一種基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括邁克爾遜干涉儀，由短相干光源、分光棱鏡、參考反射鏡、和半透半反鏡組成邁克耳遜干涉光路，利用邁克耳遜干涉光路等臂原理,參考反射鏡可前后移動(dòng)從而匹配半透板反鏡與反射鏡之間光程,通過(guò)光柵尺測(cè)量參考鏡移動(dòng)距離則可計(jì)算出半透半反鏡與反射鏡間光程。分別測(cè)量放入樣品前后半透半反鏡與反射鏡間光程和測(cè)量旋轉(zhuǎn)樣品一定角度后半透半反鏡與反射鏡間光程，從而可計(jì)算得到樣品的折射率。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，回避了測(cè)量光學(xué)玻璃物理厚度，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)玻璃折射率的高精度測(cè)量，提出采用迭代的方法，可快速計(jì)算出光學(xué)玻璃折射率。
【專利說(shuō)明】
一種基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及折射率測(cè)量方法和折射率測(cè)量裝置，特別涉及一種基于短相干的光學(xué) 平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空、航天、和天文學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，加大了對(duì)光學(xué)系統(tǒng)質(zhì)量和精度的要求， 為保證光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，精確測(cè)量光學(xué)玻璃材料折射率顯得越來(lái)越重要。大口徑平行平 板類(lèi)元件廣泛應(yīng)用與慣性約束聚變，天文探測(cè)系統(tǒng)等國(guó)家大型光學(xué)裝置中。折射率是該類(lèi) 元件的一項(xiàng)重要指標(biāo)，折射率與設(shè)計(jì)不匹配將直接影響光束質(zhì)量和成像質(zhì)量。
[0003] 現(xiàn)有光學(xué)玻璃材料折射率測(cè)試方法主要有測(cè)角法和干涉法兩種。測(cè)角法主要有垂 直入射法、最小偏向角法、V棱鏡、自準(zhǔn)直等方法，上述測(cè)量方法要求測(cè)量樣品制備成特殊形 狀，因此一般采用小口徑樣品代替大口徑玻璃折射率，但是小口徑樣品無(wú)法完全表征大口 徑玻璃折射率。干涉法主要有F-P干涉法，該方法要求干涉儀兩個(gè)內(nèi)表面需精確到和理想幾 何平面偏差在1/20到1/100波長(zhǎng)，兩個(gè)表面應(yīng)嚴(yán)格平行，樣品面形精度要求較高。
[0004] 申請(qǐng)?zhí)枮镃N201480036869. X的國(guó)內(nèi)發(fā)明公開(kāi)了折射率測(cè)量方法、折射率測(cè)量裝置 及光學(xué)元件制造方法，具體涉及將來(lái)自光源的光分成被檢光和參照光、將被檢光引入到被 檢體中、以及測(cè)量源自參照光與穿過(guò)被檢體的被檢光之間的干涉的干涉光，所述方法包括 以下步驟:通過(guò)將被檢體布置在其群折射率在特定波長(zhǎng)處等于被檢體的群折射率的介質(zhì) 中，測(cè)量源自穿過(guò)被檢體和介質(zhì)的被檢光與穿過(guò)介質(zhì)的參照光之間的干涉的干涉光;基于 被檢光與參照光之間的相位差的波長(zhǎng)依賴性，確定所述特定波長(zhǎng)；以及計(jì)算與所述特定波 長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的介質(zhì)的群折射率作為與所述特定波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的被檢體的群折射率。該測(cè)量方法涉及 群折射率的測(cè)量，導(dǎo)致該方法裝置較為復(fù)雜，同時(shí)該方法存在計(jì)算量大問(wèn)題。
[0005] 申請(qǐng)?zhí)枮镃N02159100.8的國(guó)內(nèi)發(fā)明公開(kāi)了一種透明材料折射率測(cè)量方法及其干 涉測(cè)量?jī)x，主要是將待測(cè)材料制成兩塊對(duì)稱棱鏡組成的組合平板樣品，并將其置于馬赫-陳 德?tīng)柛缮鎯x一臂上，產(chǎn)生兩路干涉，一路是馬赫-陳德?tīng)柛缮?，另一路是組合平板樣品的兩 通光面形成的等厚干涉，組合平板樣品中的一塊固定，另一塊沿固定塊平移的同時(shí)，精密測(cè) 定移動(dòng)過(guò)程中兩路干涉條紋的變化量ml和m2;利用n=l/[ 1-2 (ml/m2)]計(jì)算待測(cè)材料的折 射率。該方法需要對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行特殊的技術(shù)加工，不適用于大型成型的光線平板玻璃的 折射率的測(cè)量，同時(shí)需要利用第二光電接收器和分析處理軟件才能得到測(cè)量結(jié)果，實(shí)用性 較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問(wèn)題，提供了一種基于短相干的光學(xué)平板玻 璃折射率測(cè)量系統(tǒng)及方法，實(shí)現(xiàn)了大口徑玻璃折射率的高精度測(cè)量，無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行特殊 加工，簡(jiǎn)化了折射率的計(jì)算過(guò)程，且該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，測(cè)量成本低，實(shí)用性高。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0008] -種基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)，包括沿直線依次設(shè)置的短相干 光源、分光棱鏡、半透半反鏡、平面反射鏡，分光棱鏡兩側(cè)分別設(shè)置有觀察屏和參考反射鏡， 所述參考反射鏡配有可記錄參考反射鏡移動(dòng)距離的光柵尺，其中，觀察屏和參考反射鏡之 間的連線與短線干光源和半透半反鏡之間的連線垂直，還包括用于測(cè)量待測(cè)樣品旋轉(zhuǎn)角度 的光學(xué)測(cè)角儀。
[0009] 一種采用所述的基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量光學(xué)平板玻璃 折射率的方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟1:沿直線依次設(shè)置短相干光源、分光棱鏡、半透半反鏡、平面反射鏡，在分光 棱鏡兩側(cè)分別設(shè)置觀察屏和參考反射鏡，其中，觀察屏和參考反射鏡之間的連線與短線干 光源和半透半反鏡之間的連線垂直，所述參考反射鏡配有可記錄參考反射鏡移動(dòng)距離的光 柵尺；
[0011] 步驟2:打開(kāi)短相干光源；
[0012] 步驟3:移動(dòng)參考反射鏡，當(dāng)觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺上的讀數(shù)得到 半透半反鏡與平面反射鏡相對(duì)的兩個(gè)表面之間的光程為L(zhǎng);
[0013] 步驟4:將待測(cè)平板玻璃放置在半透半反鏡與平面反射鏡之間，且樣品垂直于短相 干光源發(fā)出的光束:移動(dòng)參考反射鏡，當(dāng)觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺上的讀數(shù)得 到半透半反鏡與平面反射鏡相對(duì)的兩個(gè)表面之間的光程為1^，并且U滿足：
[0014] Li = nh
[0015] 其中，n為樣品在該波長(zhǎng)下折射率，h為樣品厚度；
[0016]步驟5:以旋轉(zhuǎn)角度i旋轉(zhuǎn)樣品，用高精度光學(xué)測(cè)角儀測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度i;
[0017]步驟6:移動(dòng)參考反射鏡，當(dāng)觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺上的讀數(shù)得到 半透半反鏡與平面反射鏡相近的兩個(gè)表面之間的光程為L(zhǎng)2，并且L2滿足：
[0019] 其中，Θ為光線入射樣品后折射角；
[0020] 步驟7:通過(guò)Li = nh和
計(jì)算得到胃
[0021] 步驟8:通過(guò)
丨計(jì)算樣品在該波長(zhǎng)下的折射率η。
[0022] 上述方案中，所述步驟8中的計(jì)算方法為在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行的迭代計(jì)算，包括以下幾 個(gè)步驟：
[0023] 步驟8.1:設(shè)置初始，取變量k = 0，nk的初始值為1，即η〇=1;
[0024] 步驟8.2:輸入測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度i，運(yùn)用公式
-計(jì)算折射角0k;
[0025] 步驟8.3:輸入測(cè)得的1^、1^和1^，運(yùn)用公式
_計(jì)算折射率nk+1;
[0026] 步驟8 · 4:令k = k+l，重復(fù)步驟8 · 2-8 · 3，若nk+i_nk〈 10-6，則輸出最終折射率n = nk+i。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是：
[0028] 1)本發(fā)明裝置光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量精度達(dá)10_6_10_7;
[0029] 2)本發(fā)明提出利用短相干光源波長(zhǎng)相干長(zhǎng)度短的特征，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)玻璃光學(xué)厚度 的高精度測(cè)量，從而回避了測(cè)量光學(xué)玻璃物理厚度精度低導(dǎo)致折射率測(cè)量精度低的難點(diǎn)；
[0030] 3)本發(fā)明利用折射定律通過(guò)旋轉(zhuǎn)光學(xué)玻璃實(shí)現(xiàn)光路的偏折，通過(guò)高精度測(cè)角裝置 實(shí)現(xiàn)了折射角的高精度測(cè)量，進(jìn)一步提高了折射率測(cè)量的精度；
[0031] 4)本發(fā)明通過(guò)折射定律，建立了入射角、折射角、折射率和光學(xué)玻璃光學(xué)厚度的關(guān) 系方程，提出采用迭代的方法，從而可快速計(jì)算出光學(xué)玻璃折射率
[0032] 5)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，加工成本低，生產(chǎn)效率高，實(shí)用性高。
[0033] 6)本裝置適合用光學(xué)平板玻璃的折射率測(cè)量，無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行特殊加工，測(cè)量精 度高。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1為本發(fā)明中基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035] 圖2為本發(fā)明中光路的入射角、折射角示意圖；
[0036] 圖3為本發(fā)明中迭代計(jì)算的流程圖。
[0037] 圖中標(biāo)記：1、短相干光源，2、分光棱鏡，3、觀察屏，4、半透半反鏡，5、平面反射鏡， 6、待測(cè)平板玻璃，7、高精度測(cè)角儀，8、光柵尺，9、參考反射鏡，10、光路。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一 步地詳細(xì)描述。
[0039] 參見(jiàn)圖1-2,一種基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)，包括沿直線依次設(shè) 置的短相干光源1、分光棱鏡2、半透半反鏡4、平面反射鏡5,分光棱鏡2兩側(cè)分別設(shè)置有觀察 屏3和參考反射鏡9，所述參考反射鏡9配有可記錄參考反射鏡移動(dòng)距離的光柵尺8，其中，觀 察屏3和參考反射鏡9之間的連線與短線干光源1和半透半反鏡4之間的連線垂直，所述參考 反射鏡9還配有導(dǎo)軌，還包括用于測(cè)量待測(cè)樣品旋轉(zhuǎn)角度的光學(xué)測(cè)角儀7。
[0040] -種采用所述的基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量光學(xué)平板玻璃 折射率的方法，包括以下步驟：
[0041] 步驟1:沿直線依次設(shè)置短相干光源1、分光棱鏡2、半透半反鏡4、平面反射鏡5,在 分光棱鏡2兩側(cè)分別設(shè)置觀察屏3和參考反射鏡9,其中，觀察屏3和參考反射鏡9之間的連線 與短線干光源1和半透半反鏡4之間的連線垂直，所述參考反射鏡9配有可記錄參考反射鏡 移動(dòng)距離的光柵尺8;
[0042] 步驟2:打開(kāi)短相干光源1;
[0043] 步驟3:移動(dòng)參考反射鏡9,由于短相干光源相干長(zhǎng)度短，僅當(dāng)邁克爾遜干涉儀參考 臂與測(cè)量臂距離相等時(shí)，觀察屏3上出現(xiàn)干涉條紋，通過(guò)光柵尺8上的讀數(shù)得到半透半反鏡4 與平面反射鏡5相對(duì)的兩個(gè)表面之間的光程為L(zhǎng);
[0044] 步驟4:將樣品6放置在半透半反鏡4與平面反射鏡5之間，且樣品6垂直于短相干光 源1發(fā)出的光束:移動(dòng)參考反射鏡9,當(dāng)觀察屏3上出現(xiàn)干涉條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺8上的讀數(shù)得 到半透半反鏡4與平面反射鏡5相對(duì)的兩個(gè)表面之間的光程為1^，并且U滿足：
[0045] Li = nh
[0046] 其中，η為樣品在該波長(zhǎng)下折射率，h為樣品厚度；
[0047] 步驟5:以旋轉(zhuǎn)角度i旋轉(zhuǎn)樣品，用高精度光學(xué)測(cè)角儀7測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度i ;
[0048] 步驟6:移動(dòng)參考反射鏡9,當(dāng)觀察屏3上出現(xiàn)干涉條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺8上的讀數(shù)得 到半透半反鏡4與平面反射鏡5相近的兩個(gè)表面之間的光程為1^ 2，并且L2滿足：

[0050] 其中，Θ為光線入射樣品后折射角；
[0051] 步驟7:通過(guò)Li = nh和
計(jì)算得到·
[0052] 步驟8:利用
:十算樣品在該波長(zhǎng)下的折射率η。
[0053] 參見(jiàn)圖3,步驟8中的計(jì)算方法為在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行的迭代計(jì)算，包括以下幾個(gè)步驟：
[0054] 步驟8 · 1:設(shè)置初始，取變量k = 0，nk的初始值為1，即η〇 = 1;
[0055] 步驟8.2:輸入測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度i，運(yùn)用公式
計(jì)算折射角0k;
[0056] 步驟8.3:輸入測(cè)得的1^、1^和1^，運(yùn)用公式
計(jì)算折射率nk+1;
[0057] 步驟8 · 4:令k = k+l，重復(fù)步驟8 · 2-8 · 3，若nk+i_nk〈 10-6，則輸出最終折射率n = nk+i。
[0058] 參見(jiàn)圖1，測(cè)量過(guò)程中，所述短相干光源1發(fā)射的光經(jīng)分光棱鏡2分為兩束光后，一 束光經(jīng)參考反射鏡反射9，另一束光穿過(guò)半透半反鏡4后經(jīng)平面反射鏡5反射，兩束光再次通 過(guò)分光棱鏡2射向觀察屏3處發(fā)生干涉。
[0059] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和 原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括沿直線依次設(shè) 置的短相干光源（1)、分光棱鏡(2)、半透半反鏡(4)、平面反射鏡(5)，分光棱鏡(2)兩側(cè)分別 設(shè)置有觀察屏(3)和參考反射鏡(9)，所述參考反射鏡(9)配有可記錄參考反射鏡移動(dòng)距離 的光柵尺(8)，其中，觀察屏(3)和參考反射鏡(9)之間的連線與短線干光源（1)和半透半反 鏡(4)之間的連線垂直，還包括用于測(cè)量待測(cè)樣品旋轉(zhuǎn)角度的光學(xué)測(cè)角儀(7)。2. -種采用權(quán)利要求1或2所述的基于短相干的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量光 學(xué)平板玻璃折射率的方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1:沿直線依次設(shè)置短相干光源（1)、分光棱鏡（2)、半透半反鏡（4)、平面反射鏡 (5)，在分光棱鏡(2)兩側(cè)分別設(shè)置觀察屏(3)和參考反射鏡(9)，其中，觀察屏(3)和參考反 射鏡(9)之間的連線與短線干光源（1)和半透半反鏡(4)之間的連線垂直，所述參考反射鏡 (9)配有可記錄參考反射鏡移動(dòng)距離的光柵尺(8); 步驟2:打開(kāi)短相干光源（1); 步驟3:移動(dòng)參考反射鏡(9)，當(dāng)觀察屏(3)上出現(xiàn)干涉條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺(8)上的讀數(shù) 得到半透半反鏡(4)與平面反射鏡(5)相對(duì)的兩個(gè)表面之間的光程為L(zhǎng); 步驟4:將待測(cè)平板玻璃(6)放置在半透半反鏡(4)與平面反射鏡（5)之間，且待測(cè)平板 玻璃(6)垂直于短相干光源（1)發(fā)出的光束:移動(dòng)參考反射鏡(9)，當(dāng)觀察屏（3)上出現(xiàn)干涉 條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺(8)上的讀數(shù)得到半透半反鏡(4)與平面反射鏡(5)相對(duì)的兩個(gè)表面之 間的光程為L(zhǎng) 1，并且L1滿足： Li = nh 其中，η為樣品在該波長(zhǎng)下的折射率，h為樣品厚度； 步驟5:以旋轉(zhuǎn)角度i旋轉(zhuǎn)樣品，用高精度光學(xué)測(cè)角儀(7)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度i ; 步驟6:移動(dòng)參考反射鏡(9)，當(dāng)觀察屏(3)上出現(xiàn)干涉條紋時(shí)，通過(guò)光柵尺(8)上的讀數(shù) 得到半透半反鏡(4)與平面反射鏡(5)相近的兩個(gè)表面之間的光程SL2，并且L2滿足：其中，Θ為光線入射樣品后的折射角；3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于短相干技術(shù)的光學(xué)平板玻璃折射率測(cè)量方法，其特 征在于，所述步驟8中的計(jì)算方法為在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行的迭代計(jì)算，包括以下幾個(gè)步驟： 步驟8.1:設(shè)置初始，取變量k = 0，nk的初始值為1，即no = 1;步驟8.2:輸入測(cè)得的旋轉(zhuǎn)角度? ?角Qk; 步驟8.3:輸入測(cè)得的ULjPL2，運(yùn)f 計(jì)算折射率nk+1; 步驟8 · 4:令k = k+1，重復(fù)步驟8 · 2-8 · 3，若nk+i-nk〈 10-u，則湔出最終折射率n = nk+i。
【文檔編號(hào)】G01N21/45GK106018345SQ201610349666
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】高波, 柴立群, 李強(qiáng), 劉昂, 何宇航, 魏小紅, 徐凱源
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心