Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ малой толщины и небольших размеров

Авторы патента:

Осипов Владимир Васильевич (RU)

Каширин Владимир Ильич (RU)

Орлов Альберт Николаевич (RU)

G01N21/41 - преломляющая способность; свойства, влияющие на фазу, например длину оптического пути (G01N 21/21 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2615662:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к рефрактометрам. Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ образцов с толщиной 0,2-1 мм. и размером 5-12 мм, содержит: блок со сменными лазерными диодами, излучающими в диапазоне длин волн 400-1100 нм, устройство для формирования узкого пучка лучей шириной от 60-120 мкм, образец в виде плоскопараллельной пластины, дополнительный прозрачный оптический элемент, установленный с исследуемым образцом под одним и тем же углом падения, систему регистрации величины смещения светового луча, представляющую собой ПЗС-матрицу с разрешением 2592х1944 пикселей и больше. Технический результат заключается в сокращении времени и увеличении точности измерений показателя преломления света. 3 ил.

Изобретение относится к оптике и может быть использовано в качестве рефрактометра для измерения показателя преломления различных прозрачных и полупрозрачных твердых веществ, в частности - оптической керамики.

Экспериментальные образцы оптической керамики из новых наноматериалов после механической обработки обычно имеют толщину 0.5-1 мм с большими значениями показателя преломления (порядка 2) и малыми поперечными размерами 8-12 мм [1], что накладывает ограничения при выборе методов измерения дисперсии.

В нашей стране и за рубежом рефрактометры для измерения показателя преломления веществ (n) с n~2.0 в диапазоне длин волн 400-1100 нм ввиду их специфики и ограниченного применения серийно не выпускаются. Аналогами данного изобретения являются рефрактометры ИРФ-456, ИРФ-454 Б2М и DR-M4 для измерения показателя преломления на фиксированных длинах волн.

Рефрактометр ИРФ-456, устройство и принцип действия которого описаны в работе [2], предназначен для непосредственного измерения показателей преломления жидких и твердых тел. Рефрактометр может быть применен в медицине, в химической, фармацевтической, пищевой промышленности и других областях. Измеряемые показатели преломления должны находиться в диапазоне 1.3-1.5.

Рефрактометр ИРФ-454 Б2М с подсветкой, производства Казанского оптико-механического завода, имеет диапазон измеряемых показателей преломления только от 1.2 до 1.7 [3].

Для многоволновых Аббе-рефрактометров DR-M4 японской фирмы ATAGO [4] диапазон измерения показателя преломления значительно выше и составляет 1.5164-1.9164 (для λ=450 нм), 1.4700-1.8700 (для λ=589 нм), 1.4558-1.8557 (для λ=680 нм), 1.4304-1.8303 (для λ=1.100 нм).

Как можно заметить, с помощью известных приборов невозможно определить показатели преломления веществ с n≥1.83 в ближней ИК-области, а длины волн можно установить только дискретно.

Хотя метод смещения луча плоскопараллельной пластиной и рассматривается наряду с другими в числе прочих методик для определения показателя преломления, но к настоящему моменту описание серийных приборов и патентов для определения показателя преломления методом смещения луча от плоскопараллельной пластины авторами не обнаружено, за исключением [5]. Также можно отметить работу Смирновой Л.С. [6], где представлен аналогичный способ регистрации лучей при определении показателя преломления, но для клиновидных, толстых образцов и при нормальном падении луча на образец.

Таким образом, за прототип к настоящему изобретению можно принять оптическое устройство, описанное в [5], где показатель преломления твердого материала определяется методом смещения лазерного луча при его наклонном падении на поверхности плоскопараллельной пластины.

Сущность изобретения по [5] состоит в следующем. Узкий пучок лучей света от источника излучения под определенным углом направляется на плоскопараллельную пластину и, преломляясь на ней, смещается на некоторое расстояние параллельно самому себе относительно своего первоначального направления; измерению подлежит величина смещения пучка лучей. Для повышения точности измерений используются дополнительный прозрачный оптический элемент (эталон) с известными показателем преломления и геометрическими размерами, а также точная система с шаговым двигателем с дискретностью шага менее 0,05 мкм, используемая для формирования и сканирования узких пучков лучей. Для непрерывного изменения длины волны используется монохроматор, работающий в диапазоне длин волн от 200 до 1200 нм. Размер измерительного пучка в поперечном сечении s<1 мм. Таким образом, изобретение-прототип позволяет измерять показатель преломления оптической керамики из Nd:Y₂O₃ с точностью Δn=±0.004.

Недостатками установки по [5] являются: длительность времени измерений (около одного часа), необходимость использования высокоточного электрического привода и монохроматора, усложняющих устройство и существенно увеличивающих его геометрические размеры.

Задачей настоящего изобретения является создание оптического устройства для определения показателя преломления прозрачных твердых материалов с оптической плотностью выше 1.83 при λ=1100 нм на образцах малой толщины (0.3-1.0 мм) и небольших поперечных размеров (5-8 мм) на фиксированных длинах волн в диапазоне от 400 до 1100 нм, позволяющее сократить время измерений до 2-3 мин и обеспечить точность определения показателя преломления Δn=±0.004.

Поставленная задача достигается с помощью оптического устройства, в состав которого входят следующие основные части: блок диодных лазеров с фиксированными длинами волн в диапазоне спектра 400-1100 нм; механическое устройство, формирующее узкий световой пучок шириной 80-90 мкм; высокочувствительная ПЗС-матрица с высоким разрешением, например, 2592×1944 пикселей; специализированная программа, производящая обработку снимка узких пучков в цифровом формате и оптимизирующая полученные данные; дополнительная прозрачная плоскопараллельная пластина (эталон) с известными показателем преломления и геометрическими размерами. Описанное устройство основано на методе смещения луча плоскопараллельной пластиной.

Отличительными особенностями настоящего изобретения от прототипа являются: использование в качестве источника излучения вместо монохроматора с лампой накаливания - лазерных диодов, вместо детекторов излучения типа ФЭУ - ПЗС-матрицы высокого разрешения, а вместо механического сканирования узких пучков лучей - программная обработка зафиксированных снимков в цифровом формате.

Устройство для формирования узкого (60-120 мкм) измерительного светового пучка лучей и дополнительный прозрачный оптический элемент (эталон) с известными показателем преломления и геометрическими размерами для определения точного угла падения луча на плоскопараллельную пластину используются в предлагаемой заявке без каких-либо изменений.

Одновременная регистрация на ПЗС-матрице трех сигналов (опорного, эталонного и измеряемого) делают совершенно излишней точную систему сканирования оптического сигнала щелью шириной 10-30 мкм посредством шагового двигателя с величиной дискретного шага порядка 0,05 мкм.

Для смены длины волны излучения поочередно устанавливаются разные диодные лазеры, излучающие на длинах волн в диапазоне от 400 до 1100 нм; для регистрации световых пучков применена ПЗС-матрица, чувствительная в видимой и ближней ИК-области спектра. Спектральный диапазон измерений определяется спектральным диапазоном чувствительности ПЗС-матрицы.

Указанные отличия в предлагаемом оптическом устройстве позволяют измерять показатели преломления n≥1.83 (при 1100 нм) прозрачных твердых веществ малой толщины (0,2-1 мм) и небольших размеров (5-12 мм), в широком диапазоне длин волн (400-1100 нм) за 2-3 мин вместо 60.

Сущность заявляемого изобретения поясняется блок-схемой усовершенствованной измерительной установки (фиг. 1), схемой расположения пучков лучей на ПЗС-матрице (фиг. 2) и оптической схемой преломления луча на плоскопараллельной пластине (фиг. 3).

На фиг. 1 представлена блок-схема установки: 1 - блок со сменными лазерными диодами, излучающими на разных длинах волн; 2 - блок с образцом и/или эталоном; 3 - ПЗС-матрица; 4 - преобразователь сигналов; 5 - компьютер. На фиг. 2 - схема расположения на изображении следов от пучков лучей, где 6 - опорный пучок, 7 - пучок, отклоненный эталонным образцом, 8 - пучок, отклоненный исследуемым образцом. На фиг. 3 изображена оптическая схема распространения лазерного луча через плоскопараллельную пластину.

Для определения показателя преломления n образца на основе блока с лазерными диодами и ПЗС-матрицы был собран комплексный прибор, блок-схема которого показана на фиг. 1. Лазерное излучение, сформированное в виде узкого пучка лучей, под определенным углом (см. фиг. 1 и 3) направляется на исследуемый образец и дополнительный прозрачный оптический элемент (эталон - 2). Далее пучок лучей преломляется исследуемым и эталонным образцами, смещается ими на разные расстояния (см. фиг. 2) и попадает на ПЗС-матрицу высокого разрешения, изображения с которой через преобразователь сигналов (4) поступают через USB-разъем на компьютер, где фиксируются в виде цифровых снимков.

Полученные с ПЗС-матрицы данные на экране компьютера (5) представляются в виде изображения четырех линий (см. фиг. 2). Высота падающего пучка лучей выбирается так, чтобы его верхняя и нижняя части, проходя мимо плоскопараллельных пластин образца и эталона, распространялись далее без преломления и формировали на ПЗС-матрице два следа опорного пучка (6).

При падении луча на образец под углом i (см. фиг. 3) происходит преломление луча до угла j. Выходя из образца, луч вновь преломляется и принимает направление, параллельное первоначальному. При этом преломленный луч смещается вдоль нижней плоскости образца на расстояние X.

Измерив по исследуемому образцу смещение X (расстояние между линиями 6 и 8 на фиг. 2), можно определить показатель преломления по следующей формуле

где n - показатель преломления материала, i - угол между падающим лучом и нормалью к поверхности образца, X - смещение луча от первоначального положения, d - толщина образца.

Из формулы (1) следует, что показатель преломления n можно вычислить, экспериментально, измерив угол падения i, толщину образца d и величину смещения X.

Точность определения показателя преломления исследуемого образца сильно зависит от точности нахождения угла падения i. Непосредственное измерение угла падения является отдельной сложной задачей и требует использования точных дорогостоящих оптических приборов, например, типа гониометр. Однако для этой цели применен дополнительный простой оптический элемент, эталон - плоскопараллельная прозрачная пластина из стекла марки К8 с известным показателем преломления и толщиной 1 мм. В качестве эталона можно использовать любое другое твердое прозрачное вещество с показателем преломления n больше 1,5, так как меньшее значение не обеспечивает заявленную точность при определении показателей преломления порядка 2. Зная показатель преломления n, толщину d эталона и экспериментально определив на нем величину смещения X луча (расстояние между линиями 6 и 7 на фиг. 2) посредством численного решения уравнения (1) можно найти угол падения i, по которому затем вычислить искомое значение показателя преломления исследуемого образца.

Исследуемый образец и дополнительная прозрачная плоскопараллельная пластина устанавливаются под одним и тем же углом падения i либо поочередно в держатель образцов, либо вместе параллельно друг к другу. Во втором случае процедура измерений значительно упрощается и ускоряется.

С помощью специальной программы производится попиксельное сканирование зарегистрированного изображения пучков лучей (их следов) и анализируется распределение интенсивности в поперечных сечениях пучков отклоненных лучей. Затем методом усреднения находят для эталонного и измеряемого пучков лучей положение координат X, входящих в расчетную формулу (1), и посредством численного решения уравнения (1) по известному значению показателя преломления n эталона определяется угол i падения пучка лучей на эталон и образец. По найденному углу i и координате X смещения луча, преломленного образцом, по формуле (1) вычисляется показатель преломления n исследуемого материала.

Определенный таким образом показатель преломления для образца из оксида иттрия с неодимом при использовании полупроводникового лазера (650 нм) составил 1.934, что соответствует в пределах ошибок измерений значению в работе [5]. Таким образом, заявляемое оптическое устройство позволило определить показатель преломления оптической керамики из Nd:Y₂O₃ с точностью не ниже Δn=±0.004, упростить конструкцию и ускорить измерения в 30 раз.

Заявляемое оптическое устройство может быть применено и для других целей, например, для определения клиновидности плоскопараллельных пластин при известном их показателе преломления.

Источники информации

1. Багаев С.П., Осипов В.В., Иванов М.Г., Соломонов В.И. и др. Высокопрозрачная керамика на основе Nd³⁺:Y₂O₃. // Фотоника. - 2007. -№5. - с. 24-29.

2. Иоффе Б.В. / Рефрактометрические методы химии, 3 изд., перераб., Л., Химия, 1983.

3. http://kazan-omz.ru/list/Laboratornye-pribory-1891/Refraktometr-laboratornyi-IRF-454B2M.html.

4. Многоволновые Аббе рефрактометры DR-M4. /http://www.atago.ru/stationary/abbe.html.

5. Осипов B.B., Орлов A.H., Каширин В.И., Лисенков В.В. / Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ малой толщины и небольших размеров методом параллельного смещения светового луча. Патент №2492449.

6. Смирнова Л.А. / Способ определения показателя преломления клиновидных образцов. Патент №2032166,

Оптическое устройство для определения показателя преломления прозрачных твердых веществ образцов с толщиной от 0,2 до 1 мм и размером от 5 до 12 мм, содержащее источник излучения, устройство для формирования узкого пучка лучей шириной 60-120 мкм, образец в виде плоскопараллельной пластины и дополнительный прозрачный оптический элемент с известными показателем преломления и геометрическими размерами, установленный с исследуемым образцом под одним и тем же углом падения либо поочередно в держатель образцов, либо вместе параллельно друг к другу, систему регистрации величины смещения светового луча, отличающееся тем, что в качестве источника излучения используется блок со сменными лазерными диодами, излучающими в диапазоне длин волн 400-1100 нм, а в системе регистрации и обработки данных применяется ПЗС-матрица с разрешением 2592х1944 пикселей и больше.

Изобретение используется для контроля качества многослойных сверхпроводников в процессе изготовления. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе изготовления ленточного сверхпроводника исследуемые поверхности облучают световым потоком и регистрируют параметры отраженного светового потока, по которым определяют показатели преломления слоев.

Последовательный датчик волнового фронта с большим диоптрийным диапазоном, предоставляющий информацию в реальном времени // 2573179

Последовательный датчик волнового фронта большого диоптрийного диапазона для коррекции зрения или выполнения оценочных процедур включает в себя устройство для сдвига волнового фронта и выборки волнового фронта.

Способ определения оптического метаматериала и устройство для его реализации // 2551265

Изобретение относится к получению и исследованию метаматериалов, в частности к оптической диагностике материалов с отрицательным показателем преломления. В способе определения оптического метаматериала, включающем падение коллимированного светового пучка под углом на пластинку исследуемого материала, на обе ее поверхности наносят диэлектрические и непрозрачные для светового пучка покрытия, при этом световой пучок проходит внутрь пластинки через входное окно, соизмеримое с толщиной пластинки и выполненное по центру в одном из покрытий.

Способ определения показателя преломления частиц, образующих многослойную упорядоченную структуру (варианты) // 2550159

Изобретение может быть использовано для определения показателя преломления вещества частиц, образующих упорядоченные многослойные дисперсные структуры, такие как фотонные кристаллы и коллоидные кристаллы.

Бортовое устройство оценки качества топлива // 2531657

Изобретение относится к области исследования или анализа веществ и материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к рефрактометрическим датчикам оценки качества топлива.

Устройство измерения показателя преломления // 2506568

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к рефрактометрическим средствам измерения показателя преломления жидких и пастообразных веществ, порошков и т.п.

Носитель для оптического детектирования в малых объемах образца // 2502985

Изобретение относится к носителю (11) и устройству (100) для оптического детектирования в образце (1) в камере (2) для образца. Носитель (11) содержит оптическую структуру (50) для преломления входного светового пучка (L1) в прилегающую камеру (2) для образца, а также для сбора выходного светового пучка (L2) из светового излучения, порожденного в камере (2) для образца входным световым пучком.

Способ измерения показателя преломления газовых сред // 2495387

Предлагаемое изобретение относится к оптическим измерениям. Способ измерения показателя преломления газовых сред основан на измерении частоты одночастотного перестраиваемого лазера, настроенного на максимум выбранной моды высокостабильного интерферометра Фабри-Перо, когда межзеркальное пространство заполнено газовой средой и когда оно вакуумировано.

Оптическое устройство для измерения показателя преломления прозрачных твердых веществ малой толщины и небольших размеров методом параллельного смещения светового луча // 2492449

Изобретение относится к оптике и может быть использовано для измерения показателя преломления твердых веществ. .

Способ определения параметров турбулентной атмосферы // 2488095

Изобретение относится к физике атмосферы и может быть использовано при определении структурной характеристики показателя преломления, параметра Штреля и радиуса Фрида.

Способ и устройство для измерения волнового фонда офтальмологического устройства // 2626999

Изобретение относится к области для измерения физических свойств контактных линз. В заявленном устройстве для измерения волнового фронта офтальмологического устройства и способе, реализующем заявленное устройство, производят выравнивание системы волнового фронта офтальмологической линзы, содержащей устройство для измерения физической характеристики офтальмологического устройства, выполняют оптическое измерение оптической оправки и хранение этого измерения интенсивности оптической оправки в качестве справочного файла интенсивности. Далее выполняют оптическое измерение оптической оправки с линзой, которая сформирована на ней, и сохранение файла этой интенсивности, используя программное обеспечение в процессоре, способном вычитать один файл интенсивности из, по меньшей мере, одного другого файла интенсивности для получения значения оптического волнового фронта линзы в режиме реального времени. Технический результат – повышение скорости получения точных измерений сухих контактных линз разовыми оптическими измерениями в режиме реального времени. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ определения показателя преломления оптически прозрачного материала // 2629695

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, и предназначено для определения показателя преломления оптически прозрачных материалов. Предлагается способ определения показателя преломления оптически прозрачного материала путем измерения эллипсометрических параметров Δ и ψ с последующим их расчетом. При этом предварительно спрессованный нано- или ультрадисперсный порошок помещают в воздушную среду и определяют эллипсометрические параметры Δ и ψ на воздухе, а затем рассчитывают показатель преломления исследуемого спрессованного материала на воздухе (n1), после чего помещают исследуемый спрессованный материал в оптически прозрачную иммерсионную жидкость, обеспечивающую отсутствие химического взаимодействия и хорошую смачиваемость исследуемого материала, и определяют эллипсометрические параметры Δ и ψ в иммерсионной жидкости, а затем рассчитывают показатель преломления исследуемого спрессованного материала в иммерсионной жидкости (n2), после чего рассчитывают показатель преломления исходного нано- или ультрадисперсного порошка. Данное изобретение позволяет обеспечить возможность определения показателя преломления веществ, изначально находящихся в высокодисперсном порошковом состоянии. 1 ил.

Способ определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона // 2629928

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения показателя преломления монохроматической поверхностной электромагнитной волны инфракрасного диапазона. Способ включает в себя генерацию волны на плоской поверхности образца, размещение на пути волны плоского зеркала, отражающая грань которого наклонена относительно нормали к поверхности образца в сторону направления распространения волны, регистрацию отраженного зеркалом излучения и расчет показателя по результатам измерений. Регистрацию излучения осуществляют на поверхности образца. Зеркало размещают в плоскости, не содержащей нормаль к плоскости падения излучения. При проведении измерений плавно увеличивают от нуля угол α между нормалью к плоскости образца и зеркалом, фиксируют такое его значение α*, при котором интенсивность регистрируемого излучения обнуляется. Величину показателя рассчитывают по формуле: Технический результат заключается в уменьшении продолжительности и трудоемкости измерений. 3 ил.

Способ определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра // 2634094

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра. Способ включает в себя возбуждение зондирующим пучком поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности металлического образца, измерение длины распространения ПЭВ и определение ее фазовой скорости, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по означенным ее характеристикам и определение диэлектрической проницаемости металла путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца. При проведении измерений на поверхность предварительно наносят однородный слой диэлектрика с известными оптическими постоянными толщиной от сотой до десятой доли длины волны излучения источника. Технический результат заключается в повышении точности измерений.

Способы определения характеристики изотипического состава иммунных комплексов и их применение при терапии и диагностике // 2634861

Группа изобретений относится к медицине, а именно к лабораторной диагностике, и может быть использована для определения характеристики изотипического состава иммунных комплексов в образце биологической жидкости, полученном от субъекта. Для этого проводят: (а) Обеспечение исходного образца биологической жидкости от субъекта; (б) Получение для указанного образца спектра динамического светорассеяния (ДСР), который содержит пики, соответствующие частицам разного размера, которые присутствуют в указанном образце; (в) Приведение указанного образца в контакт с по меньшей мере одним веществом, которое специфически связывается с иммуноглобулинами одного или нескольких изотипов, содержащихся в образце; (г) Удаление из указанного образца комплексов, содержащих указанное вещество с получением обработанного образца; (д) Получение спектра ДСР обработанного образца, полученного на стадии (г), который содержит пики, соответствующие частицам разного размера, которые присутствуют в указанном обработанном образце; (е) Сопоставление спектра ДСР, полученного на стадии (б), со спектром, полученным на стадии (д), на основании отличий спектра указанного обработанного образца и спектра, полученного для исходного образца, определяют характеристику изотипического состава иммунных комплексов, присутствующих в указанном образце биологической жидкости. Также предложена диагностика заболевания или состояния у субъекта на основании определения характеристики изотипического состава иммунных комплексов в образце биологической жидкости, полученном от субъекта, и набор для данной диагностики. Группа изобретений обеспечивает повышение диагностической и прогностической информативности выявления значимых для медицинских целей антигенов в биологических жидкостях. 3 н. и 32 з.п. ф-лы, 5 ил., 5 табл., 6 пр.

Способ и устройство контроля качества продукта // 2644439

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению и описывает способ контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов и устройство, реализующее предлагаемый способ. В качестве оптических характеристик продукта используют показатели преломления в нескольких спектральных диапазонах и координаты цветности. Заявленное изобретение предназначено для контроля качества продуктов путем сравнения оптических характеристик исследуемого продукта с соответствующими оптическими характеристиками эталонных продуктов, либо занесенными в предварительно сформированную базу данных, либо полученными для эталонного образца непосредственно перед измерениями исследуемого образца. Одновременно с измерением показателя преломления измеряют координаты цветности исследуемого продукта и найденные значения сравнивают с показателями преломления и координатами цветности эталонов, причем показатели преломления продукта и координаты цветности определяют по одним и тем же выходным сигналам многофункционального матричного фотоприемного устройства (ММФПУ). Устройство определения качества продуктов представляет собой устройство, содержащее блок источников света, в котором установлены светодиоды с различной длиной волны излучения R (красный), G (зеленый), В (синий). За светодиодами установлен светорассеиватель, призванный выровнять диаграммы направленности светодиодов и смешать их излучение в единый интегрированный многоспектральный световой поток. Диафрагма, формирующая расходящейся световой поток, расположена перед измерительной призмой, рабочая грань которой служит плоскостью раздела исследуемого продукта и призмы. При помещении продукта в кювету оптическая система формирует резкие границы тени и света на фоточувствительной поверхности ММФПУ для каждого спектрального диапазона. Далее полученные RGB электрические сигналы подаются на вычислительное устройство, в котором формируются показатели преломления и координаты цветности исследуемого продукта. Полученные значения сравнивают со значениями образца, выбранного за эталон, и по величине отклонений полученных значений определяют качество исследуемого продукта. Технический результат – повышение точности, ускорение и автоматизация процесса измерения и упрощение конструкции. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.