一種基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(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從而匹配半透板反鏡與反射鏡之間光程,通過光柵尺測量參考鏡移動距離則可計算出半透半反鏡與反射鏡間光程。分別測量放入樣品前后半透半反鏡與反射鏡間光程和測量旋轉(zhuǎn)樣品一定角度后半透半反鏡與反射鏡間光程，從而可計算得到樣品的折射率。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，回避了測量光學玻璃物理厚度，實現(xiàn)了光學玻璃折射率的高精度測量，提出采用迭代的方法，可快速計算出光學玻璃折射率。
【專利說明】
一種基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及折射率測量方法和折射率測量裝置，特別涉及一種基于短相干的光學 平板玻璃折射率測量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著航空、航天、和天文學等領(lǐng)域的發(fā)展，加大了對光學系統(tǒng)質(zhì)量和精度的要求， 為保證光學系統(tǒng)成像質(zhì)量，精確測量光學玻璃材料折射率顯得越來越重要。大口徑平行平 板類元件廣泛應用與慣性約束聚變，天文探測系統(tǒng)等國家大型光學裝置中。折射率是該類 元件的一項重要指標，折射率與設(shè)計不匹配將直接影響光束質(zhì)量和成像質(zhì)量。
[0003] 現(xiàn)有光學玻璃材料折射率測試方法主要有測角法和干涉法兩種。測角法主要有垂 直入射法、最小偏向角法、V棱鏡、自準直等方法，上述測量方法要求測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，兩個表面應嚴格平行，樣品面形精度要求較高。
[0004] 申請?zhí)枮镃N201480036869. X的國內(nèi)發(fā)明公開了折射率測量方法、折射率測量裝置 及光學元件制造方法，具體涉及將來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、以及測量源自參照光與穿過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:通過將被檢體布置在其群折射率在特定波長處等于被檢體的群折射率的介質(zhì) 中，測量源自穿過被檢體和介質(zhì)的被檢光與穿過介質(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依賴性，確定所述特定波長；以及計算與所述特定波 長對應的介質(zhì)的群折射率作為與所述特定波長對應的被檢體的群折射率。該測量方法涉及 群折射率的測量，導致該方法裝置較為復雜，同時該方法存在計算量大問題。
[0005] 申請?zhí)枮镃N02159100.8的國內(nèi)發(fā)明公開了一種透明材料折射率測量方法及其干 涉測量儀，主要是將待測材料制成兩塊對稱棱鏡組成的組合平板樣品，并將其置于馬赫-陳 德爾干涉儀一臂上，產(chǎn)生兩路干涉，一路是馬赫-陳德爾干涉，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，精密測 定移動過程中兩路干涉條紋的變化量ml和m2;利用n=l/[ 1-2 (ml/m2)]計算待測材料的折 射率。該方法需要對待測樣品進行特殊的技術(shù)加工，不適用于大型成型的光線平板玻璃的 折射率的測量，同時需要利用第二光電接收器和分析處理軟件才能得到測量結(jié)果，實用性 較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以上問題，提供了一種基于短相干的光學平板玻 璃折射率測量系統(tǒng)及方法，實現(xiàn)了大口徑玻璃折射率的高精度測量，無需對樣品進行特殊 加工，簡化了折射率的計算過程，且該裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，測量成本低，實用性高。
[0007] 為了實現(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平板玻璃折射率測量系統(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，還包括用于測量待測樣品旋轉(zhuǎn)角度 的光學測角儀。
[0009] 一種采用所述的基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(tǒng)測量光學平板玻璃 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距離的光 柵尺；
[0011] 步驟2:打開短相干光源；
[0012] 步驟3:移動參考反射鏡，當觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋時，通過光柵尺上的讀數(shù)得到 半透半反鏡與平面反射鏡相對的兩個表面之間的光程為L;
[0013] 步驟4:將待測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:移動參考反射鏡，當觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋時，通過光柵尺上的讀數(shù)得 到半透半反鏡與平面反射鏡相對的兩個表面之間的光程為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，用高精度光學測角儀測量旋轉(zhuǎn)角度i;
[0017]步驟6:移動參考反射鏡，當觀察屏上出現(xiàn)干涉條紋時，通過光柵尺上的讀數(shù)得到 半透半反鏡與平面反射鏡相近的兩個表面之間的光程為L2，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Li = nh和
計算得到胃
[0021] 步驟8:通過
丨計算樣品在該波長下的折射率η。
[0022] 上述方案中，所述步驟8中的計算方法為在計算機中進行的迭代計算，包括以下幾 個步驟：
[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:輸入測得的旋轉(zhuǎn)角度i，運用公式
-計算折射角0k;
[0025] 步驟8.3:輸入測得的1^、1^和1^，運用公式
_計算折射率nk+1;
[0026] 步驟8 · 4:令k = k+l，重復步驟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)明裝置光學平板玻璃折射率測量精度達10_6_10_7;
[0029] 2)本發(fā)明提出利用短相干光源波長相干長度短的特征，實現(xiàn)了光學玻璃光學厚度 的高精度測量，從而回避了測量光學玻璃物理厚度精度低導致折射率測量精度低的難點；
[0030] 3)本發(fā)明利用折射定律通過旋轉(zhuǎn)光學玻璃實現(xiàn)光路的偏折，通過高精度測角裝置 實現(xiàn)了折射角的高精度測量，進一步提高了折射率測量的精度；
[0031] 4)本發(fā)明通過折射定律，建立了入射角、折射角、折射率和光學玻璃光學厚度的關(guān) 系方程，提出采用迭代的方法，從而可快速計算出光學玻璃折射率
[0032] 5)本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，加工成本低，生產(chǎn)效率高，實用性高。
[0033] 6)本裝置適合用光學平板玻璃的折射率測量，無需對樣品進行特殊加工，測量精 度高。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發(fā)明中基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(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)明中迭代計算的流程圖。
[0037] 圖中標記：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、待測平板玻璃，7、高精度測角儀，8、光柵尺，9、參考反射鏡，10、光路。
【具體實施方式】
[0038]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一 步地詳細描述。
[0039] 參見圖1-2,一種基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(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還配有導軌，還包括用于測量待測樣品旋轉(zhuǎn)角度的光學測角儀7。
[0040] -種采用所述的基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(tǒng)測量光學平板玻璃 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 移動距離的光柵尺8;
[0042] 步驟2:打開短相干光源1;
[0043] 步驟3:移動參考反射鏡9,由于短相干光源相干長度短，僅當邁克爾遜干涉儀參考 臂與測量臂距離相等時，觀察屏3上出現(xiàn)干涉條紋，通過光柵尺8上的讀數(shù)得到半透半反鏡4 與平面反射鏡5相對的兩個表面之間的光程為L;
[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:移動參考反射鏡9,當觀察屏3上出現(xiàn)干涉條紋時，通過光柵尺8上的讀數(shù)得 到半透半反鏡4與平面反射鏡5相對的兩個表面之間的光程為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，用高精度光學測角儀7測量旋轉(zhuǎn)角度i ;
[0048] 步驟6:移動參考反射鏡9,當觀察屏3上出現(xiàn)干涉條紋時，通過光柵尺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Li = nh和
計算得到·
[0052] 步驟8:利用
:十算樣品在該波長下的折射率η。
[0053] 參見圖3,步驟8中的計算方法為在計算機中進行的迭代計算，包括以下幾個步驟：
[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:輸入測得的旋轉(zhuǎn)角度i，運用公式
計算折射角0k;
[0056] 步驟8.3:輸入測得的1^、1^和1^，運用公式
計算折射率nk+1;
[0057] 步驟8 · 4:令k = k+l，重復步驟8 · 2-8 · 3，若nk+i_nk〈 10-6，則輸出最終折射率n = nk+i。
[0058] 參見圖1，測量過程中，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，另一束光穿過半透半反鏡4后經(jīng)平面反射鏡5反射，兩束光再次通 過分光棱鏡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、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(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，還包括用于測量待測樣品旋轉(zhuǎn)角度的光學測角儀(7)。2. -種采用權(quán)利要求1或2所述的基于短相干的光學平板玻璃折射率測量系統(tǒng)測量光 學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距離的光柵尺(8); 步驟2:打開短相干光源（1); 步驟3:移動參考反射鏡(9)，當觀察屏(3)上出現(xiàn)干涉條紋時，通過光柵尺(8)上的讀數(shù) 得到半透半反鏡(4)與平面反射鏡(5)相對的兩個表面之間的光程為L; 步驟4:將待測平板玻璃(6)放置在半透半反鏡(4)與平面反射鏡（5)之間，且待測平板 玻璃(6)垂直于短相干光源（1)發(fā)出的光束:移動參考反射鏡(9)，當觀察屏（3)上出現(xiàn)干涉 條紋時，通過光柵尺(8)上的讀數(shù)得到半透半反鏡(4)與平面反射鏡(5)相對的兩個表面之 間的光程為L 1，并且L1滿足： Li = nh 其中，η為樣品在該波長下的折射率，h為樣品厚度； 步驟5:以旋轉(zhuǎn)角度i旋轉(zhuǎn)樣品，用高精度光學測角儀(7)測量旋轉(zhuǎn)角度i ; 步驟6:移動參考反射鏡(9)，當觀察屏(3)上出現(xiàn)干涉條紋時，通過光柵尺(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)的光學平板玻璃折射率測量方法，其特 征在于，所述步驟8中的計算方法為在計算機中進行的迭代計算，包括以下幾個步驟： 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:輸入測得的旋轉(zhuǎn)角度? ?角Qk; 步驟8.3:輸入測得的ULjPL2，運f 計算折射率nk+1; 步驟8 · 4:令k = k+1，重復步驟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】G01N21/45GK106018345SQ201610349666
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】高波, 柴立群, 李強, 劉昂, 何宇航, 魏小紅, 徐凱源
【申請人】中國工程物理研究院激光聚變研究中心