CH369903A - Procédé pour la détermination d'une propriété optique d'une couche superficielle d'un milieu transparent et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé - Google Patents

Description

  
 



  Procédé pour la détermination d'une propriété optique d'une couche superficielle
 d'un milieu transparent et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé
 Il est connu d'observer et de mesurer des propriétés optiques et notamment des biréfringences d'un matériau transparent en faisant traverser ce matériau, par exemple sous forme de plaque ou de feuille, dans toute son épaisseur, par un faisceau lumineux,   cn    particulier polarisé. Le chemin optique suivi par le faisceau lumineux peut tre normal ou oblique aux faces de la plaque et la détermination des contraintes, qui comme   l'on    sait sont en relation avec les différences de marche optique, en lumière polarisée, s'obtient par intégration desdites différences de marche optique le long de ce chemin.

   La mesure est impossible dans certains cas, en particulier quand l'intégrale des différences de marche optique est nulle malgré la présence d'un système de contraintes éventuellement très grandes, par exemple lorsque ce système est constitué par des contraintes parallèles aux faces, variant d'une face à l'autre de la plaque et s'équilibrant comme c'est le cas par exemple pour un verre trempé de façon homogène.



   L'invention a pour objet un procédé pour la détermination d'une propriété optique d'une couche superficielle d'un milieu transparent, caractérisé en ce que   l'on    impose à un faisceau de lumière un trajet localisé à l'intérieur dudit milieu le long d'une surface dudit milieu à travers laquelle on fait pénétrer le faisceau de rayons lumineux sous une incidence telle que les rayons fassent à l'intérieur du milieu un angle voisin de 900 avec la normale à la surface, et en ce que   l'on    détermine ladite propriété par examen du faisceau émergeant de cette surface.



   Telle qu'utilisée dans le présent exposé, l'expression   détermination d'une propriété optique  englobe la simple détection, de mme que la mesure d'une propriété optique, notamment de la   biréfrin-   
 gence.



   L'invention comprend également un appareil pour
 la mise en ceuvre de ce procédé. Cet appareil est caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur d'un
 faisceau de rayons lumineux et des moyens d'examen
 du faisceau émergent.



   La titulaire a en effet découvert que dans ces
 conditions une partie au moins des rayons lumineux
 est susceptible de sortir de la plaque par la surface
 par laquelle elle y est entrée en des points plus ou
 moins éloignés du point d'incidence, après avoir
 suivi dans une couche superficielle un trajet dont la profondeur est très faible. Dans certains cas, on a pu observer que la couche intéressée par les rayons
 lumineux est inférieure   au 1/ino    de mm.



   Pour la détermination de la biréfringence et par
 suite des contraintes dans la couche superficielle du
 milieu étudié, on peut utiliser de la lumière polarisée
 et en particulier de la lumière polarisée rectiligne
 ment dont le plan de vibration à l'origine ne soit ni
 parallèle, ni perpendiculaire à la couche dans laquelle
 elle aura à se propager.



   Les moyens d'examen du faisceau émergent peu
 vent comprendre un compensateur à franges permet
 tant de mesurer le déphasage existant entre les deux
 vibrations rectilignes de la lumière polarisée. Le dé
 phasage entre les deux vibrations se mesure en géné
 ral par le déplacement des franges. En lumière poly
 chromatique, on peut suivre ce déplacement en
 mesurant l'écart entre les positions initiale et finale
 d'une frange donnée, de préférence de la frange
 noire. En lumière monochromatique, il est difficile
 d'identifier une frange et la mesure du déplacement
 est plus difficile.  



   La titulaire a constaté que dans les conditions ci-après précisées, qui sont réalisées dans une mise en oeuvre particulière préférée, le système de franges d'un compensateur à franges se trouve non seulement déplacé mais encore que les franges prennent une inclinaison sur leur direction originale, cette inclinaison étant fonction de la valeur de la biréfringence du milieu transparent traversé par la lumière analysée et indépendante de la longueur du trajet des rayons dans le milieu étudié. On a donc, en mesurant cet angle, le moyen de mesurer directement les contraintes superficielles.



   Pour obtenir l'inclinaison des franges, le faisceau de lumière polarisée pénétrant dans le matériau de façon à faire un angle de réfraction voisin de 900 doit tre un pinceau plat très mince de rayons dont la direction de vibration est inclinée sur le plan des couches superficielles. Après avoir traversé le milieu biréfringent dans ses couches superficielles, les rayons émergents, correspondant à ce pinceau initialement plat, forment un faisceau prismatique qui baigne tout le champ du compensateur. Ce compensateur est disposé de façon que son plan moyen soit perpendiculaire au faisceau émergent et que la direction de l'arte réfringente qui est la direction naturelle des franges soit parallèle au plan d'émergence, c'est-à-dire à un plan défini par un rayon émergent et la normale à la surface de la plaque au point où il émerge.



   Alors les déphasages correspondant à chacun des rayons se répartissent entre deux valeurs extrmes correspondant aux limites du champ du compensateur et la titulaire a constaté que cette répartition est linéaire si bien que les franges se trouvent inclinées sur leur direction primitive sans cesser d'tre rectiligne. La tangente de l'angle que fait la direction actuelle d'une frange avec sa direction originale est proportionnelle à la biréfringence de la couche étudiée, et donc à la contrainte superficielle.



   Pour mesurer l'angle dont a tourné dans ces conditions une frange et en particulier la frange noire, quand la lumière incidente est polychromatique, on repère l'azimut dont il faut faire tourner un réticule pour passer de la direction d'origine de la frange à sa direction actuelle; il n'y a donc pas lieu de prévoir des mouvements relatifs des prismes   l'un    par rapport à l'autre.



   Ce repérage pourra tre fait d'une façon très commode en utilisant un compensateur à franges spécial. Ce compensateur est réalisé de manière telle que le plan de localisation des franges soit décalé et soit situé en dehors des lames biréfringentes composant le compensateur. De cette façon on peut avantageusement placer un fil de réticule dans le plan de localisation des franges et observer avec exactitude une coïncidence de directions.



   On utilise pour former le compensateur spécial deux lames biréfringentes uniaxes. L'une de ces lames est à faces parallèles, les faces ayant été taillées de manière à faire un certain angle avec l'axe optique. L'autre est une lame prismatique de petit angle, taillée de façon que l'axe optique soit parallèle à l'arte réfringente ; cette lame prismatique est accolée à la lame à faces parallèles de façon que les axes optiques des deux lames forment un angle droit. On constate qu'avec un tel compensateur le plan de localisation des franges est non seulement en dehors des lames mais peut tre rigoureusement parallèle à la face externe de la lame prismatique, ce qui est spécialement avantageux.



   Une mise en oeuvre particulière du procédé revendiqué est décrite ci-après, à titre d'exemple, en regard du dessin annexé qui représente une forme d'exécution particulière de l'appareil pour cette mise en ceuvre.



   La fig. 1 représente l'ensemble de cette forme d'exécution vue en coupe;
 la fig. 2, un schéma du compensateur.



   L'émetteur de lumière se compose d'une lampe 1 à filament rectiligne, montée dans un support 2 comportant un filetage externe 3 en prise avec une bague filetée 4 assurant le déplacement axial de la lampe, la rotation du support autour de son axe étant empchée par un ergot non représenté. La lampe est associée à une fente 5 parallèle au filament 6 de la lampe ; l'ouverture réglable est limitée par deux lèvres parallèles dont l'une 7 est déplaçable vers l'autre par une vis à tte moletée 8. Cet ensemble permet l'obtention d'un pinceau plat de rayons lumineux, à section rectangulaire très allongée, de direction bien définie et d'une épaisseur déterminée.



  Le pinceau plat de rayons lumineux traverse un polariseur 9 constitué par exemple d'une feuille plastique polarisante qui lui confère une direction de vibration inclinée, par exemple à   45o,    sur le plan moyen du faisceau des rayons.



   Le pinceau plat de lumière polarisée 10, représenté en traits pleins, atteint alors la pièce optique   11;    cette pièce optique a une forme telle qu'elle joue pour la lumière incidente le rôle d'un prisme à réflexion totale et que par sa face 12 elle envoie les rayons du pinceau de lumière polarisée sur la surface 13 de la lame 14 à étudier, sous une incidence très voisine de l'incidence limite correspondant au système prisme-lame, de telle sorte que les rayons réfractés fassent dans la matière de la lame un angle de réfraction très voisin de   90^.   



   Cette pièce optique 11, en une pièce unique ou formée de pièces assemblées, comporte une face plane 15 susceptible de prendre un contact ferme avec la face 13 de la lame. La pièce optique   1 1    est réalisée en matériau transparent d'indice au moins égal à celui de la lame à étudier. Dans le cas d'examen en lumière polychromatique, on se préoccupera également de la dispersion présentée par la substance constituant la pièce optique. En vue d'obtenir un angle de réfraction ayant mme valeur pour toutes les radiations, il y aura intért à déterminer la dispersion de la pièce optique en fonction de celle de la lame à étudier.  



   Par exemple pour des objets en verre d'indice 1,52, la pièce 11 pourra avoir un indice de 1,6. L'inclinaison des rayons sur la surface 15 de la pièce optique 11, en contact avec la face de la lame 14, se trouve tre alors bien supérieure à l'angle limite de la pièce optique par rapport à   l'air;    pour que la lumière puisse sortir de la pièce optique et pénétrer dans les couches superficielles de la lame avec un angle de réfraction voisin de 900, il est nécessaire d'interposer entre la face plane 15 de la pièce optique 11 et la face plane 13 de la lame 14 un liquide d'indice supérieur à l'indice de la lame. On choisit par exemple dans le cas d'une lame en verre d'indice 1,52 et d'une pièce optique d'indice 1,6 du tricrésylphosphate dont l'indice est de 1,56.



   Pour éliminer les rayons lumineux parasites qui ont une intensité très grande vis-à-vis de celle du faisceau transmis, il est préférable d'utiliser un cache approprié tel que écran opaque, surface de réflexion.



  Dans la présente réalisation, par exemple, une encoche 16 creusée perpendiculairement à la face 15 de la pièce optique est remplie   dtune    matière absorbante telle que du brai qui arrte ces rayons parasites.



   Après avoir traversé la couche superficielle de la lame, les rayons lumineux pénètrent à nouveau dans la pièce optique   1 1    par sa face 15 ; ils sont alors réfléchis par réflexion totale sur la face 17 convenablement orientée de la pièce   1 1    et envoyés vers le tube récepteur 18.



   Le tube récepteur 18 contient un compensateur 19 réalisé de la façon suivante. Une lame à faces parallèles 20, d'épaisseur 1,9 mm (fig. 2), a été taillée dans un matériau biréfringent uniaxe de façon telle que l'axe optique 21 soit incliné de 9o sur les faces parallèles de la lame. Cette lame est associée à une lame prismatique de mme matière 22 dont   i'axe    optique 23, vu en bout sur la figure, est parallèle à l'arte réfringente ; cet axe est croisé avec le précédent. La face 24 de la lame prismatique est inclinée de   26      30' sur    son autre face qui est accolée avec la lame à faces parallèles, et sa plus grande épaisseur est de 2,25 mm. Avec un tel ensemble, le compensateur formé a un plan P de localisation des franges situé à 9 mm de la face 24.



   Les deux lames de ce compensateur sont enchâssées à poste fixe dans une barrette 19a, située dans un plan perpendiculaire au faisceau lumineux, de façon que l'arte réfringente de la lame prismatique soit parallèle au plan d'émergence, c'est-à-dire à un plan défini par un rayon émergent et la normale à la surface de la plaque au point où il émerge. Cette barrette peut éventuellement coulisser dans son plan de façon que, mme en lumière polychromatique, on puisse observer les franges dans un domaine étendu de différences de marche optique.



   Après avoir traversé le compensateur, les rayons atteignent un analyseur 26.



   Dans le tube 18 se trouve un tube 30 muni d'une bague graduée 31 et portant à la fois un oculaire positif 27 et un réticule 29, constitué par une plaquette de verre portant un trait gravé. L'oculaire est susceptible d'tre déplacé longitudinalement dans le tube 18 en vue d'ajuster la vue de l'opérateur à la vision nette du réticule. Le réticule lui-mme est solidaire du tube 18, et placé à poste fixe dans le plan de localisation des franges du compensateur.



     I1    est entraîné en rotation quand on agit sur la bague graduée 31, en vue d'amener le trait gravé en position parallèle aux franges. La bague 31 permet de repérer et de mesurer l'angle dont a tourné le réticule, après avoir été mis en coincidence avec la frange, coïncidence observée au moyen de l'oculaire.



  La graduation peut tre faite en valeurs de la tangente de l'angle, et elle permet alors de lire directement la valeur de la contrainte.



   L'appareil comporte en outre un dispositif particulièrement avantageux permettant de choisir un point déterminé de la surface de la lame à étudier et ce par visée d'une marque faite sur cette surface.



  L'appareil est muni d'une barrette coulissante 33 percée de deux ouvertures dont l'une comporte un petit objectif 32 susceptible, quand il se trouve sur l'axe du tube, de projeter dans le plan d'observation de l'oculaire l'image d'un point matérialisé sur la lame. Si   l'on    pousse la barrette dans l'autre sens, l'objectif est escamoté et la lumière à analyser parvient au système de mesure à travers la seconde ouverture.



   Dans l'appareil représenté fig. 1, toutes les pièces sont intégrées dans une enceinte qui se compose d'un protecteur 34 entourant la lampe, sur lequel est montée cette lampe par l'intermédiaire de son dispositif de réglage, et d'un bâti 35 qui enveloppe la pièce optique de contact sans pourtant prendre appui sur la surface de la lame à étudier. La fente d'ouverture réglable 5 et le polariseur 9 sont fixés à ce bâti. La pièce optique 11 et le bâti 35 sont rendus solidaires par exemple par deux clavettes, non représentées, encastrées dans des fentes creusées dans leur paroi. Sur ce bâti 35 est rapporté le tube récepteur 18 comportant les fentes dans lesquelles peuvent coulisser la barrette du compensateur et celle de l'objectif escamotable.



   REVENDICATIONS
 I. Procédé pour la détermination d'une propriété optique d'une couche superficielle d'un milieu transparent, caractérisé en ce que   l'on    impose à un faisceau de lumière un trajet localisé à l'intérieur dudit milieu le long d'une surface dudit milieu à travers laquelle on fait pénétrer le faisceau de rayons lumineux sous une incidence telle que les rayons fassent à l'intérieur du milieu un angle voisin de 900 avec la normale à la surface, et en ce que   l'on    détermine ladite propriété par examen du faisceau émergeant de cette surface.
  

Claims (1)

1. II. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend un émetteur d'un faisceau de rayons lumineux et des moyens d'examen du faisceau émergent.

   SOUS-REVENDICATIONS 1. Procédé selon la revendication I, pour la détermination de la biréfringence, caractérisé en ce que ledit faisceau incident est un faisceau de lumière polarisée.

   2. Procédé selon la sous-revendication 1, caractérisé en ce que ledit faisceau a la forme d'un pinceau plat.

   3. Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que l'on interpose sur le trajet du faisceau incident une pièce optique d'indice au moins égal à celui dudit milieu et comportant une face reposant sur ladite surface dudit milieu, avec une interposition d'un liquide d'indice au moins égal à celui dudit milieu.

   4. Appareil selon la revendication II, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce optique interposée sur le trajet du faisceau incident, d'indice au moins égal à celui dudit milieu et comportant une face destinée à reposer sur ladite surface dudit milieu.

   5. Appareil selon la sous-revendication 4, caractérisé en ce que ladite pièce optique est un prisme à réflexion totale comprenant une première face contre laquelle se réfléchit le faisceau incident, une deuxième face destinée à reposer sur ladite surface dudit milieu et une troisième face contre laquelle se réfléchit le faisceau émergent.

   6. Appareil selon la revendication II, caractérisé en ce qu'il comprend un écran agencé de manière à arrter les rayons parasites n'ayant pas pénétré à travers ladite surface.

   7. Appareil selon les sous-revendications 4 et 6, caractérisé en ce que ledit écran est formé par une encoche creusée dans ladite face, au voisinage du lieu d'incidence du faisceau incident, et remplie d'une matière absorbant lesdits rayons parasites.

   8. Appareil selon la revendication II, pour la mise en oeuvre du procédé selon la sous-revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'examen comprennent un compensateur à franges disposé de façon que le faisceau émergent soit perpendiculaire au plan moyen du compensateur et que la direction de l'arte réfringente du compensateur soit parallèle au plan d'émergence contenant un rayon émergent et la normale à la surface étudiée au point d'émergence, et des moyens de mesure de l'angle d'inclinaison des franges rectilignes par rapport à la direction de l'arte réfringente.

   9. Appareil selon la sous-revendication 8, caractérisé en ce que le compensateur à franges comporte un plan de localisation des franges situé en dehors du compensateur, et en ce que lesdits moyens de mesure comprennent un réticule placé dans ledit plan de localisation et pouvant tourner dans ce plan, et des moyens de repérage de la position angulaire du réticule.

   10. Appareil selon la sous-revendication 8, caractérisé en ce que le compensateur est constitué par deux lames biréfringentes uniaxes, dont l'une est à faces parallèles entre elles et non parallèles à l'axe optique, et dont l'autre est prismatique et ayant son axe optique parallèle à son arte réfringente, les deux lames étant accolées de façon que leurs axes optiques soient à angle droit.

   11. Appareil selon la sous-revendication 10, caractérisé en ce que les deux lames du compensateur sont enchâssées à poste fixe dans une barrette placée perpendiculairement au faisceau émergent et pouvant coulisser dans son plan.

   12. Appareil selon la revendication II, caractérisé en ce que ledit émetteur comprend une lampe à incandescence à filament rectiligne et parallèle à une fente d'épaisseur réglable, ladite lampe étant dépla çable par translation en direction perpendiculaire à la fente.

   13. Appareil selon la revendication II, caractérisé en ce que lesdits moyens d'examen comprennent un objectif escamotable, permettant la visée d'une marque de repérage portée par ladite surface dudit milieu.