикулярном плоскости падения, образующаяся при этом линия фокусировки совмещена с плоскостью соприкосновения сред измеряемой заготовки и эталона. Распределение показателя преломления в точках измеряемой заготовки, расположенных вдоль линии фокусировки освещающего пучка, определяют по координатам светотеневой границы в плоскости приемника излучения и углу между прямой, соединяющей центр чувствительной площадки приемника излучения с центром кривизны сферической поверхности эталона, и нормалью к поверхности соприкосновения измеряемой заготовки и эталона.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является:

- снижение механических нагрузок на рабочую поверхность эталона при измерении и, соответственно, уменьшение вероятности механического повреждения эталона при измерении, увеличение срока службы эталона;

- упрощение устройства крепления измеряемой заготовки на эталоне, путем исключения необходимости применения точных механизмов позиционирования и перемещения измеряемой заготовки относительно эталона;

- сокращение времени, требуемого на измерение распределения показателя преломления одной заготовки, за счет определения показателя преломления по всей глубине градиентного слоя по одной светотеневой картине, что дает возможность применять предлагаемое устройство для экспресс анализа.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:

На фиг. 1 - Структура негомоцентрического пучка и формирование светотеневой картины при его отражении от границы «эталон-измеряемая заготовка»;

На фиг. 2 - Структурная схема установки измерения распределения показателя преломления;

На фиг. 3 - Ход лучей в оптической системе конденсора, формирующего негомоцентрический пучок;

На фиг. 4 - Структура свето-теневой картины и определение показателя преломления в заданной точке измеряемой заготовки.

Примером практической реализации изобретения является следующая установка на базе углоизмерительного прибора - гониометра (см. Фиг. 2), состоящая из:

- Оптической системы конденсора 4, формирующей негомоцентрический пучок лучей;

- Эталона 5 выполненного в виде полусферы из стекла с показателем преломления выше показателя преломления измеряемой заготовки;

- Измеряемой заготовки 6, установленной на плоскую поверхность эталона 5;

- Приемника излучения 7, регистрирующего отраженное от поверхности контакта эталона и заготовки излучение.

Эталон 5 выполняется из стекла с показателем преломления n_э, который априори больше чем показатель преломления измеряемой заготовки. На поверхности измеряемой заготовки 6 полируется площадка параллельная направлению изменения показателя преломления. И заготовка устанавливается на оптический контакт с плоской поверхностью 3 эталона 5. Эталон вместе с измеряемой заготовкой устанавливается на столик гониометра и центр сферической поверхности эталона совмещается с осью вращения столика. В осветительной ветви гониометра устанавливается конденсор 4, формирующий астигматический пучок лучей, коллимированный в одном сечении и сходящийся в другом (см. Фиг 3). В регистрирующей ветви гониометра монтируется приемник излучения 7, например фото-видеокамера, как можно ближе к поверхности эталона (см. Фиг. 2).

Устройство работает следующим образом. Оптическая система конденсора формирует негомоцентричный пучок, который в плоскости падения является сходящимся Фиг. 3б, а в перпендикулярной плоскости параллельным Фиг. 3а. Такой пучок фокусируется в прямую линию 9 Фиг. 3в.

Линия фокусировки 9 совмещается с границей эталона и измеряемой заготовки 3 и располагается вдоль направления градиента показателя преломления (см. Фиг. 1).

Формирование светотеневой границы поясняется Фиг. 1. В каждую точку линии 9 падает сходящийся в плоскости падения пучок 1, часть лучей с углами падения меньше критического преломятся и попадут в среду измеряемой заготовки, а оставшиеся претерпят полное внутреннее отражение и сформируют теневую картину в отраженном свете 2.

Рассмотрим два пучка лучей: A₁B₁O₁ и А₂В₂О₂ падающие в точки контакта сред эталона и измеряемой заготовки О₁ и O₂. Из-за того показатели преломления измеряемой заготовки в этих точках отличаются, различны и предельные углы полного внутреннего отражения и, следовательно, в точке O₁ отразятся лучи, падающие под углами больше φ₁, а в точке О₂ под углом φ₂. Таким образом, в отраженном свете наблюдаемая свето-теневая граница имеет вид не прямой, как в случае однородного материала измеряемой заготовки, а некой кривой, повторяющей профиль распределения ПП вдоль линии фокусировки 9. Пример свето-теневой картины показан на Фиг. 4.

Для определения показателя преломления в точке измеряемой заготовки A, расположенной на расстоянии R от его поверхности, необходимо определить критический угол полного внутреннего отражения в этой точке. Для этого по теневой картине определяется абсцисса Х₀ точки А', расположенной на границе свет-тень в плоскости приемника излучения (см. Фиг 4). Тогда критический угол полного внутреннего отражения ε_A для точки измеряемой заготовки А определяется по формуле:

где S_ПИ - расстояние от центра эталона до приемника излучения (см. Фиг 2). Тогда показатель преломления в точке измеряемой заготовки, расположенной на расстоянии R_Об от его поверхности можно рассчитать по формуле: