RU2065148C1 - Method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media - Google Patents

Method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media Download PDF

Info

Publication number
RU2065148C1
RU2065148C1 RU94011962A RU94011962A RU2065148C1 RU 2065148 C1 RU2065148 C1 RU 2065148C1 RU 94011962 A RU94011962 A RU 94011962A RU 94011962 A RU94011962 A RU 94011962A RU 2065148 C1 RU2065148 C1 RU 2065148C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
incidence
angle
point
refractive index
value
Prior art date
Application number
RU94011962A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU94011962A (en
Inventor
И.Ш. Агафуров
А.И. Пеньковский
Original Assignee
Производственное объединение "Казанский оптико-механический завод"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Производственное объединение "Казанский оптико-механический завод" filed Critical Производственное объединение "Казанский оптико-механический завод"
Priority to RU94011962A priority Critical patent/RU2065148C1/en
Publication of RU94011962A publication Critical patent/RU94011962A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2065148C1 publication Critical patent/RU2065148C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: refractometric measurements of optical constants of media. SUBSTANCE: method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media lies in direction of monochromatic light beam on to boundary of contact of examined medium with known refractive index, in change of incidence angle, in registration of intensity of reflected light and in determination of pseudocritical incidence angle by which desired refractive index is found. For determination of point of knee on curve of dependence of intensity of reflected light on incidence angle there is conducted differentiation with variable step by computation of difference between summary values of function increments with increment of argument on the right and on the left relative to i-th point of argument. Number of steps to the right or left with reference to i-th point depends on slope of curve, that is on value of absorption coefficient of examined medium. As result of summation of small increments one manages to get rid of influence of fluctuations as noises are averaged. EFFECT: enhanced authenticity of method. 3 dwg

Description

Изобретение относится к технической физике, а точнее к области рефрактометрических измерений оптических постоянных сред. The invention relates to technical physics, and more specifically to the field of refractometric measurements of optical constant media.

Известны способы измерения показателя преломления по критическому углу падения при нарушенном полном внутреннем отражении, когда пучок падающего света направляют на границу контакта исследуемой и известной сред стороны прозрачной высокопреломляющей среды с известным показателем преломления и анализируют интенсивность отраженного света [1]
Наиболее близким к объекту заявки является известный способ измерения показателя преломления поглощающих сред [2] Суть известного способа заключается в том, что на границу контакта исследуемой среды, характеризующейся комплексным показателем преломления

Figure 00000002
, c прозрачной высокопреломляющей средой с известным показателем преломления nо со стороны этой среды направляют коллимированный монохроматический пучок света, плавно изменяют и контролируют угол падения α, одновременно дополнительно изменяют с частотой сети (ω = 50 Гц) угол падения на величину Δα = (0,002+κ)рад, где κ показатель поглощения, угол падения изменяют до положения псевдокритического угла
Figure 00000003
, при котором амплитуды обоих полупериодов предетектированного переменного сигнала фотоприемника максимальны и равны между собой, а искомую вещественную часть показателя преломления nx находят по формуле
Figure 00000004

Известный способ по авт.свид. 1520404 имеет ряд существенных недостатков.Known methods for measuring the refractive index by the critical angle of incidence with impaired total internal reflection, when the incident light beam is directed to the contact boundary of the investigated and known media, the sides of the transparent highly refractive medium with a known refractive index and analyze the intensity of the reflected light [1]
Closest to the object of the application is a known method for measuring the refractive index of absorbing media [2] The essence of the known method lies in the fact that the contact boundary of the investigated medium, characterized by a complex refractive index
Figure 00000002
, with a transparent high-refracting medium with a known refractive index n о, a collimated monochromatic light beam is directed from the side of this medium, smoothly change and control the angle of incidence α, while the angle of incidence is additionally changed with the frequency of the network (ω = 50 Hz) by Δα = (0.002+ κ) glad, where κ is the absorption coefficient, the angle of incidence is changed to the position of the pseudocritical angle
Figure 00000003
at which the amplitudes of both half-periods of the detected alternating photodetector signal are maximum and equal to each other, and the desired real part of the refractive index n x is found by the formula
Figure 00000004

A known method for autosvid. 1520404 has a number of significant disadvantages.

Во-первых, для достижения высокой точности измерений периодическое изменение угла падения пучка света с частотой сети ω = 50 Гц требуется производить на величину Δα = (0,002+κx) радиан, где κx показатель поглощения исследуемой среды, который также заранее не известен. В известном способе по авт. свид. 1520404 предусматривается скачкообразное изменение амплитуды модуляции угла падения, например, Δα1= 0,002 рад, когда среда прозрачная Δα2= 0,003, когда среда слабо поглощающая, и Δα3≈ 0,012, когда среда темная. Тщательно исследования показывают, что скачкообразное изменение амплитуды модуляции угла падения строго на фиксированную величину не может обеспечить высокой точности измерений вещественной части комплексного показателя преломления исследуемой среды nx. Это объясняется тем, что кривая зависимости интенсивности света I от угла падения α не симметрична относительно искомого значения псевдокритического угла

Figure 00000005
, по которому находят искомый показатель преломления nx, особенно при небольших значениях κx. Поэтому скачкообразные изменения амплитуды модуляции Δα неизбежно приводят к скачкообразному значению
Figure 00000006
, что в свою очередь к различным значениям искомой величины nx, т.е. к ошибкам в измерениях.First, to achieve high measurement accuracy, a periodic change in the angle of incidence of a light beam with a network frequency of ω = 50 Hz is required to produce a value Δα = (0.002 + κ x ) radian, where κ x is the absorption coefficient of the medium under study, which is also not known in advance. In the known method according to ed. testimonial. 1520404 provides for an abrupt change in the amplitude of the modulation of the angle of incidence, for example, Δα 1 = 0.002 rad when the medium is transparent Δα 2 = 0.003 when the medium is weakly absorbing, and Δα 3 ≈ 0.012 when the medium is dark. Careful studies show that a stepwise change in the amplitude of the modulation of the angle of incidence strictly by a fixed value cannot provide high accuracy for measuring the material part of the complex refractive index of the studied medium n x . This is because the curve of the dependence of the light intensity I on the angle of incidence α is not symmetrical with respect to the sought value of the pseudocritical angle
Figure 00000005
, by which the desired refractive index n x is found , especially for small values of κ x . Therefore, abrupt changes in the modulation amplitude Δα inevitably lead to an abrupt value
Figure 00000006
, which, in turn, to different values of the desired quantity n x , i.e. to measurement errors.

В зависимости от различных ситуаций эти ошибки могут достигать величины ±(1-2)• 10-4, что для высокоточных фотоэлектрических приборов с микропроцессорами недопустимо.Depending on various situations, these errors can reach ± (1-2) • 10 -4 , which is unacceptable for high-precision photovoltaic devices with microprocessors.

Во-вторых, электромеханические модуляторы, обеспечивающие модуляцию угла падения с частотой сети ω = 50 Гц,, обычно настраиваются так, что работают на частоте близкой к резонансной. Secondly, electromechanical modulators providing modulation of the angle of incidence with a network frequency of ω = 50 Hz, are usually tuned so that they operate at a frequency close to the resonant.

Cледовательно, согласно теории колебательных систем при даже незначительных изменениях частоты возбуждения (частоты сети) может происходить существенное изменение фазы колебаний, что может привести к ошибкам фиксации

Figure 00000007
и заставляет усложнять электронную часть прибора для нейтрализации этого явления. В случае же перехода с европейской частоты сети ω = 50 ± 1 Гц на американскую ω = 60 ± 1 Гц требуется перестройка электромеханического модулятора, необходимость которой не всегда можно предугадать в процессе изготовления и реализации приборов.Consequently, according to the theory of oscillatory systems, even with insignificant changes in the excitation frequency (mains frequency), a significant change in the oscillation phase can occur, which can lead to fixing errors
Figure 00000007
and makes it difficult to electronic part of the device to neutralize this phenomenon. In the case of a transition from the European network frequency ω = 50 ± 1 Hz to the American ω = 60 ± 1 Hz, a restructuring of the electromechanical modulator is required, the need for which cannot always be foreseen in the process of manufacturing and selling devices.

В-третьих, электромеханические модуляторы неизбежно создают некоторую вибрацию и характерный шум. Предлагается новый способ измерения показателя преломления прозрачных и поглощающих сред свободный от этих недостатков. Thirdly, electromechanical modulators inevitably create some vibration and characteristic noise. A new method is proposed for measuring the refractive index of transparent and absorbing media free of these disadvantages.

Задача способа повышение точности. The objective of the method is to increase accuracy.

Суть способа в том, что на границу контакта исследуемой среды, характеризующейся комплексным показателем преломления

Figure 00000008
с прозрачной высокопреломляющей средой с известным показателем преломления no, со стороны этой среды направляют коллимированный монохроматический пучок света, изменяют и контролируют угол падения α, фотоэлектрически регистрируют интенсивность I отраженного границей контакта сред пучка света, определяют по результатам анализа интенсивности I псевдокритический угол падения света
Figure 00000009
, по которому находят вещественную часть искомого показателя преломления
Figure 00000010

Отличительным в предлагаемом способе является то, что перед регистрацией интенсивности света устанавливают угол падения заведомо больше ожидаемого псевдокритического
Figure 00000011
, нормируют сигнал фотоприемника, например, путем изменения коэффициента усиления так, что сигнал фотоприемника в максимуме становится равным наперед заданной величине, принимаемой за единицу Iо 1, грубо определяют точку перегиба кривой зависимости I = f(α), для чего уменьшают угол падения α c максимальной скоростью до момента достижения интенсивности
cвета уровня I ≅ 0,125 Io, одновременно дискретно измеряют интенсивность сета через каждые Da1= 0,0017 радиан, записывают результаты этих измерений в оперативную память микропроцессора в виде массива, например в М измерений, отступая 10 шагов производят численное дифференцирование с переменным шагом путем вычисления разницы
Figure 00000012
между суммарными значениями приращений интенсивности света при каждом шаге справа и слева относительно i-й точки массива
Figure 00000013

где K 1,2,3. число дискрет Δα1, одновременно находят значение
Figure 00000014
, сравнивают его с наперед заданной величиной C0,2 Io и, если исследуемая среда обладает поглощением κx≠ 0, что приводит к неравенству
Figure 00000015
, то увеличивают К до тех пор, пока
Figure 00000016
определяют угол падения α′, при котором зафиксировано значение
Figure 00000017
, затем увеличивают с максимальной скоростью угол падения и устанавливают равным α′+0,0085 радиан, производят повторное, но точное определение точки перегиба кривой зависимости I = f1(α), для чего повторно уменьшают угол падения с меньшей скоростью, одновременно измеряют не менее 10 раз интенсивность света через каждую дискрету измерения угла падения Δα2≪ Δα1 например, Δα2= 0,000017 радиан, записывают результаты измерений в оперативную память микропроцессора в виде массива, например, в 1000 измерений, повторно производят вычисление и создание нового массива усредненных величин разницы
Figure 00000018
между суммарными значениями приращений интенсивности света при каждом шаге справа и слева относительно i-й точки массива
Figure 00000019

где N 1,2,3. число дискрет Δα2 Полученное при этом значение
Figure 00000020
также сравнивают с величиной C=0,2 Io и увеличивают N до тех пор, пока выполнится условие
Figure 00000021
Затем производят таким же образом дифференцирование вычисленной кривой зависимости
Figure 00000022
в каждой i-й точке нового массива так же с шагом Δα2 путем вычисления разницы
Figure 00000023

и фиксируют угол падения
Figure 00000024
, при котором
Figure 00000025

На фиг. 1 показана структурная схема одного из возможных вариантов устройства для реализации способа, на фиг.2 кривые зависимости интенсивности света I от угла падения α и от показателя поглощения kx; на фиг.3 - кривые, иллюстрирующие принцип определения критического (псевдокритического) угла падения
Figure 00000026
.The essence of the method is that the contact boundary of the investigated medium, characterized by a complex refractive index
Figure 00000008
with a transparent highly refracting medium with a known refractive index n o , a collimated monochromatic light beam is directed from the side of this medium, the angle of incidence α is changed and controlled, the intensity I of the light beam reflected by the contact boundary of the media is photoelectrically determined, and the pseudocritical angle of incidence of light is determined from the intensity analysis I
Figure 00000009
by which the material part of the desired refractive index is found
Figure 00000010

Distinctive in the proposed method is that before recording the light intensity set the angle of incidence is obviously greater than the expected pseudocritical
Figure 00000011
, normalize the photodetector signal, for example, by changing the gain so that the photodetector signal at the maximum becomes equal to the predetermined value taken as a unit of I about 1, roughly determine the inflection point of the dependence curve I = f (α), for which the angle of incidence α is reduced c maximum speed until the intensity is reached
light of level I ≅ 0.125 I o , at the same time, the set intensity is discretely measured every Da 1 = 0.0017 radians, the results of these measurements are recorded in the microprocessor RAM as an array, for example, in M measurements, 10 steps are retreated, they are numerically differentiated with a variable step by difference calculations
Figure 00000012
between the total values of increments of light intensity at each step to the right and left relative to the i-th point of the array
Figure 00000013

where K is 1,2,3. the number of discrete Δα 1 , at the same time find the value
Figure 00000014
, compare it with a predetermined value of C0.2 I o and, if the medium under study has an absorption κ x ≠ 0, which leads to the inequality
Figure 00000015
, then increase K until
Figure 00000016
determine the angle of incidence α ′ at which the value is fixed
Figure 00000017
, then the angle of incidence is increased at maximum speed and set equal to α ′ + 0.0085 radians, a repeated but accurate determination of the inflection point of the I = f 1 (α) dependence curve is made, for which the angle of incidence is again reduced at a lower speed, while not least 10 times the intensity of light through each discrete measurement incidence angle Δα 2 «Δα example 1, Δα 2 = 0.000017 radians, recording the results of measurements in the operational microprocessor memory as an array, for example, in 1000 measurements, re-calculates and creating new an array of average values differences
Figure 00000018
between the total values of increments of light intensity at each step to the right and left relative to the i-th point of the array
Figure 00000019

where N 1,2,3. discrete number Δα 2 The resulting value
Figure 00000020
also compare with the value C = 0.2 I o and increase N until the condition is satisfied
Figure 00000021
Then differentiate the calculated dependence curve in the same way.
Figure 00000022
at each i-th point of the new array also with a step Δα 2 by calculating the difference
Figure 00000023

and fix the angle of incidence
Figure 00000024
at which
Figure 00000025

In FIG. 1 shows a structural diagram of one of the possible variants of the device for implementing the method, FIG. 2 curves of the dependence of the light intensity I on the angle of incidence α and on the absorption coefficient k x ; figure 3 - curves illustrating the principle of determining the critical (pseudocritical) angle of incidence
Figure 00000026
.

Устройство для измерения показателя преломления прозрачных и поглощающих сред содержит источник 1 (фиг.1) света и установленные по ходу лучей диафрагму 2, коллиматор 3, ограничивающую диафрагму 4, элемент 5 нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), изготовленный из высокопреломляющего стекла, например, в виде четвертой части цилиндра в сочетании с отрицательной цилиндрической линзой 6, интерференционный фильтр 7 и фотоприемник 8. Одна из плоских граней четверти цилиндра соприкасается с исследуемой средой 9, а на поверхности второй грани нанесено зеркальное покрытие 10. Ребро, образованное этими гранями, совмещено с осью вращения кюветной части 11 устройства, которая механически связана с углоизмерительным устройством 12 и двигателем 13. A device for measuring the refractive index of transparent and absorbing media contains a light source 1 (Fig. 1) and a diaphragm 2 installed along the rays, a collimator 3, restricting the diaphragm 4, and an element 5 of impaired total internal reflection (ATR) made of highly refractive glass, for example, in the form of a fourth part of the cylinder in combination with a negative cylindrical lens 6, an interference filter 7 and a photodetector 8. One of the flat faces of a quarter of the cylinder is in contact with the test medium 9, and on the surface a second audio coated mirror coating 10. The edge formed by these faces, aligned with the rotation axis cuvette portion 11 of the device which is mechanically connected with angle measurement device 12 and the motor 13.

Выход фотоприемника 8 подключен к входу предварительного усилителя 14, выход которого подключен к микропроцессорному устройству 15, которое в свою очередь подключено к углоизмерительному устройству 12 и двигателю 13, а также к цифровому табло (на чертеже не показано). The output of the photodetector 8 is connected to the input of the pre-amplifier 14, the output of which is connected to a microprocessor device 15, which in turn is connected to an angle measuring device 12 and an engine 13, as well as to a digital display (not shown).

Cпособ осуществляется следующим образом. The method is as follows.

Cформированный элементами 1 4 коллимированный в плоскости падения пучок света проходит отрицательную линзу 6 и практически без изменения направления распространения падает на границу раздела элемента 5 НПВО с исследуемой средой 9. Поверхность с зеркальным покрытием 10 перпендикулярна рабочей поверхности элемента 5, и согласно принципу работы уголкового отражателя после вторичного отражения от зеркального покрытия 10 свет без потерь возвращается строго параллельно падающему. Далее свет вторично проходит отрицательную линзу 6, интерференционный фильтр 7 и воспринимается фотоприемником 8. The light beam collimated in elements of the incidence plane 4 passes through the negative lens 6 and practically without changing the direction of propagation falls onto the interface of element 5 of the ATR with the medium under study 9. The surface with a mirror coating 10 is perpendicular to the working surface of element 5, and according to the principle of operation of the corner reflector after secondary reflection from the mirror coating 10 light without loss returns strictly parallel to the incident. Then the light passes through the negative lens 6 for the second time, the interference filter 7 and is perceived by the photodetector 8.

Если на двигатель 13 подан управляющий сигнал, то он будет вращать кюветную часть 11 и будет происходить плавное изменение угла падения α пучка света. При этом углоизмерительное устройство 12 дает информацию о величине угла падения микропроцессору в виде цифрового кода. Если на рабочую поверхность элемента 5 наносить различные среды, то можно получить семейство кривых зависимостей I = f1(α), показанных на фиг.2.If a control signal is supplied to the engine 13, it will rotate the cuvette part 11 and a smooth change in the angle of incidence α of the light beam will occur. In this case, the angle measuring device 12 provides information about the angle of incidence to the microprocessor in the form of a digital code. If various media are applied to the working surface of element 5, then a family of dependence curves I = f 1 (α) shown in FIG. 2 can be obtained.

Так, например, если элемент 5 (фиг.1) выполнен из стекла марки ТФ4 с показателем преломления noD 1,74 (для линии D cпектра, т.е. λD= 589 нм), то в случаях прозрачных исследуемых сред зависимость I = f1(α) можно отобразить кривой I (фиг.2) для nxD 1,0 (воздух), кривой 2 для nxD 1,3330 (вода) кривой 3 для nxD 1,5 (стекло К3), кривой 4 для nxD 1,635 (стекло БФ24).So, for example, if element 5 (Fig. 1) is made of TF4 glass with a refractive index of n oD 1.74 (for the D line of the spectrum, i.e., λ D = 589 nm), then in cases of transparent media under study, the dependence I = f 1 (α), you can display curve I (figure 2) for n xD 1,0 (air), curve 2 for n xD 1.3330 (water) curve 3 for n xD 1,5 (glass K3), curve 4 for n xD 1,635 (glass BF24).

Если исследуемая среда обладает поглощением κx≠ 0 или рассеивает свет, то наблюдается наклон кривых зависимостей I = f1(α). Например, изменяя концентрацию черных чернил "Радуга" в воде, кривая 2 трансформируется сначала в кривую 5 (при κx≈ 0,001), затем в кривые 6 (κx≈ 0,005) и 7 (κx≈ 0,01). Следует заметить, что если показатель преломления не изменяется, а показатель поглощения изменяется (кривые 2 7), то точки перегиба кривых 2 7 практически лежат на одной прямой 8, которая пересекает ось абсцисс в точке αкр-Δα, где Δα постоянная величина, которая учитывается при юстировке устройства в процессе крепления кюветной части II (фиг.1) по отношению к углоизмерительному устройству 12.If the medium under study has absorption κ x ≠ 0 or scatters light, then the slope of the dependence curves I = f 1 (α) is observed. For example, changing the concentration of Rainbow black ink in water, curve 2 is first transformed to curve 5 (at κ x ≈ 0.001), then to curves 6 (κ x ≈ 0.005) and 7 (κ x ≈ 0.01). It should be noted that if the refractive index does not change, and the absorption coefficient changes (curves 2 7), then the inflection points of curves 2 7 practically lie on one straight line 8, which intersects the abscissa axis at the point α cr -Δα, where Δα is a constant value, which taken into account when adjusting the device in the process of attaching the cuvette part II (figure 1) with respect to the angle measuring device 12.

После юстировки устройства точка перегиба кривой 2 соответствует критическому углу падения aкр, а точки перегиба кривых 5 7 - псевдокритическим углам падения

Figure 00000027
которые близки αкр. Исследования показывают, что несовпадение этих углов с αкр не превышает ±5•10-5 радиан, что в пересчете на показатель преломления находится много меньше допустимых погрешностей промышленных рефрактометров σnD= ± 10-4 Поскольку любой фотоприемник преобразует световые сигналы в электрические с некоторыми флуктуациями (например, из-за дробовых шумов, и т.д.) и кинематика обеспечивает угловые перемещения тоже с некоторыми флуктуациями, то в спектре сигнала фотоприемника крове полезной информации присутствуют шумы, которые не позволяют применить известный простой метод двойного дифференцирования сигнала для определения точки перегиба кривых I = f1(α).
В предлагаемом способе для определения точки перегиба кривой зависимости I = f1(α) производят дифференцирование с переменным шагом путем вычисления разницы между суммарными значениями приращений функции при приращениях аргумента справа и слева относительно i-й точки аргумента. Причем количество шагов вправо и влево относительно i-й точки зависит от наклона кривой I = f1(α) т.е. от величины показателя поглощения исследуемой среды κx В результате суммирования мелких приращений удается избавиться от влияния флуктуаций, поскольку шумы усредняются.After adjusting the device, the inflection point of curve 2 corresponds to the critical angle of incidence a cr , and the inflection points of curves 5 7 correspond to pseudocritical angles of incidence
Figure 00000027
which are close to α cr . Studies show that the mismatch of these angles with α cr does not exceed ± 5 • 10 -5 radians, which, in terms of the refractive index, is much less than the permissible errors of industrial refractometers σn D = ± 10 -4 Since any photodetector converts light signals into electrical signals with some fluctuations (for example, due to shot noise, etc.) and kinematics provides angular displacements with some fluctuations as well, then there are noises in the spectrum of the photodetector signal that provide useful information the thread is a well-known simple method of double signal differentiation for determining the inflection point of the curves I = f 1 (α).
In the proposed method, to determine the inflection point of the I = f 1 (α) dependence curve, differentiation is carried out with a variable step by calculating the difference between the total values of the function increments with increments of the argument to the right and left relative to the i-th point of the argument. Moreover, the number of steps to the right and left relative to the i-th point depends on the slope of the curve I = f 1 (α) i.e. κ x from the absorption coefficient of the medium under study As a result of the summation of small increments, it is possible to get rid of the influence of fluctuations, since the noise is averaged.

В качестве примера на фиг.3 показана кривая I зависимости I = f1(α), когда n0 1,74 и

Figure 00000028
Фотоприемник устройства работает в линейной режиме, поэтому напряжение и сигнала фотоприемника пропорционально интенсивности света I. На фиг.3 единичное значение интенсивности света I I соответствует единичному значению напряжения U I сигнала фотоприемника. Перед регистрацией интенсивности света I, т.е. перед регистрацией напряжения сигнала U устанавливают угол падения αmax заведомо больше ожидаемого псевдокритического, т.е.
Figure 00000029
при котором I Imax. При этом угле падения αmax производят нормировку сигнала фотоприемника, например, автоматически с помощью процессора изменяют коэффициент усиления сигнала так, что сигнал фотоприемника становится равным наперед заданной величине, принимаемой за единицу U#I0=I и далее до конца цикла измерений коэффициент усиления не изменяют. После этого грубо определяют точку перегиба 2 кривой 1. Для этого уменьшают угол падения α c максимальной скоростью, например 0,174 рад/с до момента достижения интенсивности света уровня I≅0,125 Imax (фиг. 3, точка 3). Одновременно дискретно в каждой точке несколько раз измеряют усредненную величину интенсивности света, например, через каждые Da1= 0,0017 радиан, записывают результаты этих измерений в оперативную память микропроцессора в виде массива, например в М≈350 измерений. После остановки двигателя привода изменение угла падения не происходит, и во время этой паузы производят математическую обработку записанного массива М измерений, отступая от последней точки 3, например, на 10 дискрет, т.е. на 0,017 радиан, в сторону увеличения угла α (фиг.2 точка 4). Начиная с этой точки производят цифровое дифференцирование с переменным шагом следующим образом.As an example, figure 3 shows the curve I of the dependence I = f 1 (α), when n 0 1,74 and
Figure 00000028
The photodetector of the device operates in a linear mode, therefore, the voltage and signal of the photodetector are proportional to the light intensity I. In Fig. 3, a unit value of the light intensity II corresponds to a unit value of the voltage UI of the photodetector signal. Before recording the light intensity I, i.e. Before recording the signal voltage U, the angle of incidence α max is set to be obviously greater than the expected pseudocritical, i.e.
Figure 00000029
at which II max . At this angle of incidence α max , the photodetector signal is normalized, for example, the signal gain is automatically changed by the processor so that the photodetector signal becomes equal to the predetermined value taken as a unit U # I 0 = I and then until the end of the measurement cycle the gain does not are changing. After this, the inflection point 2 of curve 1 is roughly determined. To this end, the angle of incidence α is reduced with the maximum speed, for example, 0.174 rad / s until the light intensity reaches the level I≅0.125 I max (Fig. 3, point 3). At the same time, the average value of the light intensity is measured discretely at each point several times, for example, every Da 1 = 0.0017 radians, and the results of these measurements are recorded in the microprocessor memory as an array, for example, in M≈350 measurements. After the drive motor stops, the angle of incidence does not change, and during this pause, the recorded array of M measurements is mathematically processed, departing from the last point 3, for example, by 10 discrete, i.e. by 0.017 radians, in the direction of increasing the angle α (Fig. 2 point 4). Starting from this point, digital differentiation with a variable step is performed as follows.

Пусть i-я точка массива имеет значение угла αi≈ 0,82 рад ≈ 47° (фиг.3, точка 4) и соответственно записанную интенсивность I≈0,25 Imax (точка 5). Относительно этой i-й точки вычисляют разницу между интенсивностями света в соседних точках справа (точка 6) и слева (точка 7), отстоящих от i-й точки на величину шага Δα1= 0,0017 рад т.е. находит

Figure 00000030
(точка 8). Переходя последовательно от точки 4 в сторону увеличения угла падения α c тем же шагом Da1 находят максимальное значение этого приращения
Figure 00000031
(точка 9), которое соответствует окрестности
Figure 00000032
(окрестности точки 2), и сравнивают найденное значение
Figure 00000033
c Uc. В данном примере κx≠ 0 и
Figure 00000034
Поэтому увеличивают число шагов К справа и слева от i-й точки еще на шаг, снова повторяют вычисления начиная от точки 4
Figure 00000035

и находят
Figure 00000036
(фиг.3, точка 10).Let the ith point of the array have an angle α i ≈ 0.82 rad ≈ 47 ° (Fig. 3, point 4) and, accordingly, the recorded intensity I≈0.25 I max (point 5). Relative to this i-th point, the difference between the light intensities in neighboring points on the right (point 6) and left (point 7), which are separated from the i-th point by a step size Δα 1 = 0.0017 rad, i.e. finds
Figure 00000030
(point 8). Moving sequentially from point 4 to the direction of increasing the angle of incidence α with the same step Da 1 find the maximum value of this increment
Figure 00000031
(point 9), which corresponds to the neighborhood
Figure 00000032
(neighborhood of point 2), and compare the found value
Figure 00000033
c Uc. In this example, κ x ≠ 0 and
Figure 00000034
Therefore, the number of steps K is increased to the right and left of the i-th point by one more step, the calculations are repeated again starting from point 4
Figure 00000035

and find
Figure 00000036
(figure 3, point 10).

Пусть

Figure 00000037
. Увеличивает число шагов К справа и слева от i-й точки еще на шаг и вычисляют начиная с точки 4
Figure 00000038
и находят
Figure 00000039
(фиг. 3, точка 11).Let
Figure 00000037
. Increases the number of steps K to the right and left of the i-th point by another step and is calculated starting from point 4
Figure 00000038
and find
Figure 00000039
(Fig. 3, point 11).

Если и на этот раз

Figure 00000040
то снова последовательно увеличивают число шагов К, вычисляют
Figure 00000041

до момента, пока
Figure 00000042
(cм.например точку 12).If this time
Figure 00000040
then again sequentially increase the number of steps K, calculate
Figure 00000041

until the moment
Figure 00000042
(see for example point 12).

Cледует заметить, что постоянная величина Uc#C выбрана не случайно. Она не должна превышать 20% от Io. Теоретически и экспериментально доказано, что если

Figure 00000043
т.е. если
Figure 00000044
то вследствие асимметрии кривой I, как показано на фиг.3, точка 12 уже не лежит на ординате, проходящей через точку 2, а смещена в сторону меньших углов α что вносит погрешность в определение a′.
Поэтому, если оказалось
Figure 00000045
(точка 12), то в качестве окончательных расчетов, с помощью которых определяют α′, берут результаты предыдущих расчетов, т.е. абсциссу точки 11.It should be noted that the constant value U c #C was not chosen randomly. It should not exceed 20% of I o . It is theoretically and experimentally proved that if
Figure 00000043
those. if a
Figure 00000044
then, due to the asymmetry of curve I, as shown in Fig. 3, point 12 no longer lies on the ordinate passing through point 2, but is shifted towards smaller angles α, which introduces an error in the definition of a ′.
Therefore, if it turned out
Figure 00000045
(point 12), then as the final calculations, with which α ′ is determined, take the results of previous calculations, i.e. abscissa of point 11.

Затем включают двигатель и увеличивают с максимальной скоростью угол падения α до значения ao= α′+0,0085 рад. Начиная с этого значения αo производят повторное, но точное определение точки перегиба кривой зависимости I = f1(α) (точки 2). Для этого реверсируют двигатель, уменьшают угол падения α c меньшей скоростью, например 0,01 рад/с, и одновременно измеряют не менее 10 раз интенсивность света I через каждую дискрету изменения угла падения Da2≪ Δα1, например Δα2= 0,000017 рад, записывают результаты измерений в оперативную память микропроцессора в виде массива, например в 1000 измерений, повторно производят вычисления разницы

Figure 00000046
между суммарными значениями приращений интенсивности cвета при каждом шаге справа и слева относительно i-й точки массива начиная с i=100 точки относительно последней точки массива, т.е. вычисляют
Figure 00000047

число дискрет Δα2ю
Полученные значения
Figure 00000048
также сравнивают с величиной C=0,2 Io и увеличивают N до тех пор, пока выполнится условие
Figure 00000049
В результате расчетов получаем кривую 13 зависимости
Figure 00000050
параметры которой в виде нового массива заносятся в память микропроцессора. Затем производят дифференцирование уже этой вычисленной кривой 13 зависимости
Figure 00000051
в каждой i-й точке также с шагом Δα2 путем вычисления разницы
Figure 00000052
где N число дискрет, найденное в процессе вычислений кривой 13. В результате вычисления второй производной получаем кривую 14 зависимости
Figure 00000053
которая переходит через нулевое значение при угле падения
Figure 00000054
cоответствующем точке перегиба 2 кривой 1 зависимости I = f1(α) Далее фиксируют угол падения
Figure 00000055
при котором
Figure 00000056
и по формуле
Figure 00000057
вычисляют измеренную искомую вещественную часть комплексного показателя преломления nx 1,74 sin (0,872) 1,3340 поглощающей среды.Then the engine is turned on and the angle of incidence α is increased at maximum speed to a o = α ′ + 0.0085 rad. Starting with this value of α o produce a second, but accurate determination of the inflection point of the curve of the dependence I = f 1 (α) (point 2). To do this, reverse the engine, reduce the angle of incidence α with a lower speed, for example, 0.01 rad / s, and simultaneously measure at least 10 times the light intensity I through each discrete change in the angle of incidence Da 2 ≪ Δα 1 , for example, Δα 2 = 0.000017 I’m glad that they write the results of measurements in the RAM of the microprocessor in the form of an array, for example, in 1000 measurements, re-calculate the difference
Figure 00000046
between the total values of the increments of light intensity at each step to the right and left relative to the i-th point of the array starting from i = 100 points relative to the last point of the array, i.e. calculate
Figure 00000047

discrete number Δα 2 ju
Values obtained
Figure 00000048
also compare with the value C = 0.2 I o and increase N until the condition is satisfied
Figure 00000049
As a result of the calculations, we obtain the dependence curve 13
Figure 00000050
the parameters of which are entered into the microprocessor memory in the form of a new array. Then, differentiation is already made with this calculated dependence curve 13
Figure 00000051
at each i-th point also with a step Δα 2 by calculating the difference
Figure 00000052
where N is the number of discrete found during the calculation of curve 13. As a result of calculating the second derivative, we obtain the dependence curve 14
Figure 00000053
which goes through zero at the angle of incidence
Figure 00000054
the corresponding inflection point 2 of curve 1 of the dependence I = f 1 (α) Next, fix the angle of incidence
Figure 00000055
at which
Figure 00000056
and according to the formula
Figure 00000057
calculate the measured desired material part of the complex refractive index n x 1.74 sin (0.872) 1.3340 of the absorbing medium.

Микропроцессор 15 управляет работой всего устройства, в том числе производит измерение температуры кюветной части устройства, производит температурную коррекцию, по измеренному показателю преломления nx производит вычисления искомых параметров исследуемой среды, например процентное содержание сухих веществ по сахарозе, процентное содержание белка, алкоголя и т.д. (по выбору оператора).The microprocessor 15 controls the operation of the entire device, including measuring the temperature of the cuvette part of the device, performing temperature correction, using the measured refractive index n x calculates the desired parameters of the medium under study, for example, the percentage of solids in terms of sucrose, the percentage of protein, alcohol, etc. d. (at the choice of the operator).

Предлагаемый способ позволяет производить измерения показателя преломления не только прозрачных сред, но и темных, рассеивающих свет сред, таких, например, как патока, молочные продукты, жиры всех видов, нефть и нефтепродукты, красители и т.п. с точностью ±(2 + 5)•10-5 в диапазоне n 1,0 + 1,7. Из фиг. 1 видно, что для реализации предлагаемого способа требуется минимальное количество простейших оптических элементов, что позволяет создавать ряд простых универсальных фотоэлектрических рефрактометров, наделенных уникальными возможностями: измерять показатель преломления и связанные с ним другие параметры как прозрачных, так и темных сред.The proposed method allows measurements of the refractive index of not only transparent media, but also dark, light-scattering media, such as molasses, dairy products, fats of all kinds, oil and petroleum products, dyes, etc. with an accuracy of ± (2 + 5) • 10 -5 in the range of n 1.0 + 1.7. From FIG. Figure 1 shows that the implementation of the proposed method requires a minimum number of simple optical elements, which allows you to create a number of simple universal photoelectric refractometers, endowed with unique capabilities: to measure the refractive index and other parameters associated with it, both transparent and dark media.

Claims (1)

Способ измерения показателя преломления прозрачных и поглощающих сред, имеющих показатель поглощения κx, включающий направление коллимированного монохроматического пучка света на границу контакта исследуемой среды, характеризующейся комплексным показателем преломления
Figure 00000058
с прозрачной высокопреломляющей средой с известным показателем преломления n0 со стороны этой среды, контролируемое изменение угла падения α, фотоэлектрическую регистрацию интенсивности I отраженного границей контакта сред пучка света, определение по ее результатам псевдокритического угла падения света
Figure 00000059
по которому находят вещественную часть искомого показателя преломления
Figure 00000060
отличающийся тем, что перед регистрацией интенсивности света I устанавливают угол падения α заведомо больше ожидаемого псевдокритического
Figure 00000061
нормируют сигнал фотоприемника, например, путем изменения коэффициента усиления так, что сигнал фотоприемника U в максимуме становится равным наперед заданной величине, принимаемой за единицу U ≡ Io=1, грубо определяют точку перегиба кривой зависимости I=f1(α), для чего уменьшают угол падения α с максимальной скоростью до момента достижения интенсивности света уровня I≅ 0,125 J0, одновременно дискретно измеряют интенсивность света через каждые Da1=0,0017 рад., записывают результаты этих измерений в оперативную память микропроцессора в виде массива, например, в М измерений, производят дифференцирование путем вычисления разницы
Figure 00000062
между суммарными значениями приращений интенсивности света при каждом шаге справа и слева относительно i-й точки массива
Figure 00000063

где К 1,2,3, число дискрет Δα1,
одновременно находят значение
Figure 00000064
сравнивают его с наперед заданной величиной C 0,2I0 и, если исследуемая среда обладает поглощением κx ≠ 0, что приводит к неравенству
Figure 00000065
то увеличивают К до тех пор, когда
Figure 00000066
определяют угол падения α′ при котором зафиксировано значение
Figure 00000067
затем увеличивают с максимальной скоростью угол падения α и устанавливают равным a′+0,0085 рад, производят повторное, но точное определение точки перегиба кривой зависимости I=f1(α), для чего повторно уменьшают угол падения с меньшей скоростью, одновременно измеряют не менее 10 раз интенсивность света через каждую дискрету изменения угла падения Δα2 ≪ Δα1 например, Δα2=0,000017 рад., рад, записывают результаты измерений в оперативную память микропроцессора в виде массива, например, в 1000 измерений, повторно производят вычисление разницы
Figure 00000068
между суммарными значениями приращений интенсивности света при каждом шаге справа и слева относительно i-й точки массива
Figure 00000069

где N 1,2,3, число дискрет Δα2,
полученное при этом значение
Figure 00000070
также сравнивают с величиной C 0,2I0и увеличивают N до тех пор, пока выполнится условие
Figure 00000071
затем производят дифференцирование вычисленной кривой зависимости
Figure 00000072
в каждой i-й точке нового массива также с шагом Δα2 путем вычисления разницы
Figure 00000073

и фиксируют угол падения
Figure 00000074
при котором ΔI3=0.A method for measuring the refractive index of transparent and absorbing media having an absorption coefficient κ x , including the direction of a collimated monochromatic light beam at the contact boundary of the medium under study, characterized by a complex refractive index
Figure 00000058
with a transparent highly refracting medium with a known refractive index n 0 from the side of this medium, a controlled change in the angle of incidence α, photoelectric recording of the intensity I of the light beam reflected by the contact boundary of the media, determination of the pseudocritical angle of incidence of light from its results
Figure 00000059
by which the material part of the desired refractive index is found
Figure 00000060
characterized in that before recording the light intensity I set the angle of incidence α is obviously greater than the expected pseudocritical
Figure 00000061
normalize the photodetector signal, for example, by changing the gain so that the photodetector signal U at the maximum becomes equal to the predetermined value taken as a unit U ≡ I o = 1, the inflection point of the dependence curve I = f 1 (α) is roughly determined, for which reduce the incidence angle α with the maximum speed until it reaches the intensity level of light I≅ 0,125 J 0, while discretely measured light intensity every Da 1 = 0.0017 rad., the results of these measurements are recorded into the main memory of the microprocessor in the form of weight willow, e.g., in M measurements produce differentiation by calculating the difference
Figure 00000062
between the total values of increments of light intensity at each step to the right and left relative to the i-th point of the array
Figure 00000063

where K 1,2,3, the number of discrete Δα 1 ,
at the same time find value
Figure 00000064
compare it with a predetermined value of C 0.2I 0 and, if the medium under study has an absorption κ x ≠ 0, which leads to the inequality
Figure 00000065
then increase K until
Figure 00000066
determine the angle of incidence α ′ at which the value is fixed
Figure 00000067
then the angle of incidence α is increased at maximum speed and set equal to a ′ + 0.0085 rad, a repeated but accurate determination of the inflection point of the I = f 1 (α) dependence curve is made, for which the angle of incidence is repeatedly reduced at a lower speed, at the same time not less than 10 times the light intensity through each discrete change in the angle of incidence Δα 2 ≪ Δα 1 for example, Δα 2 = 0.000017 rad., glad to write the measurement results to the microprocessor memory in the form of an array, for example, in 1000 measurements, the difference is calculated again
Figure 00000068
between the total values of increments of light intensity at each step to the right and left relative to the i-th point of the array
Figure 00000069

where N 1,2,3, the number of discrete Δα 2 ,
the resulting value
Figure 00000070
also compare with a value of C 0.2I 0 and increase N until the condition is satisfied
Figure 00000071
then differentiate the calculated dependence curve
Figure 00000072
at each i-th point of the new array also with step Δα 2 by calculating the difference
Figure 00000073

and fix the angle of incidence
Figure 00000074
in which ΔI 3 = 0.
RU94011962A 1994-04-05 1994-04-05 Method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media RU2065148C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94011962A RU2065148C1 (en) 1994-04-05 1994-04-05 Method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU94011962A RU2065148C1 (en) 1994-04-05 1994-04-05 Method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU94011962A RU94011962A (en) 1995-12-10
RU2065148C1 true RU2065148C1 (en) 1996-08-10

Family

ID=20154398

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU94011962A RU2065148C1 (en) 1994-04-05 1994-04-05 Method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2065148C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106770039A (en) * 2017-03-10 2017-05-31 厦门大学嘉庚学院 A kind of complex refractivity index measurement apparatus and its measuring method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Лейкин М.В. и др. Отражательная рефрактометрия. - Л.: Машиностроение, 1983, с. 83-132. Авторское свидетельство СССР N 1530404, кл. G 01 N 21/43, 1989. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106770039A (en) * 2017-03-10 2017-05-31 厦门大学嘉庚学院 A kind of complex refractivity index measurement apparatus and its measuring method
CN106770039B (en) * 2017-03-10 2023-04-21 厦门大学嘉庚学院 Complex refractive index measuring device and measuring method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1275170C (en) Method for on-line thickness monitoring of a transparent film
EP0397388B1 (en) Method and apparatus for measuring thickness of thin films
US6645045B2 (en) Method of measuring thickness of a semiconductor layer and method of manufacturing a semiconductor substrate
KR970011746B1 (en) Apparatus and method for measuring the thickness of thin films
US4615620A (en) Apparatus for measuring the depth of fine engraved patterns
US7586614B2 (en) System and method for self-referenced SPR measurements
US20120262717A1 (en) Spatial frequency optical measurement instrument and method
US7359046B1 (en) Method and apparatus for wafer-level measurement of volume holographic gratings
JPS633255B2 (en)
EP1593955A2 (en) Wavelength-tuned intensity measurement with a surface plasmon resonance sensor
JPS5839931A (en) Method of measuring characteristic of plastic film by using infrared ray
US5610708A (en) Analytical sensor using grating light reflection spectroscopy
RU2065148C1 (en) Method of measurement of refractive index of transparent and absorbing media
US6108077A (en) Sample support with a non-reflecting sample supporting surface
US5293218A (en) Interferometric JFTOT tube deposit measuring device
Kano et al. Grating-coupled surface plasmon for measuring the refractive index of a liquid sample
US20070146725A1 (en) Method of and device for thickness measurements of thin films
EP0509849A2 (en) Measuring the cross-sectional distribution of the refractive index of an optical waveguide
US4639132A (en) Direct determination of modulation transfer function by moire deflectrometry
US7075657B2 (en) Surface plasmon resonance measuring apparatus
Yanza et al. A change of surface plasmon resonance (SPR) characteristics due to fluids type variation as a basic study of biosensor
US4586816A (en) Optical fibre spot size determination apparatus
RU2049985C1 (en) Refractometer
Steckman et al. High spatial resolution measurement of volume holographic gratings
JPS60249007A (en) Instrument for measuring film thickness