CN101358923A - 紫外光学材料折射率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紫外光学材料折射率测量装置，包括单色光源系统、准直光学系统、测角仪、聚焦光学系统、光电探测处理系统、置有折射率测量软件包的计算机处理系统。主要特点是，单色光源系统提供连续可变的紫外单色光，光电探测处理系统在测角仪的带动下探测被测紫外棱镜的折射光信号并转换成电信号，测角仪记录折射光对应的角度，折射率测量软件包处理测量数据并对角度测量值进行误差补偿，最终获得被测紫外棱镜的折射率。本发明不仅实现了190nm～450nm波长范围紫外全波段连续光波的测量，同时还消除了该测量装置固有角度测量误差对探测与瞄准折射光信号的影响，从而提高了折射光角度测量精度，进而改善了折射率测量的准确度。

Description

紫外光学材料折射率测量装置

技术领域

本发明涉及一种光学计量与测量领域中的光学材料折射率测试装置，尤其涉及一种紫外全波段光学材料折射率测量装置。

技术背景

折射率是光学材料最基本的光学性能参数之一，同时也是光学系统设计的基础，为了满足光学设计、光学材料生产等的需要，必须准确测量光学材料的折射率值。

目前，光学材料折射率测量方法主要有阿贝法、V棱镜法和精密测角法等。前两种测量方法测量精度较低，如阿贝法折射率测量准确度只能达到10^-2，V棱镜测量法折射率测量准确度只能达到10^-4，而在高精密光学设计中，通常对光学材料折射率值的精度要求很高，需要折射率的准确度达到10^-5，因此采用这两种方法测量光学材料的折射率值无法满足高精密光学设计的需求。此外，这两种测量方法都是用人眼来观察经过被测量材料折射后的折射光线，进而获得折射角来推算出材料折射率值，因此，这两种方法只能测量可见光波段光学材料的折射率，无法实现紫外等非可见光波段材料折射率测量。而精密测角法则是将被测量的光学材料按要求加工成一定角度的楔形棱镜，将光电探测处理系统的光电探测器以及聚焦光学系统安装在大型测角仪的转台上，光电探测器接收经过材料折射后的折射光或者反射光等，利用大型测角仪带动光电探测器去瞄准折射或反射光束，并记录对应的角度值，根据测角仪测量出的角度并依据光学折射定律计算出被测材料的折射率值，该方法的测量精度最高，如采用测角精度为1″的测角仪，理论上折射率的测量精度能够达到10^-5。目前国内现有的精密测角法折射率测量仪也仅能实现可见光波段光学材料的折射率值精密测量，对于紫外波段光学材料的折射率无法进行测量，而国外采用精密测角法测量光学材料的折射率时，也仅能测量紫外波段的三到四个分立的光波长，典型的波长有253.7nm、313.0nm、326.1nm以及365.1nm，无法实现紫外波段全波段光学材料的折射率测量，因此，也不能准确得到被测材料的光学特性。

采用精密测角法测量光学材料的折射率时，影响折射率测量精度的核心是测量系统的角度测量精度，而系统的角度测量精度并不完全等于单一精密测角仪自身的测量精度，还与准直与聚焦光学系统的非平行性、光电探测处理系统中探测器探测信噪比等多方面因素有关，因此，当采用测角精度为1″的测角仪测量折射率时，实际上折射率的测量精度仅仅能够达到10^-4。另一方面，随着仪器的长期使用和工作，精密测角仪的精密轴承不断磨损，会造成测角仪的测角精度下降，导致折射率测量系统的测量精度下降。因此，为了提高光学材料的折射率测量精度，必须提高和改善角度测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，根据精密测角法的测量原理，提供一种带有角度补偿的紫外全波段光学材料折射率测量装置。

为解决上述技术问题，本发明的紫外光学材料折射率测量装置包括含有紫外光源、紫外单色仪的单色光源系统，准直光学系统，测角仪，聚焦光学系统，含有紫外探测器和探测信号处理电路的光电探测处理系统，置有采集卡和折射率测量软件包的计算机处理系统；所述测角仪含有由第一步进电机带动的工作台、由第二步进电机带动的转台、含有角度编码器和显示屏的角度数显箱，工作台与转台同轴转动；所述准直光学系统的焦点位于紫外单色仪的出射狭缝处，被测紫外棱镜放置在所述的工作台上，所述聚焦光学系统、紫外探测器均固定在所述的转台上，所述角度编码器固连在所述转台上，角度编码器感知所述转台的运动并将转台对应的角度值一路送入显示屏显示，另一路送入所述计算机处理系统中进行处理；所述紫外光源发出的紫外光束通过所述紫外单色仪分光后再经准直光学系统准直，准直的单色光束经被测紫外棱镜折射后由所述的聚焦光学系统聚焦到所述紫外探测器的靶面上，探测信号处理电路将紫外探测器靶面上的光信号转换成电信号并送入所述计算机处理系统；所述折射率测量软件包含有存储模块、控制模块、采集模块，计算模块，存储模块中存有角度补偿数据表；控制模块的功能是接收人工输入的测量波长值、两个角度阈值和两个电压阈值，根据测量波长值控制紫外单色仪的输出波长，驱动第一、第二步进电机，根据两个角度阈值和两个电压阈值控制采集卡按照相应时段对所述测角仪输出的角度信号以及探测信号处理电路输出的电压信号进行采集并将采集信号送入存储模块中；计算模块的功能是调用存储模块中的角度信号值以及电压信号值进行拟合运算，分别得出被测紫外棱镜三个顶角两侧折射光束之间的三个角度测量值，调用角度补偿数据表对所述角度测量值进行误差补偿，根据补偿后的角度值计算被测紫外棱镜的折射率。

根据本发明，所述的紫外光源为氘灯，所述紫外单色仪输出的波长范围是190nm～450nm，所述紫外探测器的光谱响应范围是180nm～650nm。

根据本发明，所述的光电探测处理系统还包括振荡狭缝，该狭缝固连在所述转台上且位于所述聚焦光学系统与所述紫外探测器之间，振荡狭缝的的振荡频率为600Hz。

本发明的有益效果体现在以下两个方面。

(一)本发明采用光谱线连续的氘灯作为紫外光源，同时经过单色仪分光后提供190nm～450nm波长范围连续可变的紫外单色光，并利用锁相放大技术对分光后微弱的紫外信号进行探测，从而实现了紫外全波段连续光波的测量。与采用紫外光谱灯作为光源且仅能测量四到五个分立光谱的现有折射率测量仪相比，本发明通过测量紫外全波段连续光谱的光学材料的折射率值，就可以准确获得被测材料的色散特性，对光学材料的特性进行准确评价，从而更好的优化紫外光学系统设计。

(二)本发明在折射率测量软件包中存有针对本发明测量装置自身实际情况的角度补偿表，以对经过聚焦光学系统、光电探测系统以及测角仪相应测量过程获得的角度测量结果进行修正，从而消除了包括准直光路与聚焦光路准直性误差对角度测量的影响、光电探测器信噪比误差对于折射光信号探测与瞄准的影响，以及角度测角系统的固有角度测量误差或磨损误差对折射光角度的测量影响，从而提高了折射角角度测量精度。此外，本发明还在探测器的前端设置了振荡狭缝，以对到达探测器的折射光进行调制，从而准确判断出折射光所处的角度位置。以上两种措施改善了本发明折射率测量的准确度。

附图说明

图1是本发明折射率测量装置的系统构成示意图。

图2是本发明折射率测量装置的光学原理图。

图3是图1所示中紫外光源系统的组成示意图。

图4是图1所示中准直光学系统的组成示意图。

图5是图1所示中测角仪的组成示意图。

图6是图1所示中聚焦光学系统的组成及光路示意图。

图7是探测系统构成原理

图8是获得本发明中角度补偿表所用标准样块的结构形式示意图。

图9是本发明中折射率测量软件包的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图及最佳实施例对本发明作进一步说明。

正如图1、图2所示，本发明优选实施例的折射率测量仪由单色光源系统1、准直光学系统2、测角仪3，聚焦光学系统4、光电探测处理系统5和计算机处理系统6构成。单色光源系统1发出的紫外光经过准直光学系统2准直成平行光之后，照射到被加工成60°等边三棱体的被测紫外棱镜7的两个棱面上，

根据图3所示，紫外光源系统1包括氘灯1-1、成像透镜1-2、紫外单色仪1-3。紫外单色仪1-3带有入射狭缝1-31、出射狭缝1-32和含有光栅和步进电机的光栅组件，该步进电机在计算机处理系统6的控制下可以带动光栅移动，以改变紫外单色仪1-3的输出波长。氘灯1-1发出的紫外光束通过成像透镜1-2会聚到单色仪1-3的入射狭缝1-31处，光束再经过光栅组件的单色分光后，由单色仪1-3的出射狭缝1-32出射。在本优选实施例中，紫外光源系统1输出的单色光波长准确度为0.2nm，输出波长最佳范围为190nm～500nm。

根据图4所示，准直光学系统2由离轴抛物面反射镜2-1与平面反射镜2-2构成，准直光学系统2的焦点与紫外单色仪1-3的出射狭缝1-32重合。离轴抛物面反射镜2-1的光轴与紫外单色仪1-3的光轴成90°夹角，平面反射镜2-2的反射面与离轴抛物面反射镜2-1的光轴成45°夹角。由紫外单色仪1-3出射的单色光先后经平面反射镜2-2和离轴抛物面反射镜2-1反射后变成平行单色光束。离轴抛物面反射镜2-1与平面反射镜2-2均采用K₉玻璃制作，受光表面抛光并镀高反射膜，在180nm～500nm的波长范围内，反射率达到98％，离轴抛物面反射镜2-1的有效通光口径为50mm，焦距为600mm，离轴度为12°。

根据图5所示，测角仪3由工作台3-1、转台3-2、轴系3-3、角度数显箱3-4以及安装在测角仪3底部的电机组件3-5构成。电机组件3-5含有两台步进电机，第一、第二步进电机接受计算机处理系统6的控制，可分别驱动工作台3-1、转台3-2作绕轴系3-3的旋转运动；工作台3-1的高度与准直光学系统2的安装高度相同且可旋转0°～360°；转台3-2可绕轴系3-3旋转0°～180°。轴系3-3的转轴中心与准直光学系统2的光轴垂直相交。角度数显箱3-4含有角度编码器和显示屏，角度编码器安装在转台3-2的下端面，当第二步进电机按其步长驱动转台3-2转动时，角度编码器感知转台3-2的角度变化，其输出的当前角度值一路通过显示屏显示，另一路送入到计算机处理系统6中。在测量折射率时，被测样品放置在测角仪3的工作台3-1上。聚焦光学系统4、光电探测处理系统5中的振荡狭缝5-1和子外探测器5-2固定在测角仪的转台3-2上，以便在计算机处理系统6的控制下随着转台3-2一起围绕轴系3-3旋转，从而瞄准和对准经过被测紫外棱镜折射后的光信号。在本优选实施例中，测角仪3单次测量的测角精度为1″，重复测量的测角精度为0.5″。

根据图6所示，聚焦光学系统4由离轴抛物面反射镜4-1和平面反射镜4-2构成，两者都采用K₉玻璃制作而成，受光表面抛光并镀高反射膜，在180nm～500nm的波长范围内，反射率达到98％。离轴抛物面反射镜4-1有效通光口径为50mm，焦距为300mm，离轴度为22°。聚焦光学系统4将经过被测紫外棱镜折射的单色平行光聚焦到光电探测处理系统5中。

根据图7所示，光电探测处理系统5包括紫外探测器5-2、振荡狭缝5-1以及含有前置放大器5-3和锁相放大器5-4的探测信号处理电路。紫外探测器5-2的光谱响应范围为180nm～650nm，振荡狭缝5-1固定在探测器5-2前1mm的位置处，对到达探测器5-2表面的光进行调制，同时探测信号处理电路也可借助振荡狭缝5-1调制后光信号的变化规律实现对折射光的瞄准。振荡狭缝5-1的振荡频率为600Hz。紫外探测器5-2输出的信号送入前置放大器5-3进行放大，放大后的信号输入到锁相放大器5-4内作进一步放大。锁相放大器5-4的参考频率与振荡狭缝5-1的振荡频率相等，仅仅对频率为600Hz的光信号进行滤波和放大，从而减小了入射到紫外探测器5-2靶面的杂散光对信号探测的影响，提高了探测信噪比，进而提高了瞄准精度。经过锁相放大器5-4的处理之后信号输入到计算机处理系统6中进行处理。

计算机处理系统6为装有采集卡和折射率测量软件包的计算机。计算机通过RS232接口与紫外单色仪1-3、角度数显箱3-4连接。采集卡采集锁相放大器5-4输出的模拟信号并将其转换为数字信号。折射率测量软件包按功能划分含有存储模块、控制模块、采集模块，计算模块。存储模块中存有角度补偿数据表(见表1)。

                                             表1

折射角度测量值	45°	50°	60°	70°
					补偿值Δθ	10.5″	17.2″	6.8″	4.8″

在本实施例中，表1的数据是采用本发明折射率测量装置对不同标准顶角的三棱镜标准样块进行角度测量后获得的。标准样块的结构形式如图8所示，其技术指标为

边长：30mm；

高度：25mm；

顶角：45°±2″、50°±2″、60°±2″、70°±2″；

表面光洁度：III级；

光圈数0.5，局部光圈为0.2。

标准顶角的两个侧面都镀高反射膜，在180nm～800nm的光谱范围内，反射比大于98％。用本发明中的测角仪3对四个三棱镜的标准顶角进行实际检测，得到表2所示的角度值。

                                      表2

标准直θ0	45°	50°	60°	70°
					实际测量值θ	44°59′50.6″	50°0′17.2″	59°59′52.2″	69°59′55.2″

每个标准样块的测量过程为：将某块三棱镜放置在本发明折射率测量仪的工作台3-1上，棱镜的标准顶角对准本发明折射率测量仪的准直光路并使该顶角所对应的棱镜底边垂直于准直光路。准直光学系统出射的平行束光照射到标准样块时，光束经标准顶角两侧的棱镜表面反射后成为两束反射光。驱动第二步进电机带动转台3-2顺时针转动，使聚焦光学系统4瞄准第一束反射光，即探测器接收到光信号，记录角度数显箱3-4显示的角度值θ₁，然后继续顺时针转动转台3-2，使聚焦光学系统4瞄准第二束反射光，记录角度数显箱3-4显示的角度值θ₂。计算棱镜标准顶角的测量值θ：

                         θ＝(θ₂-θ₁)/2

将三棱镜标准样块的标准顶角测量值θ与标准直θ₀相减，就获得测量值与标准直的偏差Δθ。Δθ就是本发明折射率测量仪的测角偏差。四个三棱镜标准样块全部测量完成后，就得到了在一定范围内几个间隔处的角度测量偏差。这个范围即45°～70°基本覆盖了所有紫外材料60°等边三棱体能达到的折射角度。

由于反射角不受材料色散的影响，且利用本发明测量装置自身的光路测量标准样块的标准顶角，使得该顶角测量值中包含了准直光路和聚焦光路准直性对角度测量的影响以及光电探测器信噪比等对于信号瞄准的影响，因此，标准直与测量值之差直接反映了本发明折射率测量装置中的角度误差。

将被测紫外棱镜7放置在工作台3-1上，使该棱镜7的第一顶角对准本发明折射率测量仪的准直光学系统2，且该顶角所对应的棱镜底边垂直于准直光路。当计算机开机并完成初始化后，折射率测量软件包将根据图9所示的流程执行以下主要操作步骤：

第一，通过盘接收测试人员设定的测量波长、与两束折射光对应的两个角度阈值θ₁和θ₂、与两束折射光束强弱对应的两个电压阈值V₁和V₂，控制模块根据设定的测量波长驱动单色仪中的步进电机带动光栅移动；使单色仪的输出波长达到指定的测量波长，驱动第二步进电机带动转台3-2转动以使被测紫外棱镜第一个顶角两侧的第一、第二棱面分别正对准直系统2和聚焦光学系统4，之后控制测角仪3的角度编码器清零。角度阈值的设定一般取决于被测材料的折射率以及设定的测量波长，第一角度阈值θ₁为第一棱面折射光对应的角度阈值，第二角度阈值θ₂为第二棱面折射光对应的角度阈值。第一电压阈值V₁为第一棱面折射光对应的电压阈值，第二电压阈值V₂为第二棱面折射光对应的电压阈值。

第二，控制模块驱动第二步进电机带动转台3-2转动且角度数显箱3-4显示的角度值由0°向角度值增大的方向变化，同时对送入计算机中的角度值进行判断；当输入角度值大于第一折射光角度阈值时，表明转台3-2所处的位置已经接近折射光信号，启动采集卡采集锁相放大器5-4输出的电压信号，并控制转台3-2继续转动，实时根据第一电压阈值V₁对采集的电压信号进行判断；当电压信号值大于第一电压阈值V₁时，表明聚焦光学系统4已经瞄准了被测紫外棱镜7的折射光，即紫外探测器5-2接收到了光信号并将光信号转化为电信号，此后，将转台3-2按照第二步进电机的步长旋转，使各步长(本实施例为0.2″)点位置所对应的电压信号值和角度值存入存储模块中；当判断锁相放大器5-4输出的电压信号值小于(-V₁)时，控制采集卡停止采集。计算模块调用存储模块中当前折射光束的电压值和角度值，对角度值以及电压值作最小二乘法拟合，准确计算出当电压为0时当前折射光束的角度值

第四，控制模块驱动第二步进电机带动转台3-2转动，以使被测紫外棱镜7第一个顶角两侧的第二、第一棱面分别正对准直系统2和聚焦光学系统4，控制测角仪的角度编码器清零，之后重复第二、第三步骤得出当前折射光束的角度值

与第二步和第三步不同的是，本步骤采用第二角度阈值θ₂和第二电压阈值V₂作为角度值和电压值的判据。

第五，计算模块根据

计算得出被测紫外棱镜7第一个顶角两侧折射光之间的角度测量值Φ₁并存入存储模块中。

第六，控制模块驱动第一步进电机带动工作台3-1顺时针转动120°，以使被测紫外棱镜7第二个顶角两侧的第三、第四棱面分别正对准直系统2和聚焦光学系统4，之后控制测角仪3的角度编码器清零。

第七，重复第二至第五步骤，获得被测紫外棱镜7第二个顶角两侧折射光之间的角度测量值Φ₂并存入存储模块中。

第八，控制模块驱动第一步进电机带动工作台3-1再顺时针转动120°，以使被测紫外棱镜7第三个顶角两侧的第五、第六棱面分别正对准直系统2和聚焦光学系统4，之后控制测角仪3的角度编码器清零。

第九，重复第二至第五步骤，获得被测紫外棱镜7第三个顶角两侧折射光之间的角度测量值Φ₃并存入存储模块中。

第十，计算模块调用存储模块数据和角度补偿数据表，并根据以下一组公式计算被测紫外棱镜7的折射率。

$n^2=\frac{1}{3}(4{\sin }^2\frac{\mathrm{\Φ}}{2}+2\sqrt{3}\sin \frac{\mathrm{\Φ}}{2}+3)---\left(1\right)$

Φ＝Φ₁+Φ₂+Φ₃-Δθ

式中，n为被测紫外棱镜7的折射率；Φ为经误差补偿后的被测紫外棱镜7三对折射光束角度值的平均值；Δθ为测角仪的角度测量偏差，可由表1直接获得或者依据表1进行插值运算获得。

不难看出，本发明在折射率测量软件包的存储模块中存入了角度测量补偿表，计算模块可以通过查表和插值运算对被测紫外棱镜7的折射角测量值进行补偿，由此提高了本发明折射角度的测量准确度，进而也提高了折射率的测量准确度。本优选实施例实现了对190nm～450nm波段波长连续可调的紫外光学材料折射率精确测量，其角度重复测量精度达到1″，折射率测量不确定度达到1×10^-5。

Claims (3)

1.一种紫外光学材料折射率测量装置，包括单色光源系统[1]、准直光学系统[2]、测角仪[3]、聚焦光学系统[4]、光电探测处理系统[5]、有采集卡和折射率测量软件包的计算机处理系统[6]，其特征在于：所述的单色光源系统[1]含有紫外光源[1-1]和紫外单色仪[1-3]，所述的光电探测处理系统[5]含有紫外探测器[5-2]和探测信号处理电路；所述测角仪[3]含有由第一步进电机带动的工作台[3-1]、由第二步进电机带动的转台[3-2]、含有角度编码器和显示屏的角度数显箱[3-4]，工作台[3-1]与转台[3-2]同轴转动；所述准直光学系统[2]的焦点位于紫外单色仪[1-3]的出射狭缝[1-32]处，被测紫外棱镜[7]放置在所述的工作台[3-1]上，所述聚焦光学系统[4]、紫外探测器[5-2]均固定在所述的转台[3-2]上，所述角度编码器固连在所述转台[3-2]上，角度编码器感知所述转台[3-2]的运动并将转台[3-2]对应的角度值一路送入显示屏显示，另一路送入所述计算机处理系统[6]中进行处理；所述紫外光源[1-1]发出的紫外光束通过所述紫外单色仪[1-3]分光后再经准直光学系统[2]准直，准直的单色光束经被测紫外棱镜[7]折射后由所述的聚焦光学系统[4]聚焦到所述紫外探测器[5-2]的靶面上，探测信号处理电路将紫外探测器靶面上的光信号转换成电信号并送入所述计算机处理系统[6]；所述折射率测量软件包含有存储模块、控制模块、采集模块，计算模块，存储模块中存有角度补偿数据表；控制模块的功能是接收人工输入的测量波长值、两个角度阈值和两个电压阈值，根据测量波长值控制紫外单色仪的输出波长，驱动第一、第二步进电机，根据两个角度阈值和两个电压阈值控制采集卡按照相应时段对所述测角仪输出的角度信号以及探测信号处理电路输出的电压信号进行采集并将采集信号送入存储模块中；计算模块的功能是调用存储模块中的角度信号值以及电压信号值进行拟合运算，分别得出被测紫外棱镜[7]三个顶角两侧折射光束之间的三个角度测量值，调用角度补偿数据表对所述角度测量值进行误差补偿，根据补偿后的角度值计算被测紫外棱镜[7]的折射率。

2.根据权利要求1所述的紫外光学材料折射率测量装置，其特征在于：所述的紫外光源[1-1]为氘灯，所述紫外单色仪[1-3]输出的波长范围是190nm～450nm，所述紫外探测器的光谱响应范围是180nm～650nm。

3.根据权利要求1或2所述的紫外光学材料折射率测量装置，其特征在于：所述的光电探测处理系统[5]还包括振荡狭缝[5-1]，该狭缝[5-1]固连在所述转台[3-2]上且位于所述聚焦光学系统[4]与所述紫外探测器[5-2]之间，振荡狭缝[5-1]的的振荡频率为600Hz。

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