Методы измерений характеристик оптических материалов

Оптическая однородность

Оптическая однородность материала характеризуется постоянством показателя преломления заготовки или готовой детали по всему объему. Определение оптической однородности осуществляется с помощью коллиматора и зрительной трубы.

Сущность метода основана на сравнении разрешающей способности объектива коллиматора при введении заготовки в параллельный пучок лучей и без нее. На рис.2 приведена схема установки, позволяющей реализовать данный метод. Излучение источника света 1, проходя через конденсор 2,

светофильтр 3 и штриховую миру 4, поступает на коллиматорный объектив 5. Сформированный объективом параллельный пучок лучей, через диафрагму 6, поступает на исследуемую заготовку 7 и далее на зрительную трубу Т. Очевидно, что если исследуемый оптический материал абсолютно однороден по показателю преломления, а поверхности заготовки имеют плоскую форму, то разрешающая способность объектива коллиматора не изменится после введения ее в параллельный пучок. Для оценки оптической однородности используют коэффициент K= , (3)

где φ - предельный угол разрешения коллиматора, за которым

установлен исследуемый образец;

φ_о – теоретический угол разрешения объектива коллиматора.

Для вычисления угла φ₀ можно пользоваться формулой

φ₀ = , (4)

где D - диаметр диафрагмы коллиматора в миллиметрах, равный диаметру круглой заготовки или наименьшей стороне прямоугольной заготовки.

Фокусное расстояние объектива коллиматора должно быть не менее 600мм, а относительное отверстие 1: 10, но не более 1: 9. Клиновидность заготовок, готовых деталей и контрольных образцов, когда в качестве источника излучения используется лампочка накаливания, не должна превышать 2^’. При использовании монохроматических источников света допуск на клиновидность может быть увеличен до 1⁰. Если заготовка имеет шлифованные поверхности, то на них накладываются полированные плоскопараллельные пластинки, смоченные иммерсионной жидкостью, показатель преломления которой не должен отличаться от показателя преломления заготовки более чем на 0,002 для длины волны равной 589,3нм.

При невозможности подбора требуемой жидкости поверхность исследуемого образца необходимо полировать с точностью до трех интерференционных полос, при этом местные ошибки должны составлять не более 0,3 полосы.

Подготовленный для измерения образец устанавливают в держателе так, чтобы не возникали деформации, вызывающие искажение изображения миры. Включают осветитель, и изображение миры совмещают с центром поля зрения окуляра зрительной трубы. Увеличение окуляра должно соответствовать размеру рассматриваемых элементов миры. Далее определяют предельно разрешаемый элемент миры, а затем по таблицам по номеру миры и предельно разрешаемому элементу находят соответствующий угол φ, и используя формулы (4,3) вычисляют коэффициент оптической однородности исследуемого образца.

Двойное лучепреломление

Явление двойного лучепреломления в стекле по своей физической сути не отличается от двойного лучепреломления, возникающего в одноосных кристаллах (кварц, исландский шпат). Двойное лучепреломление вызывается остаточными напряжениями в стекле после отжига или механической обработки, которые приводят к двоению изображения. Двойное лучепреломление измеряют на поляриметре, схема которого приведена на рис.3. Поляриметр состоит из

источника излучения 1, матового стекла 2, поляризатора 3, исследуемого стекла 4, компенсатора 5, анализатора и светофильтра 7. Компенсатор разности хода представляет собой слюдяную пластинку при длине волны 0,550нм.

Поверхности исследуемого стекла, через которые ведется просмотр, должны быть шлифованными или полированными. Шлифованные поверхности перед измерением смачивают иммерсионной жидкостью, показатель преломления которой не должен отличаться от показателя преломления стекла более чем на 0,02 для длины волны 589,3нм.

Измерение двойного преломления готовых деталей выполняют в кювете с иммерсионной жидкостью. Поверхности таких деталей не должны иметь каких-либо покрытий. Рабочие окна кюветы не должны вносить добавочную разность хода.

Сущность измерений основана на использовании свойств поляризованного света. Лучи выходящие из поляризатора, оказываются линейно поляризованными. При прохождении этих лучей через стекло с поляризующими свойствами каждый из них разделяется на два луча – обыкновенный и необыкновенный. Плоскости колебаний электрических векторов этих лучей взаимно перпендикулярны. Оба луча в стекле распространяются с различной скоростью, образуя некоторую разность хода. Попадая на анализатор, взаимно перпендикулярные колебания лучей приводятся в одну плоскость, интерферируют между собой и в зависимости от разности хода создают картину полос или просветленное поле.

Величина двойного лучепреломления определяется разностью показателей преломления обыкновенного n_o и необыкновенного n_е лучей или разностью хода δ, отнесенной к толщине стекла в 1 см: ,

где l –толщина стекла в см.

При скрещенных плоскостях пропускания анализатора и поляризатора темные полосы в монохроматическом свете возникают тех местах образца, где разность хода δ = kλ (k – целое число) и светлые там, где разность хода равна (2k+1) . В промежутках между этими разностями хода свет выходит эллиптически поляризованным с различной ориентацией эллипса колебаний и с разным соотношением полуосей.

Если напряжения в стекле малы, то сдвиг фаз по образцу мал или почти постоянный, поэтому поле зрения будет равномерно освещенным. При наличии напряжений возникают полосы. Возникшие полосы соответствуют местам равных напряжений, поэтому по картине полос можно судить о распределении остаточных напряжений в стекле. В простейшем случае, если система полос симметричная, в центре (в белом свете) должна наблюдаться центральная темная полоса, соответствующая нулевой разности хода. Тогда порядок любой полосы равен номеру этой полосы, отсчитанному от темной полосы.

Компенсатор введен в схему для проведения более точных измерений разности хода (фаз) когда напряжения в стекле малы или в промежутках между темными полосами. С помощью компенсатора эллиптически-поляризованный свет преобразуют в линейно-поляризованный, и точный сдвиг фаз определяют по лимбу анализатора при его установке на нулевое пропускание.

В начале измерений анализатор, связанный с лимбом, устанавливают на темноту, что соответствует нулевому положению лимба. В пучок поляризованных лучей вводят исследуемое стекло, затем с помощью компенсатора компенсируют разность хода, пока в середине измеряемого участка не наступит наибольшее потемнение. При этом положении компенсатора, вращая анализатор добиваются максимальной темноты и по его лимбу определяют угол поворота θ. По направлению вращения анализатора определяют знак разности хода и соответственно знак напряжений в стекле (растяжение или сжатие).

При наличии двойного лучепреломления на выходе из стекла обе волны будут иметь некоторую разность фаз, которая вычисляется по формуле

= . (5)

В нашем случае сдвиг фаз будет определяться номером полосы N и углом поворота анализатора, θ т.е. φ =(360N+2θ). Категорию стекла по двойному лучепреломлению характеризует величина разности хода δ. Из выражения (5) найдем δ = . Если напряжения в стекле малы, то число темных полос N=0 и выражение для разности хода примет вид δ = .

Таким образом, определив угол поворота анализатора можно найти разность хода лучей и определить категорию стекла по двойному лучепреломлению.

Бессвильность

Свили представляют собой прозрачные участки стекла, отличающиеся по показателю преломления от основной массы. Свили имеют форму нитей, лент слоистых участков, узловые свили имеют вид небольших вытянутых сфер с отходящими от них нитями, идущими обычно от обоих концов. При прохождении пучка лучей через стекло свили искажают ход лучей, что искажает качество изображения.

Бессвильность стекла проверяют на проекционной установке, схема которой приведена на рис.4. Источником света 1 служит газоразрядная лампа

высокого давления. Изображение дуги лампы с помощью конденсора 2 проецируется на отверстие диафрагмы 3. Светофильтр 4 служит для уменьшения освещенности экрана 6 при визуальном наблюдении.

Исследуемый образец должен иметь полированные грани. Стекло любой формы со шлифованными поверхностями и поверхностями раскола просматривают с применением иммерсионной жидкости. При определении бессвильности допускается местное освещение, если прямой свет не попадает на экран и в глаза наблюдателя.

Если в стекле есть свили, то на экране появится теневая картина, состоящая из ряда темных и светлых полос. При отсутствии свилей все поле экрана будет равномерно освещено. Чтобы отличить свили от царапин, нужно повернуть образец на некоторый угол, и тогда тени царапин на экране будут перемещаться вместе с изображением поверхности образца, а свили, двигаясь относительно тени, плавно изменяют темные места на светлые. Свили с меньшим показателем преломления, чем у основной массы стекла, проецируются на экран с темной серединой и светлыми краями, а свили с большим показателем преломления – со светлой серединой и темными полями Размеры свилей и их число характеризуют категорию стекла, а число направлений просмотра – класс стекла по бессвильности.

Пузырность

Пузыри – это замкнутые полости в стекле, заполненные газом различной степени разрежения. Камни, кристаллы и головки узловых свилей при оценке качества стекла на пузырность приравниваются к пузырям.

Метод определения пузырности оптического бесцветного стекла заключается в просмотре его на темном фоне при направленном боковом освещении, когда пузыри вследствие рассеяния ими света хорошо видны. Оптическое цветное стекло просматривают в проходящем свете, при этом изображение пузырей проецируется на экран или сетчатку глаза. На рис.5 приведена схема установки для исследования бесцветного стекла на пузырность.

Установка состоит из осветителя 1, щелевой диафрагмы 2, конденсора 3 и экрана 5, создающего темный фон. Заготовка 4 должна иметь полированные поверхности. Если испытываются стекла в кусках неправильной формы или линзы с неполированными поверхностями, то такие образцы погружают в кювету с иммерсионной жидкостью, показатель преломления которой подобран с точностью 0.002 к показателю преломления исследуемого стекла.

Наблюдатель рассматривает пузыри на темном фоне. Диаметр пузыря определяют визуально, путем сравнения с пузырями в контрольных образцах. При определении диаметра наибольшего пузыря просматриваемое стекло освещают пучком света так, чтобы его внутренняя часть была освещена через одну из боковых поверхностей. Поверхности, перпендикулярные к освещенной, через которые ведется просмотр по возможности следует оставлять в тени. Это достигается с помощью диафрагм, регулирующих диаметр сечения пучка, выходящего из конденсора.

Определение коэффициентов светопоглощения, отражения

и светопропускания оптического стекла

Оптические стекла отличаются высокой прозрачностью, но при больших толщинах они заметно поглощают свет, что сопровождается в ряде случаев легкой желтоватой или зеленоватой окраской. Светопоглощение стекол зависит главным образом от чистоты шихтных материалов и качества стекловаренных горшков. Согласно закону сохранения энергии для потока излучения , падающего на стекло можно записать следующее выражение: = ,

где - отраженный световой поток,

-поглощенный поток,

_- поток, выходящий из стекла.

Выражения для коэффициентов отражения, поглощения и светопропускания будут иметь вид: , , .

Прозрачность оптических стекол в видимой области спектра характеризуется величиной коэффициента светопоглощения, определяемого как отношение потока белого света, поглощенного стеклом на пути 1см, к потоку в начале этого пути.

В соответствии с ГОСТом были установлены семь категорий стекла по коэффициенту светопоглощения:

Категория стекла	000	00	0	1	2	3	4
Коэффициент светопоглощения в % не более	0.2	0.4	0.6	0.8	1.0	1.5	3.0

Стекло категорий 000, 00 и 0 применяют для изготовления деталей многолинзовых систем, призм с большой длиной хода лучей, деталей приборов, в которых высокое светопропускание является основным показателем качества.

Для изготовления оптических деталей любительских фотографических и киносъемочных объективов применяют оптические стекла первой и второй категорий по светопоглощению.

Коэффициент светопоглощения определяют методом, основанным на измерении ослабления светового потока при прохождении через образец. Метод заключается в определении коэффициента пропускания = ,

где - коэффициент отражения свежеполированной поверхности

образца оптического стекла с показателем преломления n,

- толщина образца в сантиметрах.

Отсюда выражение для коэффициента светопоглощения имеет вид : .

Измерения выполняют на образцах, изготовленных в форме параллелепипеда с поперечным сечением не менее 25х25мм. Торцевые стороны образцов должны быть свежеполированы, без царапин и др. Длина образца стекла категорий 000 и 00 должны быть 180-200мм, для более низких категорий 100 10мм.

Для измерения коэффициента пропускания может быть использован фотометр (рис. 6), состоящий из осветителя, фотоэлектрического приемника 7,

м икроамперметра 8 и столика для контролируемого объекта. Осветитель представляет собой коллиматор, состоящий из объектива 4, в фокальной плоскости которого расположена диафрагма 3, освещаемая лампой накаливания 1 с помощью линзы 2. Лампа накаливания питается от стабилизированного источника. За объективом коллиматора расположена ирисовая диафрагма 5, позволяющая изменять сечение пучка лучей, выходящих из коллиматора.

Приемник излучения оформляется в виде шара, окрашенного внутри сернистым барием. В стенку шара монтируется селеновый фотоэлемент, который должен иметь большую временную стабильность тока при постоянной освещенности его поверхности.

Точность выполненных на фотометре измерений определяется соблюдением пропорциональности между освещенностью фотоэлемента и показаниями микроамперметра, т.е. линейностью характеристики измерительного тракта.