一种基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统及方法，该系统包括迈克尔逊干涉仪，由短相干光源、分光棱镜、参考反射镜、和半透半反镜组成迈克耳逊干涉光路，利用迈克耳逊干涉光路等臂原理,参考反射镜可前后移动从而匹配半透板反镜与反射镜之间光程,通过光栅尺测量参考镜移动距离则可计算出半透半反镜与反射镜间光程。分别测量放入样品前后半透半反镜与反射镜间光程和测量旋转样品一定角度后半透半反镜与反射镜间光程，从而可计算得到样品的折射率。本装置结构简单，回避了测量光学玻璃物理厚度，实现了光学玻璃折射率的高精度测量，提出采用迭代的方法，可快速计算出光学玻璃折射率。
【专利说明】
一种基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及折射率测量方法和折射率测量装置，特别涉及一种基于短相干的光学 平板玻璃折射率测量系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着航空、航天、和天文学等领域的发展，加大了对光学系统质量和精度的要求， 为保证光学系统成像质量，精确测量光学玻璃材料折射率显得越来越重要。大口径平行平 板类元件广泛应用与惯性约束聚变，天文探测系统等国家大型光学装置中。折射率是该类 元件的一项重要指标，折射率与设计不匹配将直接影响光束质量和成像质量。
[0003] 现有光学玻璃材料折射率测试方法主要有测角法和干涉法两种。测角法主要有垂 直入射法、最小偏向角法、V棱镜、自准直等方法，上述测量方法要求测量样品制备成特殊形 状，因此一般采用小口径样品代替大口径玻璃折射率，但是小口径样品无法完全表征大口 径玻璃折射率。干涉法主要有F-P干涉法，该方法要求干涉仪两个内表面需精确到和理想几 何平面偏差在1/20到1/100波长，两个表面应严格平行，样品面形精度要求较高。
[0004] 申请号为CN201480036869. X的国内发明公开了折射率测量方法、折射率测量装置 及光学元件制造方法，具体涉及将来自光源的光分成被检光和参照光、将被检光引入到被 检体中、以及测量源自参照光与穿过被检体的被检光之间的干涉的干涉光，所述方法包括 以下步骤:通过将被检体布置在其群折射率在特定波长处等于被检体的群折射率的介质 中，测量源自穿过被检体和介质的被检光与穿过介质的参照光之间的干涉的干涉光;基于 被检光与参照光之间的相位差的波长依赖性，确定所述特定波长；以及计算与所述特定波 长对应的介质的群折射率作为与所述特定波长对应的被检体的群折射率。该测量方法涉及 群折射率的测量，导致该方法装置较为复杂，同时该方法存在计算量大问题。
[0005] 申请号为CN02159100.8的国内发明公开了一种透明材料折射率测量方法及其干 涉测量仪，主要是将待测材料制成两块对称棱镜组成的组合平板样品，并将其置于马赫-陈 德尔干涉仪一臂上，产生两路干涉，一路是马赫-陈德尔干涉，另一路是组合平板样品的两 通光面形成的等厚干涉，组合平板样品中的一块固定，另一块沿固定块平移的同时，精密测 定移动过程中两路干涉条纹的变化量ml和m2;利用n=l/[ 1-2 (ml/m2)]计算待测材料的折 射率。该方法需要对待测样品进行特殊的技术加工，不适用于大型成型的光线平板玻璃的 折射率的测量，同时需要利用第二光电接收器和分析处理软件才能得到测量结果，实用性 较低。
【发明内容】
[0006] 本发明为解决现有技术中存在的以上问题，提供了一种基于短相干的光学平板玻 璃折射率测量系统及方法，实现了大口径玻璃折射率的高精度测量，无需对样品进行特殊 加工，简化了折射率的计算过程，且该装置结构简单，维修方便，测量成本低，实用性高。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0008] -种基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统，包括沿直线依次设置的短相干 光源、分光棱镜、半透半反镜、平面反射镜，分光棱镜两侧分别设置有观察屏和参考反射镜， 所述参考反射镜配有可记录参考反射镜移动距离的光栅尺，其中，观察屏和参考反射镜之 间的连线与短线干光源和半透半反镜之间的连线垂直，还包括用于测量待测样品旋转角度 的光学测角仪。
[0009] 一种采用所述的基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统测量光学平板玻璃 折射率的方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1:沿直线依次设置短相干光源、分光棱镜、半透半反镜、平面反射镜，在分光 棱镜两侧分别设置观察屏和参考反射镜，其中，观察屏和参考反射镜之间的连线与短线干 光源和半透半反镜之间的连线垂直，所述参考反射镜配有可记录参考反射镜移动距离的光 栅尺；
[0011] 步骤2:打开短相干光源；
[0012] 步骤3:移动参考反射镜，当观察屏上出现干涉条纹时，通过光栅尺上的读数得到 半透半反镜与平面反射镜相对的两个表面之间的光程为L;
[0013] 步骤4:将待测平板玻璃放置在半透半反镜与平面反射镜之间，且样品垂直于短相 干光源发出的光束:移动参考反射镜，当观察屏上出现干涉条纹时，通过光栅尺上的读数得 到半透半反镜与平面反射镜相对的两个表面之间的光程为1^，并且U满足：
[0014] Li = nh
[0015] 其中，n为样品在该波长下折射率，h为样品厚度；
[0016]步骤5:以旋转角度i旋转样品，用高精度光学测角仪测量旋转角度i;
[0017]步骤6:移动参考反射镜，当观察屏上出现干涉条纹时，通过光栅尺上的读数得到 半透半反镜与平面反射镜相近的两个表面之间的光程为L2，并且L2满足：
[0019] 其中，Θ为光线入射样品后折射角；
[0020] 步骤7:通过Li = nh和
计算得到胃
[0021] 步骤8:通过
丨计算样品在该波长下的折射率η。
[0022] 上述方案中，所述步骤8中的计算方法为在计算机中进行的迭代计算，包括以下几 个步骤：
[0023] 步骤8.1:设置初始，取变量k = 0，nk的初始值为1，即η〇=1;
[0024] 步骤8.2:输入测得的旋转角度i，运用公式
-计算折射角0k;
[0025] 步骤8.3:输入测得的1^、1^和1^，运用公式
_计算折射率nk+1;
[0026] 步骤8 · 4:令k = k+l，重复步骤8 · 2-8 · 3，若nk+i_nk〈 10-6，则输出最终折射率n = nk+i。
[0027] 本发明的有益效果是：
[0028] 1)本发明装置光学平板玻璃折射率测量精度达10_6_10_7;
[0029] 2)本发明提出利用短相干光源波长相干长度短的特征，实现了光学玻璃光学厚度 的高精度测量，从而回避了测量光学玻璃物理厚度精度低导致折射率测量精度低的难点；
[0030] 3)本发明利用折射定律通过旋转光学玻璃实现光路的偏折，通过高精度测角装置 实现了折射角的高精度测量，进一步提高了折射率测量的精度；
[0031] 4)本发明通过折射定律，建立了入射角、折射角、折射率和光学玻璃光学厚度的关 系方程，提出采用迭代的方法，从而可快速计算出光学玻璃折射率
[0032] 5)本发明的装置结构简单，维修方便，加工成本低，生产效率高，实用性高。
[0033] 6)本装置适合用光学平板玻璃的折射率测量，无需对样品进行特殊加工，测量精 度高。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明中基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统的结构示意图；
[0035] 图2为本发明中光路的入射角、折射角示意图；
[0036] 图3为本发明中迭代计算的流程图。
[0037] 图中标记：1、短相干光源，2、分光棱镜，3、观察屏，4、半透半反镜，5、平面反射镜， 6、待测平板玻璃，7、高精度测角仪，8、光栅尺，9、参考反射镜，10、光路。
【具体实施方式】
[0038]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一 步地详细描述。
[0039] 参见图1-2,一种基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统，包括沿直线依次设 置的短相干光源1、分光棱镜2、半透半反镜4、平面反射镜5,分光棱镜2两侧分别设置有观察 屏3和参考反射镜9，所述参考反射镜9配有可记录参考反射镜移动距离的光栅尺8，其中，观 察屏3和参考反射镜9之间的连线与短线干光源1和半透半反镜4之间的连线垂直，所述参考 反射镜9还配有导轨，还包括用于测量待测样品旋转角度的光学测角仪7。
[0040] -种采用所述的基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统测量光学平板玻璃 折射率的方法，包括以下步骤：
[0041] 步骤1:沿直线依次设置短相干光源1、分光棱镜2、半透半反镜4、平面反射镜5,在 分光棱镜2两侧分别设置观察屏3和参考反射镜9,其中，观察屏3和参考反射镜9之间的连线 与短线干光源1和半透半反镜4之间的连线垂直，所述参考反射镜9配有可记录参考反射镜 移动距离的光栅尺8;
[0042] 步骤2:打开短相干光源1;
[0043] 步骤3:移动参考反射镜9,由于短相干光源相干长度短，仅当迈克尔逊干涉仪参考 臂与测量臂距离相等时，观察屏3上出现干涉条纹，通过光栅尺8上的读数得到半透半反镜4 与平面反射镜5相对的两个表面之间的光程为L;
[0044] 步骤4:将样品6放置在半透半反镜4与平面反射镜5之间，且样品6垂直于短相干光 源1发出的光束:移动参考反射镜9,当观察屏3上出现干涉条纹时，通过光栅尺8上的读数得 到半透半反镜4与平面反射镜5相对的两个表面之间的光程为1^，并且U满足：
[0045] Li = nh
[0046] 其中，η为样品在该波长下折射率，h为样品厚度；
[0047] 步骤5:以旋转角度i旋转样品，用高精度光学测角仪7测量旋转角度i ;
[0048] 步骤6:移动参考反射镜9,当观察屏3上出现干涉条纹时，通过光栅尺8上的读数得 到半透半反镜4与平面反射镜5相近的两个表面之间的光程为1^ 2，并且L2满足：
[0050] 其中，Θ为光线入射样品后折射角；
[0051] 步骤7:通过Li = nh和
计算得到·
[0052] 步骤8:利用
:十算样品在该波长下的折射率η。
[0053] 参见图3,步骤8中的计算方法为在计算机中进行的迭代计算，包括以下几个步骤：
[0054] 步骤8 · 1:设置初始，取变量k = 0，nk的初始值为1，即η〇 = 1;
[0055] 步骤8.2:输入测得的旋转角度i，运用公式
计算折射角0k;
[0056] 步骤8.3:输入测得的1^、1^和1^，运用公式
计算折射率nk+1;
[0057] 步骤8 · 4:令k = k+l，重复步骤8 · 2-8 · 3，若nk+i_nk〈 10-6，则输出最终折射率n = nk+i。
[0058] 参见图1，测量过程中，所述短相干光源1发射的光经分光棱镜2分为两束光后，一 束光经参考反射镜反射9，另一束光穿过半透半反镜4后经平面反射镜5反射，两束光再次通 过分光棱镜2射向观察屏3处发生干涉。
[0059] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统，其特征在于，包括沿直线依次设 置的短相干光源（1)、分光棱镜(2)、半透半反镜(4)、平面反射镜(5)，分光棱镜(2)两侧分别 设置有观察屏(3)和参考反射镜(9)，所述参考反射镜(9)配有可记录参考反射镜移动距离 的光栅尺(8)，其中，观察屏(3)和参考反射镜(9)之间的连线与短线干光源（1)和半透半反 镜(4)之间的连线垂直，还包括用于测量待测样品旋转角度的光学测角仪(7)。2. -种采用权利要求1或2所述的基于短相干的光学平板玻璃折射率测量系统测量光 学平板玻璃折射率的方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:沿直线依次设置短相干光源（1)、分光棱镜（2)、半透半反镜（4)、平面反射镜 (5)，在分光棱镜(2)两侧分别设置观察屏(3)和参考反射镜(9)，其中，观察屏(3)和参考反 射镜(9)之间的连线与短线干光源（1)和半透半反镜(4)之间的连线垂直，所述参考反射镜 (9)配有可记录参考反射镜移动距离的光栅尺(8); 步骤2:打开短相干光源（1); 步骤3:移动参考反射镜(9)，当观察屏(3)上出现干涉条纹时，通过光栅尺(8)上的读数 得到半透半反镜(4)与平面反射镜(5)相对的两个表面之间的光程为L; 步骤4:将待测平板玻璃(6)放置在半透半反镜(4)与平面反射镜（5)之间，且待测平板 玻璃(6)垂直于短相干光源（1)发出的光束:移动参考反射镜(9)，当观察屏（3)上出现干涉 条纹时，通过光栅尺(8)上的读数得到半透半反镜(4)与平面反射镜(5)相对的两个表面之 间的光程为L 1，并且L1满足： Li = nh 其中，η为样品在该波长下的折射率，h为样品厚度； 步骤5:以旋转角度i旋转样品，用高精度光学测角仪(7)测量旋转角度i ; 步骤6:移动参考反射镜(9)，当观察屏(3)上出现干涉条纹时，通过光栅尺(8)上的读数 得到半透半反镜(4)与平面反射镜(5)相近的两个表面之间的光程SL2，并且L2满足：其中，Θ为光线入射样品后的折射角；3. 根据权利要求1所述的一种基于短相干技术的光学平板玻璃折射率测量方法，其特 征在于，所述步骤8中的计算方法为在计算机中进行的迭代计算，包括以下几个步骤： 步骤8.1:设置初始，取变量k = 0，nk的初始值为1，即no = 1;步骤8.2:输入测得的旋转角度? ?角Qk; 步骤8.3:输入测得的ULjPL2，运f 计算折射率nk+1; 步骤8 · 4:令k = k+1，重复步骤8 · 2-8 · 3，若nk+i-nk〈 10-u，则湔出最终折射率n = nk+i。
【文档编号】G01N21/45GK106018345SQ201610349666
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】高波, 柴立群, 李强, 刘昂, 何宇航, 魏小红, 徐凯源
【申请人】中国工程物理研究院激光聚变研究中心