CC BY
75
УДК 681.73.066
ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПОСТОЯННЫХ ОКРАШЕННЫХ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ОЧКОВОЙ ОПТИКИ
Е.К. Пруненко, Э.С. Путилин
С помощью рефрактометрического и эллипсометрического методов выполнены измерения оптических постоянных поверхностно окрашенных полимерных материалов. Показано, что в материале после поверхностного окрашивания изменя.тся поглощение, показатель преломления и дисперсия показателя преломления.
Ключевые слова: рефрактометрия, эллипсометрия, показатель преломления, поглощение, дисперсия показателя преломления
Введение
До недавнего времени введение светопоглощающих элементов в корригирующие очки в виде окраски линз или специальных насадок для очков не имело серьезного медицинского обоснования. Такие фильтры применялись для защиты от яркого солнечного света или по косметическим соображениям. Их подбор производился по субъективным ощущениям комфорта у пациента.
Вместе с тем интерес к цветным очкам появился в глубокой древности. Легендарный смарагд римского императора Нерона, через который он рассматривал бой гладиаторов, являлся не только корригирующей линзой, но и цветным светофильтром. Очки цвета «нильской грязи» были необходимой частью экипировки армии Наполеона во время войны в Алжире [1].
Серьезное изучение проблемы хроматической коррекции началось только с 70-х годов двадцатого столетия. Этому способствовало несколько обстоятельств.
1. Открытие повреждающего действия коротковолнового видимого излучения на сетчатку глаза, которое может усугублять дегенеративные заболевания сетчатки, стимулировало появление светофильтров, защищающих глаз в коротковолновой сине-фиолетовой части спектра. Прежде всего, они были введены в материалы для искусственных хрусталиков, в дополнение к ультрафиолетовой защите.
2. Выявление особого действия при использовании спектральных фильтров на разрешающую способность глаза. Подобно естественным внутриглазным фильтрам (хрусталику и желтому пятну), спектральные фильтры улучшают качество изображения на сетчатке за счет уменьшения доли синего света, с которым в значительной мере связаны эффекты смазывания контуров изображения и его контраста [2].
Однако в литературе не встречается исследований оптических постоянных окрашенных полимерных материалов для очковой оптики. Использование некоторых цветных фильтров с известными спектральными характеристиками не рекомендуется в связи с ухудшением зрения. Это может быть связано с дисперсией показателя преломления и возникновением полос поглощения в материале после окрашивания.
Данная работа посвящена измерению оптических постоянных окрашенных полимерных материалов, таких как показатель преломления, дисперсия показателя преломления и поглощение.
Рефрактометрический метод измерения показателя преломления
Измерение показателя преломления материалов и жидких сред рефрактометрическим методом осуществляется при помощи приборов, называемых рефрактометрами. Широкое распространение получил технический рефрактометр Аббе типа ИРФ-454. Принцип действия такого рефрактометра основан на измерении предельного угла преломления или на явлении полного внутреннего отражения на границе раздела двух сред.
Понятие предельного угла вытекает из закона преломления света, который формулируется следующим образом: преломленный луч лежит в плоскости падения; отношение синуса угла падения s к синусу угла преломления в' (рис. 1) не зависит от угла падения и равно отношению показателя преломления второй среды к показателю преломления первой, т.е. sin s /sin в' = щ/щ.
Рис. 1. Отражение и преломление луча света на границе раздела
двух сред
Из этой формулы следует, что при переходе света из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем преломления преломленный луч приближается к нормали, с увеличением угла падения в от нуля до п/2 (скользящий луч) угол преломления в' растет от нуля до некоторого предельного значения р.
В результате в преломленных лучах образуется резкая граница между светлой и темной областями. Из закона преломления при в = п /2 и в'= в следует, что в1пр=и1/и2, т. е. предельный угол преломления зависит только от отношения показателей преломления двух сред. Следовательно, зная показатель преломления одной из сред и определяя на опыте предельный угол, можно найти показатель преломления второй среды. Метод скользящего луча, использующий понятие предельного угла преломления при переходе света из среды с меньшим показателем преломления в среду с большим показателем, применяют для измерения показателей преломления прозрачных жидкостей и твердых тел [3].
Рис. 2. Возникновение полного внутреннего отражения на границе оптически более плотной среды с оптически менее плотной средой
Показатели преломления окрашенных, полупрозрачных и мутных сред определяют в отраженном свете, используя полное внутреннее отражение. В этом случае луч
света падает на границу раздела двух сред со стороны оптически более плотной среды (n2>ni). Для углов падения 8, меньших предельного ß, свет частично проникает в среду с показателем преломления п1, а частично отражается. При ß < 8 < п/2 преломленный луч отсутствует, и наступает полное отражение (рис. 2). В результате этого в отраженных лучах образуется граница в направлениях, по которым можно наблюдать либо свет (полное отражение), либо полутень (частичное отражение) [4].
В работе использовался рефрактометр ИРФ-454 БМ, который предназначен для непосредственного измерения показателя преломления п линии D спектра и средней дисперсии пр-пс неагрессивных жидкостей и твердых тел [5].
Эллипсометрический метод определения показателя преломления и коэффициента поглощения
Сущность эллипсометрического метода измерений состоит в исследовании изменения состояния поляризации пучка света в результате его отражения от изучаемого объекта [6]. Основное уравнение эллипсометрии Rp/Rs=tgx¥-e1 , где Rp, Rs - коэффициенты Френеля для P- и S- составляющих электромагнитной волны, устанавливает связь между микроскопическими (структура поверхности) и макроскопическими (толщина и коэффициент преломления) характеристиками образца и эллипсометрическими параметрами поверхности. Таким образом, tg^ является соотношением амплитуд, а А -разностью фаз компонент отраженного света. Параметры Y и А при заданных углах падения света на образец и длине волны используемого излучения являются характеристиками поверхности и определяются природой вещества, из которого состоит образец, а также структурой приповерхностного слоя, качеством поверхности (средней высотой шероховатостей, структурными нарушениями, обусловленными полировкой, и т. д.), наличием на ней какой-либо пленки той или иной толщины, свойствами среды, в которой находится образец.
Основное уравнение эллипсометрии позволяет по измеренным углам Y и А в рамках выбранной модели поверхности вычислить искомые параметры исследуемой системы (например, показатель преломления образца и коэффициент поглощения с известными характеристиками - классическая задача эллипсометрии) [7].
Эллипсометрия не является прямым методом измерения. Для получения значений оптических постоянных образца (п и k) необходимо использование модели, включающей начальные и граничные значения искомых параметров. Поиск осуществляется путем минимизации функции качества F по методу наименьших квадратов [6].
В качестве источника света в эллипсометрии используется монохроматическое излучение зеленой линии ртути или лазерное излучение. В этом случае измерение эл-липсометрических параметров осуществляется при нескольких углах падения света.
Результаты измерений
Для измерений оптических постоянных в качестве образцов служил материал CR-39 марки ORMA15. Поверхности этих образцов были окрашены в следующие цвета: желтый, оранжевый, зеленый, розовый, сиреневый, голубой, коричневый и серый. В качестве красителей использовались: желтый, розовый и серый цвет изготовителя Brain Power Incoporated (BPI), зеленый и голубой цвет от Coburn Optical International Incopo-rated и порошковый краситель коричневого цвета от Phantom Research Laboratories In-coporated.
С помощью рефрактометра ИРФ-454 БМ, который предназначен для непосредственного измерения показателя преломления п линии D спектра, и набора узкополосных фильтров был определен показатель преломления и дисперсия показателя преломления
исследуемых образцов. Точность измерения показателя преломления на рефрактометре ИРФ-454 БМ составляет ±1-10"4.
Для измерения показателя преломления и коэффициента поглощения использовался эллипсометр ЛЭФ-3М, а в качестве источника излучения - гелий-неоновый лазер с длиной волны Х=632,8 нм. Для обработки измерений была выбрана модель - изотропная подложка с измерением двух параметров (показатель преломления и поглощение) по трем углам.
Некоторые данные измерений приведены в таблице.
Цвет образ- пи П^=483 нм П=521 нм п^=600 нм П,=632,8 нм пХ=656 нм Поглоще-
ца ние
Голубой 1,5005 1,5090 1,5125 1,5070 1,4986 1,5045 0,0133
Розовый 1,5060 1,5131 1,5072 1,5044 1,5128 1,5142 0,0247
Оранжевый 1,5116 1,5085 1,5094 1,5092 1,4943 1,5119 0,0135
Зеленый 1,5070 1,5045 1,5059 1,5050 1,4947 1,5091 0,0189
Серый 1,5050 1,5066 1,5130 1,5085 1,4967 1,5065 0,1980
Коричневый 1,5078 1,5003 1,5002 1,5000 1,4868 1,4990 0,0109
Таблица. Результаты измерения оптических характеристик окрашенных
полимерных образцов
Показатель преломления образцов из материала СЯ-39 до окрашивания составлял 1,5010 для линии Б. Как видно из таблицы, показатель преломления пи образцов, окрашенных в разные цвета, изменился. Для образца оранжевого цвета показатель преломления изменился на величину 0,0106, т.е. во втором знаке. Для очковой оптики изменение показателя преломления во втором знаке приводит к изменению оптической силы линзы по спектру с ухудшением качества изображения в различных участках спектра. Это ведет к снижению остроты зрения и изменениям цветопередачи и цветоощущения.
—Голубой Ф Розовый — — Оранжевый ......................Зеленый - - - - Серый ...........•.............Коричневый
1,52
§ 1,515
х
с»
I 1,51 О
^ 1,505 с
£ 1,5 ¡3
| 1,495 ¡2 1,49 1,485
ф __„, —♦ /
* .......
„............... ............ ............. *......^ . ....... —
»............ ....... V V V
........ .........
...................... г
480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 длина волны, нм
Рис. 3. Зависимость показателя преломления окрашенных образцов от длины волны
Поглощение для образцов разного цвета изменяется от 0,0109 до 0,1980, что соответствует уменьшению освещенности и эффективной работе зрачка глаза человека с более комфортными условиями.
На рис. 3 приведена зависимость показателя преломления окрашенных полимерных образцов от длины волны, т.е. дисперсия показателя преломления.
Заключение
Рефрактометрический и эллипсометрический методы позволяют определить показатель преломления и поглощение окрашенных полимерных материалов, а также дисперсию показателя преломления при использовании набора узкополосных фильтров, работающих на разных длинах волн.
В работе приведены результаты измерений оптических постоянных окрашенных образцов, из которых видно, что при окрашивании полимерных материалов происходит изменение показателя преломления и появляется селективное поглощение.
Для очковой оптики изменение показателя преломления приводит к изменению оптической силы линзы по спектру с ухудшением качества изображения в различных участках спектра. Это ведет к снижению остроты зрения и изменениям цветопередачи и цветоощущения.
Поглощение для образцов разного цвета соответствует уменьшению освещенности и эффективной работе зрачка глаза с более комфортными условиями.
Литература
1. Долганова В.Н., Климович Е. О желтых и желто-зеленых стеклах // Врач. - СПб. -1900. - №3.
2. Розенблюм Ю.З., Островский М.А., Смольянинова И.Л. и др. Спектральные фильтры как вид лечебной коррекции // Вестник офтальмологии. - 1995. - Том 3. - №3.
3. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1970. - Гл. II, § 2, 3.
4. Иоффе Б.В. Рефрактометрические методы химии. - Л.: Химия, 1974.
5. Рефрактометр ИРФ-454. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Г 34.15.051 ТО.
6. Немкова А.А. Измерение показателя преломления однослойного просветляющего покрытия // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. - 2007. - Вып. 38.
7. Громов В.К. Введение в эллипсометрию. - Л.: ЛГУ, 1986.
Пруненко Елена Константиновна
Путилин Эдуард Степанович
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, ассистент, аспирант, prunenko@pochta.ru
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой оптических технологий, eputilin@yandex.ru
