SU1550378A1

SU1550378A1 - Method of determining the index of refraction of transparent media

Info

Publication number: SU1550378A1
Application number: SU874328416A
Authority: SU
Inventors: Сергей Алексеевич Александров; Геннадий Михайлович Самойлов; Нинель Григорьевна Ярошевич
Original assignee: Предприятие П/Я Г-4046
Priority date: 1987-11-17
Filing date: 1987-11-17
Publication date: 1990-03-15

Abstract

Изобретение относитс к технической физике и может быть использовано дл определени показател преломлени и толщины плоскопараллельных пластин, изготовленных из исследуемых сред. Цель изобретени - упрощение измерений при сохранении их точности. Через исследуемый образец пропускают две монохроматические волны, распростран ющиес под углом друг к другу, и формируют интерференционную картину. Углы падени волн на исследуемый образец плавно измен ют и определ ют соответствующие изменени пор дка интерференции в интересующих точках интерференционной картины. По результатам измерений составл ют системы уравнений дл анализируемых точек интерференционной картины, при решении которых определ ют значени показател преломлени и толщин в интересующих зонах исследуемого образца. 1 ил.The invention relates to technical physics and can be used to determine the refractive index and thickness of plane-parallel plates made of the test media. The purpose of the invention is to simplify the measurements while maintaining their accuracy. Two monochromatic waves, propagating at an angle to each other, are passed through the sample under study and form an interference pattern. The angles of incidence of the waves on the sample under study smoothly change and the corresponding changes in the order of interference at the points of interest in the interference pattern are determined. Based on the measurement results, a set of equations is made for the analyzed points of the interference pattern, which, when solved, determine the values of the refractive index and thickness in the zones of interest of the sample under study. 1 il.

Description

Изобретение .относитс к технической физике и может быть использовано дл измерени показател преломлени прозрачных сред, преимущественно твердых высокопреломл ющих материалов, и дл определени толщины плоскопараллельных пластинок.The invention relates to technical physics and can be used to measure the refractive index of transparent media, preferably solid high refractory materials, and to determine the thickness of plane-parallel plates.

Цель изобретени - упрощение измерений при сохранении их точности благодар обеспечению дополнительной возможности определени толщины исследуемой пластины.The purpose of the invention is to simplify the measurements while maintaining their accuracy by providing an additional opportunity to determine the thickness of the plate under study.

На чертеже представлено устройство , реализующее способ.The drawing shows a device that implements the method.

Устройство содержит монохроматический источник 1 света с фиксированной длиной волны, осветительную систему 2, диафрагму 3 в виде экрана с двум точечными отверсти ми, коллиматор 4, за которым расположен исследуемый образец 5, оптическую систему 6, стро щую изображение выходной плоскости исследуемого образца 5 в плоскости анализирующей диафрагмы 7, фотоприемник 8, блок 9 обработки информации , датчик 10 угловых положений образца, двигатель 11, поворачивающий образец и ЭВМ 12.The device contains a monochromatic light source 1 with a fixed wavelength, an illumination system 2, a diaphragm 3 in the form of a screen with two point holes, a collimator 4, behind which the sample 5 is located, the optical system 6, which builds an image of the output plane of the sample 5 in the plane analyzing diaphragm 7, photodetector 8, information processing unit 9, sensor 10 angular positions of the sample, engine 11, turning the sample and computer 12.

Способ осуществл етс следующим образом.The method is carried out as follows.

Свет от монохроматического источника 1 с помощью осветительной системы 2 направл етс на диафрагму 3, представл ющую собой экран с двум точечными отверсти ми. Коллиматор 4, в фокусе которого расположена диафрагма 3, формирует две плоские волны под углом б одна к другой, освеСЛThe light from the monochromatic source 1 is transmitted by the lighting system 2 to the diaphragm 3, which is a screen with two pinholes. The collimator 4, the focus of which is located aperture 3, forms two plane waves at an angle b to one another, light

елate

оabout

0000

slsl

ооoo

3 15503 1550

щающие исследуемый образец 5, Оптическа система 6 формирует интерференционную картину в плоскости анализирующей диафрагмы 7, котора выдел - ет малый участок интерферограммы.Sample 5, the optical system 6 forms an interference pattern in the plane of the analyzing diaphragm 7, which distinguishes a small part of the interferogram.

Электрический сигнал с фотоприемника 8 поступает в блок 9 обработки информации, выход которого соединен с ЭВМ 12. Исследуемый образец плавно поворачиваетс с помощью двигател 11. В приводе наклона образца имеетс датчик 10 угловых положений, информаци с которого поступает в блок 9 обработки информации. С выхода этого блока информаци об изменении пор дка интерференции и текущем угле поворота образца вводитс в ЭВМ 12, котора вычисл ет показатель преломлени п и толщину исследуемого образца. The electrical signal from the photodetector 8 enters the information processing unit 9, the output of which is connected to the computer 12. The sample under study is rotated smoothly with the help of the engine 11. In the sample tilt drive, there is a sensor of 10 angular positions, information from which goes to the information processing unit 9. From the output of this block, information on the change in the order of interference and the current angle of rotation of the sample is entered into the computer 12, which calculates the refractive index n and the thickness of the sample under study.

Дл определени значений показател преломлени в различных област х образца, вместо диафрагмы 7 и фотоприемника 8 устанавливают матрицу фотоприемников, определ ют изменение пор дка интерференции одновременно в различных точках интерферограммы, ввод т эти значени в ЭВМ 12, котора дл каждой анализируемой точки определ ет свой показатель преломлени . Таким образом, возможно осуществл ть контроль однородности образцов.To determine the values of the refractive index in different areas of the sample, instead of the diaphragm 7 and the photodetector 8, an array of photodetectors is established, the change of the interference order is determined simultaneously at different points of the interferogram, these values are entered into the computer 12, which for each analyzed point determines its own index refracted. Thus, it is possible to control the uniformity of the samples.

Рассмотрим произвольную точку S плоскости изображени . Обозначим через , , Ф, произвольные поверхности посто нной фазы 1-й волны до и после прохождени через исследуемый образец соответственно. Ё общем.случае образе может быть развернут на какой-то угол oia относительно 1-й волны. Тогда от поверхности до поверхности ф& оптическа длина пути равна Р( - Р, .Consider an arbitrary point S of the image plane. We denote by,, Ф, arbitrary surfaces of the constant phase of the 1st wave before and after passing through the sample under investigation, respectively. In general, the case can be rotated at some angle oia relative to the 1st wave. Then from surface to surface Φ & the optical path length is P (- P,.

Пусть оптическа длина пути от по верхности Ф, до точки S равна С19 тогда оптическа длина пути от поверх ности Ф, до точки S равнаLet the optical length of the path from the surface F, to the point S be equal to C19, then the optical length of the path from the surface F, to the point S be equal to

Pis-, -,+С4.(1)Pis-, -, + C4. (1)

Обозначим через Р, ,2. произволь- ные поверхности посто нной фазы вол- ны, распростран ющейс под углом # по отношению-к первой волне, до и после прохождени йерез исследуемый образец соответственно.1 Дл этой волны оптическа длина пути от поверхности (Ј до точки S равнаDenote by P,, 2. arbitrary surfaces of the constant phase of a wave propagating at an angle # with respect to the first wave before and after passing through the sample under investigation, respectively. 1 For this wave, the optical path length from the surface (Ј to point S is equal to

(2)(2)

с with

з s

Q Q

5five

где С, - оптическа длина пути отwhere C is the optical path length from

st tst t

поверхности Ф„ до точки S. Тогда разность хода в точке S равнаsurface Ф „to point S. Then the difference of the stroke at point S is equal to

,-, О),-, ABOUT)

где N0 - пор док интерференционной картины в точке S при начальном положении образца. После разворота образца на угол сЈ; оптические длины путей волн от поверхностей , и Ф до той же точки S измен ютс . После прохождени через образец в данных плоскост х, в которых оптическа длина пути была Ф и Фг, она становитс равной ф и Величины C и С остаютс прежними . Следовательно, разность хода в точке S равнаwhere N0 is the order of the interference pattern at point S at the initial position of the sample. After turning the sample at an angle сЈ; the optical path lengths of the waves from the surfaces, and Φ to the same point S change. After passing through the sample in these planes, in which the optical path length was Φ and Phg, it becomes equal to Φ and The values of C and C remain the same. Therefore, the difference in stroke at point S is

+ P..-N.-A. (4 где N; - пор док интерференционной + P ..- N.-A. (4 where N; is the interference order

картины в точке S при развороте образца на угол Ы.( . Разность хода в точке S плоскости регистрации измен етс на величинуpattern at point S when the sample is rotated by an angle L. (. The difference in travel at point S of the recording plane changes by

5((ф2-Ф;)-(;- р;)лы,(5)5 ((ф2-Ф;) - (; - р;) ly, (5)

где AN; - изменение пор дка в точке S при развороте образца, т.е. число интерференционных полос, пробежавших через точку S при развороте образца на угол (od;-« „). Таким образом, изменение пор дка интерференции в точке S определ етс лишь изменением разности фаз первой и второй волн при прохождении через исследуемый образец. Использу геометрические соотношени параметров пластины и подставив в (5) вместо (Ф г-Ф ,) и (PЈ-Pj) их значени , получают выражениеwhere is AN; - change of the order at point S when the sample is turned, i.e. the number of interference fringes that ran through point S while rotating the sample through an angle (od; - ""). Thus, the change in the order of interference at point S is determined only by the change in the phase difference between the first and second waves as it passes through the sample under study. Using the geometric relations of the parameters of the plate and substituting (5) instead of (Ф г-Ф,) and (PЈ-Pj) their values, get the expression

t -Jn2- sin( + Q)-V-sin2od; -sin (0+0)+-|n -sin a+cos(y ;-cos(; + +0)+cos(«si0+0)-cosoio AN1i, (6)t -Jn2- sin (+ Q) -V-sin2od; -sin (0 + 0) + - | n -sin a + cos (y; -cos (; + +0) + cos («si0 + 0) -cosoio AN1i, (6)

по которому в ЭВМ 12 рассчитываютс показатель преломлени п и толщина t исследуемой пластины.according to which in the computer 12 the refractive index η and the thickness t of the plate under study are calculated.

Величину угла 9 выбирают, исход из характеристик устройства, используемого дл реализации способа.Этот угол должен быть таким, чтобы интерференционные полосы на сформированной интерференционной картине надежно разрешались используемой системой регистрации. При этом желательно, чтобы угол 0 был как можно больше, так как в соответствии с уравнением (6) при этом возрастает чувствительность способа. Однако цель достигаетс при любом угле Q , при котором формируетс интерференционна картина.The angle 9 is chosen based on the characteristics of the device used to implement the method. This angle must be such that the interference fringes in the generated interference pattern are reliably resolved by the recording system used. It is desirable that the angle 0 be as large as possible, since in accordance with equation (6), the sensitivity of the method increases. However, the goal is achieved at any angle Q at which an interference pattern is formed.

Диапазон возможных углов поворота пластины определ етс диапазоном углов падени волн на пластину. Например , относительно 1-й волны пластина может разворачиватьс на углы в пределах от 0 до 90 -0, т.е. углы поворота пластины равны углам падени (при oi.) .The range of possible angles of rotation of the plate is determined by the range of angles of incidence of the waves on the plate. For example, with respect to the 1st wave, the plate can unfold at angles ranging from 0 to 90-0, i.e. the angles of rotation of the plate are equal to the angles of incidence (at oi.).

Предлагаемый способ позвол ет осуществить определение показатели преломлени одновременно дл нескольких длин волн и в различных област х исследуемого образца, т.е. контролировать однородность образца. Способ позвол ет определ ть как показатель преломлени , так и толщину исследуемых образцов. Поэтому нет необходимости в высокоточном оборудовании дл предварительного определени толщины , , отсутствуют потери времени на выполнение этой операции, не требуютс операторы, обслуживающие оборудование дл измерени толщины образца.The proposed method allows the determination of the refractive indices simultaneously for several wavelengths and in different areas of the sample under study, i.e. control sample homogeneity. The method allows to determine both the refractive index and the thickness of the samples under study. Therefore, there is no need for high-precision equipment to pre-determine the thickness, there is no loss of time to perform this operation, operators serving the equipment for measuring the thickness of the sample are not required.

Claims

Invention Formula

The method for determining the refractive index of transparent media, including the direction of a plane monochromatic wave ft on the sample under investigation,

made in the form of a plane-parallel plate, the formation of an interference pattern from the sample that has passed through the sample, distinguished so that, in order to simplify the measurements while maintaining their accuracy, the interference pattern is formed by passing the second through the plate

a flat monochromatic wave fl at an angle G to the first monochromatic wave, rotate the plate and measure the order of interference UN (in the interference pattern, when the angle of incidence of the first flat monochromatic wave changes from the initial value of Ј0 to OC, the plate is further rotated and measured a change in the pores of d0k interference & N corresponding to a change in the angle of incidence of the first plane monochromatic wave as a result of the rotation of the plate from the initial angle of incidence 0Ј0 to the value of about 2, excl Nogo ch5 on the angle s.,, wherein rotation of the plate under investigation is carried out in the range of angles at which angles of incidence of the first wave are in the range of from 0 to 90-0, and pokaza0 Tel refractive index ni of the plate is determined from the system of equations

-sin2 Cot; + eHn -sinV; - - -sin2 (ot0 + 9) + n4-sinV0 + cosdx; -cos (o (+ 5 + 0) + cos (o / 0 + 6) -c0SoJ0 & fl,

where t is the plate thickness; i-1,2.

-nn

f /

I-j