Рефрактометры: аналог и цифра

В статье «Базовые принципы работы рефрактометра» (ссылка!) мы рассмотрели оптические явления, возникающие на границе раздела двух сред, которые являются базовыми для построения оптических схем рефрактометров. Помимо оптических элементов, с помощью которых можно получить границу «свет-тень», в автоматических рефрактометрах используется электронный блок обработки информации, содержащий преобразователь свет → электрический сигнал (например, ПЗС-линейка). Это удобно для более точного определения значений измеряемых величин. Такие приборы называются цифровыми, так как обрабатываемый сигнал представляет собой последовательность, двоичный цифровой код (нули и единицы).

Определения «аналоговый» и «цифровой» применяются чаще всего в электронике (аналоговый сигнал, цифровой сигнал), но их можно встретить также и в других областях техники. Цифровой сигнал имеет строго дискретные значения, в то время как аналоговый – непрерывен. 

Глаз человека можно считать аналоговым приемником, поэтому рефрактометры с визуальной оценкой положения границы «свет-тень» (глазом) иногда называют аналоговыми рефрактометрами. Рассмотрим подробнее аналоговые рефрактометры и строение их оптической схемы (в проходящем свете).

Эти рефрактометры в своем составе имеют осветительную (иногда ее называют вторичной) призму из стекла или пластмассы, одна из сторон которой матирована[1]. Матированная сторона призмы служит для получения рассеянного света. Далее рассеянный свет, который можно рассматривать как множество пучков света (см. Рис.1), расположенных на поверхности призмы, освещает тонкий слой исследуемой жидкости под разными углами и, преломляясь на границе раздела сред «исследуемая жидкость/измерительная призма», распространяется в материале измерительной призмы. Материал измерительной призмы имеет очень большой показатель преломления, что позволяет производить измерения показателя преломления оптических сред в широком, от 1,3 до 1,7[2], диапазоне. Чем меньше показатель преломления измерительной призмы, тем у́же диапазон измеряемых значений показателя преломления образца.

На Рис.1 показан ход произвольно выбранного луча 1-1’-1’’ и схематично показан ход скользящего луча 2-2’-2’’, образующего на выходе из измерительной призмы предельный угол φ. То есть в данной измерительной системе не существует лучей, расположенных выше луча 2’’ и в этой области образуется тень. Прошедшие в оптическую зрительную трубу лучи через окуляр прибора видны оператору в виде светлой области, имеющую при правильной настройке четкую границу, которая смещается в ту или иную сторону в зависимости от величины показателя преломления исследуемой жидкости. В зрительной трубе также размещена так называемая «сетка», позволяющая оператору производить визуальную оценку положения границы «свет-тень» по шкале отчетов и получать численное значение показателя преломления исследуемого образца. На этой схеме работают рефрактометры серий Master, DR и NAR.

Общая упрощенная оптическая схема рефрактометров DR и NAR изображена на Рис.2. 

При использовании «белого» источника света для измерения показателя преломления резкой границы света и тени в поле зрения прибора видно не будет, так как из-за дисперсии (зависимости преломления от длины волны) для каждой длины волны появится своя граница. Накладываясь друг на друга, они образуют одну широкую, как бы полутеневую полосу с размытыми границами. Устранение этого явления – ахроматизация − производится с помощью специального оптического элемента (компенсатора), расположенного в нижней части зрительной трубы рефрактометра. 

Компенсатор состоит из двух призм А́мичи, которые могут вращаться вокруг общей оси в противоположных направлениях. Каждая призма Амичи склеена из трех частей, подобранных так, что проходя через призму, желтые лучи не меняют направления (см. Рис.3). 

При положении призм, показанном на Рис. 4а, белый свет, пройдя через компенсатор, разложится в спектр, так как суммарная угловая дисперсия максимальна, а при положении призм, показанном на Рис. 4б, белый свет остается неразложенным (суммарная дисперсия равна нулю).

Поворачивая компенсатор можно подобрать такое относительное положение его призм, при котором их суммарная дисперсия равна по величине и противоположна по знаку дисперсии светового пучка, прошедшего через призменный блок рефрактометра, и суммарная дисперсия будет равна нулю. Благодаря этому разложенный ранее пучок вновь соберется в белый луч, направление которого совпадает с неизменным направлением желтого луча. В поле зрения (окуляре) появится резкая граница, положение которой соответствует лучу определенной длины волны – желтой D-линии натрия, несмотря на то, что поле зрения будет освещено белым светом. 

Некоторые модели рефрактометров серии NAR могут быть использованы и для измерения средней дисперсии показателя преломления, что бывает важным для решения некоторых практических задач:

Мерой дисперсии образца, помещенного на призму, служит поворот призмы компенсатора относительно другой, осуществляемой маховиком, до полного устранения окрашенности границы светотени[3]. Отсчет производится по шкале, вращающейся вместе с маховиком. 

Рефрактометры серии Master более просты, дешевле и не имеют своем составе зеркала и компенсатора. Осветительная и измерительная призмы также имеют немного другую конфигурацию, в частности осветительная призма выполнена из тонкой пластиковой пластины. Несмотря на эти отличия, принцип измерения тот же.

Читателя может смутить, что рефрактометры серии DR-1, имеющие дисплей, на котором отображаются значения показателя преломления, по факту являются аналоговыми. Проясним этот вопрос: в рефрактометрах этой серии отображение измеряемой величины связано не с автоматической оценкой положения границы «свет-тень», как в цифровых моделях, а с положением перекрестия, которое устанавливает оператор, вращая маховик (ручку-регулятор)

Следует отметить, что оптическая схема в проходящем свете может быть использована только для прозрачных образцов. Для мутных и непрозрачных образцов используется метод измерения в отраженном свете, принцип которого мы далее и рассмотрим на примере оптической схемы цифрового прибора.

При определении положения границы «свет-тень» в отраженном свете используется явление полного внутреннего отражения. Излучение источника света, в отличие от предыдущей оптической схемы,  падает на границу раздела сред со стороны материала с бо́льшим показателем преломления[4] (см. Рис.4). 

Лучи расходящегося пучка от источника света (позиция 3 на Рис.4) падают на границу раздела сред «измерительная призма/исследуемое вещество» под разными углами, причем часть из них проходит вверх и не возвращается в оптическую систему (Рис.4в), образуя область тени, а остальные полностью отражаются. В цифровых приборах полностью отраженные лучи регистрируются ПЗС-линейкой или подобным оптико-электронным устройством и далее имеют вид электрического сигнала с большой амплитудой[5], а в аналоговых – воспринимаются глазом как светлая область. При увеличении показателя преломления исследуемой жидкости граница «свет-тень» смещается, как это показано на Рис.5: слева (а) показатель преломления образца меньше, чем справа (б).

Подобные по принципу действия оптические схемы используются в рефрактометрах PAL (кроме PALHikari), Palette, PRM, CM, PAN, RX. 

[1] матовая

[2] Указан типичный диапазон измеряемых показателей преломления

[3] Подробная процедура определения дисперсии показателя преломления в данной статье не рассматривается (дана в руководстве по эксплуатации)

[4] При этом используется расходящийся пучок света

[5] Область тени имеет гораздо меньшую амплитуду