izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2026-2-46-57izmertech-2468Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSАнализ погрешности измерений показателя преломления инфракрасных материалов методом наименьшего отклоненияAccuracy analysis of the infrared materials refractive index measurements by the minimum deviation methodhttps://orcid.org/0000-0003-0237-4738ВишняковГ. Н.VishnyakovG. N.

Геннадий Николаевич Вишняков, д-р техн. наук, начальник лаборатории измерений оптических постоянных веществ

Author ID: 7003644474

119361, Москва, ул. Озёрная, 46

Gennady N. Vishnyakov, D. Sc. (Engineering), Head of the Laboratory for Measurements of Optical Constants

Author ID: 7003644474

119361, Moscow, Ozernaya st., 46

vish@vniiofi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6401-5530ЮринА. И.YurinA. I.

Александр Игоревич Юрин, канд. техн. наук, доцент

Author ID: 15756657400

101000, г. Москва, ул. Мясницкая, 20

 

Alexander I. Yurin, Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor, HSE University

Author ID: 15756657400

101000, Moscow, Myasnitskaya st., 20

ayurin@hse.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4356-301XМинаевВ. Л.MinaevV. L.

Владимир Леонидович Минаев, д-р техн. наук, начальник отделения голографии, оптической томографии, нанотехнологий и наноматериалов

Author ID: 7007026957

119361, Москва, ул. Озёрная, 46

Vladimir L. Minaev, D. Sc. (Engineering), Head of the Department of Holography, Optical Tomography, Nanotechnology and Nanomaterials

Author ID: 7007026957

119361, Moscow, Ozernaya st., 46

minaev@vniiofi.ruШумскийЕ. В.ShumskyiE. V.

Евгений Вячеславович Шумский, ведущий инженер

119361, Москва, ул. Озёрная, 46

Evgeniy V. Shumskiy, Lead Engineer

119361, Moscow, Ozernaya st., 46

shumsky@vniiofi.ruВсероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений; Московский государственный технический университет имени Н. Э. Баумана (национальный исследовательский университет)РоссияAll-Russian Research Institute for Optical and Physical Measurements; Bauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияAll -Russian Research Institute for Optical and Physical Measurements; HSE UniversityRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений; Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»РоссияAll-Russian Research Institute for Optical and Physical Measurements; HSE UniversityRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измеренийРоссияAll-Russian Research Institute for Optical and Physical MeasurementsRussian Federation202611052026752К 60-летию ВНИИОФИ4657Copyright © Вишняков Г.Н., Юрин А.И., Минаев В.Л., Шумский Е.В., 20262026Вишняков Г.Н., Юрин А.И., Минаев В.Л., Шумский Е.В.Vishnyakov G.N., Yurin A.I., Minaev V.L., Shumskyi E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/2468

Рассмотрены проблемы метрологического обеспечения средств измерений показателя преломления твёрдых оптических материалов (кремния, германия и т. п.), применяемых в инфракрасном диапазоне спектра (инфракрасных материалов). Показатель преломления оптических материалов в инфракрасном диапазоне длин волн необходимо знать с высокой точностью при разработке оптики для тепловизоров, приборов ночного видения и т. п. В настоящее время актуальны задачи разработки отечественных средств измерений показателя преломления в инфракрасной области спектра и анализ погрешностей данных измерений. Представлена схема разработанного инфракрасного рефрактометра на базе гониометра. С помощью данного рефрактометра реализован метод наименьшего отклонения для измерений показателя преломления инфракрасных материалов в автоматическом режиме. Проанализирована погрешность измерений показателя преломления инфракрасных материалов методом наименьшего отклонения с помощью разработанного инфракрасного рефрактометра на базе гониометра с учётом влияния погрешностей измерений угла призмы, угла отклонения луча, длины волны излучения и температуры. Рассмотрено влияние дифракции на погрешность измерений углов отклонения излучения инфракрасного диапазона. Оценена суммарная погрешность измерений показателя преломления соответственно германия и кремния в диапазонах 3–5 и 8–12 мкм, которая составила 4,1·10–5 и 2,5·10–5. Полученные результаты важны для выработки требований к составным частям Государственного первичного эталона единицы показателя преломления ГЭТ 138-2021 при его совершенствовании с целью расширения диапазона длин волн на средний и дальний инфракрасный диапазоны.

The problems of metrological assurance for measuring the refractive index of solid optical materials (silicon, germanium, etc.) used in the infrared range of the spectrum (infrared materials) are considered. The refractive index of optical materials in the infrared wavelength range must be known with high accuracy when developing optics for thermal imagers, night vision devices, etc. Currently, the tasks of developing domestic instruments for measuring the refractive index in the infrared region of the spectrum and analyzing measurement errors are relevant. The scheme of the developed infrared refractometer based on a goniometer is presented. Using this refractometer, the method of the minimum deviation for refractive index of infrared materials measurements in automatic mode is implemented. The error of measuring the refractive index of infrared materials by the method of minimum deviation using a developed infrared refractometer based on a goniometer is analyzed, considering the infl uence of measurement errors of the prism angle, beam deviation angle, radiation wavelength and temperature. The infl uence of diffraction on the measurement error of the deviation angles of infrared radiation is considered. The total error of refractive index measurements in the ranges 3–5 and 8–12 microns for germanium and silicon was estimated, which was 4.1·10–5 and 2.5·10–5, respectively. The results obtained are important for developing requirements for the components of the State Primary Standard of the Refractive Index Unit GET 138-2021 when improving it in order to expand the wavelength range to the middle and far infrared ranges.

показатель преломленияинфракрасная рефрактометриягониометрияметод наименьшего отклонениядифракция инфракрасного излученияанализ погрешностейrefractive indexinfrared refractometrygoniometryminimum deviation methodinfrared diffractionaccuracy analysisРабота выполнена в рамках совершенствования Государственного первичного эталона единицы показателя преломления ГЭТ 138-2021 с целью расширения диапазона длин волн на средний и дальний ИК-диапазоны (соглашение № 172-03-2026-003, шифр «Рефрактометрия ИК»).Support from the Basic Research Program of HSE University is gratefully acknowledged.ReferencesБахшиева Г. Ф., Левин Б. М. Прибор ИФ-24 для измерения показателей преломления и дисперсии оптических материалов. Оптико-механическая промышленность, (2), 28–30 (1971).Bakhshieva G. F., Levin B. M. IF-24 instrument for measuring refractive indices and dispersion of optical materials. Optical and Mechanical Industry, 2, 28–30 (1971). (In Russ.)Забудский И. П., Молочников Б. И., Бахшиева Г. Ф., Миронова Л. Н., Ольховский М. В. Инфракрасный гониометрический рефрактометр ГСИ. Оптико-механическая промышленность, (10), 31–34 (1978).Zabudskiy I. P., Molochnikov B. I., Bakhshieva G. F., Mironova L. N., Olkhovskiy M. V. The GSI Infrared goniometric refractometer. Soviet Journal Of Optical Technology, 45, 635 (1978).Burnett J. H., Benck E. C., Kaplan S. G., Stover E., Phenis A. Index of refraction of germanium. Applied Optics, 59(13), 3985–3991 (2020). https://doi.org/10.1364/AO.382408 ; https://www.elibrary.ru/gtynwgBurnett J. H., Benck E. C., Kaplan S. G., Stover E., Phenis A. Index of refraction of germanium. Applied Optics, 59(13), 3985–3991 (2020). https://doi.org/10.1364/AO.382408 ; https://www.elibrary.ru/gtynwgLeviton D. B., Frey B. J., Kvamme T. High accuracy, absolute, cryogenic refractive index measurements of infrared lens materials for JWST NIRCam using CHARMS. Proc. SPIE. Cryogenic Optical Systems and Instruments XI, 5904, 59040O (2008). https://doi.org/10.1117/12.619306Leviton D. B., Frey B. J., Kvamme T. High accuracy, absolute, cryogenic refractive index measurements of infrared lens materials for JWST NIRCam using CHARMS. Proc. SPIE. Cryogenic Optical Systems and Instruments XI, 5904, 59040O (2008). https://doi.org/10.1117/12.619306Edwin R. A recording refractometer for the measurement of refractive indices of solids in the wavelength range 8–14 μm. Journal of Physics E: Scientifi c Instruments, 6(10), 1035 (1973). https://doi.org/10.1088/0022-3735/6/10/025Edwin R. A recording refractometer for the measurement of refractive indices of solids in the wavelength range 8–14 μm. Journal of Physics E: Scientifi c Instruments, 6(10), 1035 (1973). https://doi.org/10.1088/0022-3735/6/10/025Edwin R. P., Dudermel M. T., Lamare M. Refractive index measurements of ten germanium samples. Applied Optics, 21(5), 878–881 (1982). https://doi.org/10.1364/AO.21.000878Edwin R. P., Dudermel M. T., Lamare M. Refractive index measurements of ten germanium samples. Applied Optics, 21(5), 878–881 (1982). https://doi.org/10.1364/AO.21.000878Meyzonnette J.-L., Mangin J., Cathelinaud M. Refractive Index of Optical Materials. In Springer Handbook of Glass, Springer Handbooks (SHB). Springer, Cham., рр. 997–1045 (2019). https://doi.org/10.1007/978-3-319-93728-1_29 ; https://www.elibrary.ru/udcizkMeyzonnette J.-L., Mangin J., Cathelinaud M. Refractive Index of Optical Materials. In Springer Handbook of Glass, Springer Handbooks (SHB). Springer, Cham., рр. 997–1045 (2019). https://doi.org/10.1007/978-3-319-93728-1_29 ; https://www.elibrary.ru/udcizkIcenogle H. W., Platt B. C., Wolfe W. L. Refractive indexes and temperature coeffi cients of germanium and silicon. Applied Optics, 15(10), 2348–2351 (1976). https://doi.org/10.1364/AO.15.002348Icenogle H. W., Platt B. C., Wolfe W. L. Refractive indexes and temperature coeffi cients of germanium and silicon. Applied Optics, 15(10), 2348–2351 (1976). https://doi.org/10.1364/AO.15.002348Nunley T. N., Fernando N. S., Samarasingha N., Moya J. M., Nelson C. M., Medina A. A., Zollner S. Optical constants of germanium and thermally grown germanium dioxide from 0.5 to 6.6 eV via a multi-sample ellipsometry investigation. Journal of Vacuum Science and Technology B, 34(6), 061205 (2016). https://doi.org/10.1116/1.4963075Nunley T. N., Fernando N. S., Samarasingha N., Moya J. M., Nelson C. M., Medina A. A., Zollner S. Optical constants of germanium and thermally grown germanium dioxide from 0.5 to 6.6 eV via a multi-sample ellipsometry investigation. Journal of Vacuum Science and Technology B, 34(6), 061205 (2016). https://doi.org/10.1116/1.4963075Wang X., Shi C., Zheng Q., Thompson D. Resonant enhancement of the thermorefl ectance response of silicon nanodisks. Applied Physics Letters, 127(6), 061103 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0276240 ; https://www.elibrary.ru/icktrtWang X., Shi C., Zheng Q., Thompson D. Resonant enhancement of the thermorefl ectance response of silicon nanodisks. Applied Physics Letters, 127(6), 061103 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0276240 ; https://www.elibrary.ru/icktrtВишняков Г. Н., Левин Г. Г., Корнышева С. В. Государственный первичный эталон единицы показателя преломления. Измерительная техника, (11), 3–6 (2004). https://www.elibrary.ru/pegzldVishnyakov G. N., Levin G. G., Kornysheva S. V. The state primary standard for the unit of refractive index. Izmeritel’naya Tekhnika, (2), 3–6 (2004). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/pegzldВишняков Г. Н., Левин Г. Г., Корнышева С. В., Зюзев Г. Н., Людомирский М. Б., Павлов П. А., Филатов Ю. В. Измерение показателя преломления на гониометре в динамическом режиме. Оптический журнал, 72(12), 53–58 (2005). https://www.elibrary.ru/hsorrvVishnyakov G. N., Levin G. G., Kornysheva S. V., Zyuzev G. N., Lyudomirskiǐ M. B., Pavlov P. A., Filatov Yu. V. Measuring the refractive index on goniometer in the dynamic regime. Journal of Optical Technology, 72(12), 929–933 (2005). https://doi.org/10.1364/JOT.72.000929Вишняков Г. Н., Минаев В. Л., Бочкарева С. С. Государственный первичный эталон единицы показателя преломления ГЭТ 138-2021. Измерительная техника, (5), 4–9 (2022). https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-5-4-9 ; https://www.elibrary.ru/zclnykVishnyakov G. N., Minaev V. L., Bochkareva S. S. GET 138-2021 State primary refractive index standard. Izmeritel’naya Tekhnika, (5), 4–9 (2022). (In Russ.) https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2022-5-4-9 ; https://www.elibrary.ru/zclnykKuiper M., Koops R., Nieuwland R., Van der Pol E. Method to traceably determine the refractive index by measuring the angle of minimum deviation. Metrologia, 59(5), 055006 (2022). https://doi.org/10.1088/1681-7575/ac8991 ; https://www.elibrary.ru/tzwnlmKuiper M., Koops R., Nieuwland R., Van der Pol E. Method to traceably determine the refractive index by measuring the angle of minimum deviation, Metrologia, 59(5), 055006 (2022). https://doi.org/10.1088/1681-7575/ac8991 ; https://www.elibrary.ru/tzwnlmYurin A., Vishnyakov G., Minaev V., Golopolosov A. The modifi ed minimum deviation method for measuring the refractive index. Optik, 292, 171400 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171400 ; https://www.elibrary.ru/ssooatYurin A., Vishnyakov G., Minaev V., Golopolosov A. The modifi ed minimum deviation method for measuring the refractive index. Optik, 292, 171400 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.171400 ; https://www.elibrary.ru/ssooatBirch K. P., Downs M. J. An updated Edlen equation for the refractive index of air. Metrologia, 30(3), 155–162 (1993). https://doi.org/10.1088/0026-1394/30/3/004Birch K. P., Downs M. J. An updated Edlen equation for the refractive index of air. Metrologia, 30(3), 155–162 (1993). https://doi.org/10.1088/0026-1394/30/3/004Polyanskiy M. N. Refractiveindex.info database of optical constants. Scientifi c Data, 11, 94 (2024). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02898-2Polyanskiy M. N. Refractiveindex.info database of optical constants. Scientifi c Data, 11, 94 (2024). https://doi.org/10.1038/s41597-023-02898-2Малышев В. И. Введение в экспериментальную спектроскопию. Наука, Москва (1979).Malyshev V. I. Introduction to experimental spectroscopy. Nauka publ., Moscow (1979). (In Russ.)Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. Мир, Москва (1970).Goodman J. W. Introduction to Fourier optics. MCGRAW-HILL BOOK COMPANY (1968).Tian Q., Huhns M. N. Algorithms for subpixel registration. Computer Vision, Graphics and Image Processing, 35(2), 220–233 (1986). https://doi.org/10.1016/0734-189X(86)90028-9Tian Q., Huhns M. N. Algorithms for subpixel registration. Computer Vision, Graphics and Image Processing, 35(2), 220–233 (1986). https://doi.org/10.1016/0734-189X(86)90028-9Левин Г. Г., Илюшин Я. А., Минаев В. Л., Моисеев Н. Н. Определение наноперемещений объекта по оптическому фазовому изображению. Измерительная техника, (7), 38–42 (2010). https://www.elibrary.ru/mvqnxjLevin G. G., Minaev V. L., Moiseev N. N., Ilyushin Ya. A. Measurement of nanomovements of an object from the optical phase image. Izmeritel’naya Tekhnika, (7), 38–42 (2010). (In Russ.) https://www.elibrary.ru/mvqnxj

The authors declare that there are no conflicts of interest present.