страница - 18
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
63
пучок при этом сохраняет структуру падающего пучка и с помощью дополнительной линзы направляется на фотоприемник. Иногда применяют автоколлимационный вариант метода со светоделителем. Возможны как абсолютные, так и относительные измерения.
С помощью микрофотометрических устройств измерения КЗО можно проводить с высоким пространственным разрешением (вплоть до 0,01 мм и менее), что необходимо при исследовании подложек микросхем, распределения КЗО по торцу световодов и т.п.
Схемы измерения диффузного отражения. В принципе измерение лучистого потока, отражаемого диффузной поверхностью, не представляет особой трудности - достаточно измерить яркость отраженного излучения в одном направлении и проинтегрировать ее на основании закона Ламберта по полусфере.
Особенно удобно измерение ОС при помощи вспомогательного идеального диффузного рассеивателя.
На поверхность контролируемого объекта направляют излучение источника и определяют яркость поверхности . Затем заменяют образец эталоном и измеряют его яркость Ьхэ. Зная рхэ эталона, находят рх объекта по формуле
Рх = Рхэт—•
Хэ
В качестве эталона обычно применяют свежую окись магния или матированное молочное стекло типа МС-13.
Упомянутая выше методика, однако, не пригодна для объектов со смешанным (зеркально-диффузным) характером отражения. При этом отраженное излучение неоднородно распределено по полусфере, и для определения отраженного потока недостаточно измерения в одном направлении. Приемником следует измерить угловую плотность (или яркость) отраженного излучения в каждой точке •полусферы либо собрать излучение из полусферы на приемник. Излучение обычно направляется по нормали к образцу. Индикатрисса отраженного излучения имеет, как правило, осесимметричный характер, поэтому измерение достаточно провести в одной плоскости, содержащей нормаль к образцу. Метод этот, однако, пригоден только для контроля ОС объектов, близких к диффузным, так как при значительной зеркальной составляющей появляется ошибка из-за невозможности измерить ОС при направлениях, близких к нормали. При падении излучения на объект под углом, отличным от нормального, индикатрисса становится неосесимметричной и приходится измерять ОС для всех точек полусферы.
Рас. 1.6.1. Схема рефрактометра с темнополышм осветителем:
1, 2 - сферическое зеркало; 3 - образец; 4 - фотодетектор; 5 - источник света; 6 - экран
4
Рас. 1.6.2. Схема рефрактометра с интегрирующей сферой:
1 - источник света; 2 - экран; 3 - образец; 4 - фотоприемник; 5 - сфера
От указанных недостатков свободна установка, показанная на рис. 1.6.1.
Осесимметричная пространственная индикатрисса отражения создается за счет освещения образца полым конусом света. Это не изменяет значения ОС по сравнению с обычным способом освещения при заданных углах Да и Дф, так как эффект темнопольного освещения сводится к увеличению числа аналогично расположенных относительно поверхности освещенных пучков, т.е. эквивалентно увеличению интенсивности падающего пучка (при изотропности отражательных свойств объекта). Для измерения падающего потока вместо образца ставится приемник излучения.
Вместо собирания излучения из полусферы при падении луча на образец для измерения ОС объектов со смешанным характером отражения можно использовать полусферическое освещение (например, с помощью шара Ульбрихта) и измерение отражения в заданном направлении (рис. 1.6.2).
Внутренняя поверхность сферы покрыта диффузно отражающей краской. Возможность измерения направленной ОС в данном случае следует из принципа Гельмгольца. Для этого достаточно измерить яркость образца и стенки сферы и взять их отношение. Проблемой в этом методе является равномерность окраски сферы.
Для измерения ОС при высоких температурах эффективен метод относительной ре-флектометрии. Он основан на измерении отношения двунаправленных ОС при двух длинах волн Х\ и Х - Метод, однако, пригоден только для веществ, у которых индикатриссы одинаковы для Х\ и Х2, что редко имеет место.
Для собирания отраженного от объекта излучения часто применяют зеркальные полусферы (рис. 1.6.3). Объект и приемник установлены вблизи от центра полусферы в оптически сопряженных точках. Для измерения падающего потока приемник ставится на место образца. ОС определяется по формуле
Рх = Рхс
*ч>тр
J
спад
отр
и с.
пад
- показа-
где рХс - ОС сферы; с,
ния индикатора при соответствующих положениях приемника.
Вместо сферы можно применить параболы, однако им свойственны такие недостатки, как уход части отраженного излучения через отверстие сферы, влияние аберраций оптики и угловой чувствительности приемника.
Рис. 1.6.3. Схема рефрактометра с зеркальной полусферой:
1 - источник света; 2 - зеркало; 3 - полусфера; 4 - образец; 5 - фотодетектор
Рис. 1.6.4. Схема рефрактометра с эллипсоидным зеркалом:
1 - источник света; 2 - эллипсоид; 3 - образец; 4 - фотоприемник
Наиболее эффективны и поэтому свободные от этих недостатков схемы с эллипсоидными зеркалами (рис. 1.6.4). Здесь снижено влияние аберрации, отраженный поток падает на приемник под малым углом, образец и приемник существенно отдалены друг от друга, что облегчает, например, нагрев объекта, возможно определение потерь отраженной энергии через входное отверстие при смешанном отражении образца.
1.6.3.2. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ (КП)
Экспериментально коэффициент поглощения обычно определяется путем измерения ослабления параллельного светового потока при прохождении однородной плоскопараллельной пластины. При этом необходимо учитывать коэффициент отражения от обеих поверхностей. Если известен показатель преломления пластины, его вычисляют по формуле Френеля. Если показатель преломления неизвестен, его отдельно измеряют, например, рефрактометром. Влияние отражения можно исключить, воспользовавшись пластинами из одного материала, но с различными толщинами \\ и /2. Уравнение для вычисления имеет в этом случае вид
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ
65
где Фх1х и Фх/2 " соответственно потоки
после прохождения первой и второй пластин или пропорциональные им сигналы фотоприемника. Перед фотоприемником рекомендуется ставить оптический интегратор типа молочного стекла.
В случае одной пластины КП определяют по формуле
ax=(l//)[21g(l-px)-lgxx],
где и рх - соответственно коэффициенты
пропускания и отражения образца.
Измерения в белом (полихроматическом) свете проводят, используя широкополосные излучатели и приемники со светофильтрами.
Интегральный КП может быть также подсчитан по результатам его спектрофотомет-рического определения по формуле
Kni:=ai:=lFxaxSxdk/JFxSxdky
где Fx и 5Х - спектральные плотности излучения света и чувствительности фотоприемника. Пределы интегрирования выбираются исходя из задачи.
Схема рефрактометрического метода измерения КП показана на рис. 1.6.5. Излучение непрерывного или импульсного лазера 1 линзой 5 фокусируется на объект 7. Диффузно отраженное излучение сферическим зеркалом 6 фокусируется на приемник излучения 8. Зеркально отраженное излучение полупрозрачной пластиной 2 направляется на приемник 4. Пластинка 2 направляет также часть излучения лазера на контрольный приемник 3. КП определяется по формуле
н
л = 1-р,
где р = рд + р3, рд и р3 - соответственно
коэффициенты диффузного и зеркального отражения, определяемые по сигналам приемников 3, 4 и 8. Калибровка прибора производится по стандартным фотометрическим эталонам. Объект может в процессе эксперимента нагреваться (охлаждаться) от дополнительного (внешнего) источника питания. Измерения проводят на образцах различной шероховатости без покрытия и с различными поглощающими пленками.
1.6.3.3. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА РАССЕЯНИЯ СВЕТА
Измерения коэффициента рассеяния света (КРС) для слабо рассеивающих веществ (оптические стекла, некоторые полимеры) проводят аналогично измерению коэффициента пропускания света (КПС). Образец в виде плоской пластины с полированными гранями устанавливается нормально к параллельному пучку света, диаметр которого должен быть менее габарита образца. Предварительно измеряется сигнал, пропорциональный интенсивности прямо прошедшего света у§ .
Затем фотоприемную часть прибора, состоящую из объектива и жестко скрепленного с ним приемника лучистой энергии, поворачивают вокруг оси, проходящей через середину образца, на угол, при котором "прямой" поток излучения не попадает на приемник. В этом случае сигнал прибора у пропорционален только рассеянному световому потоку.
КРС вычисляют по формуле
Щ, = У/У0-
Ряс. 1.6.5. Схема лазерного рефрактометра
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]