CN102435584B - 折射率的测量方法和折射率的测量装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及折射率的测量方法和折射率的测量装置。该测量方法包括：测量第一容器中的测试对象与第一介质的光路长度之和；将光引入到包括第一介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第一介质的光路长度；测量第二容器中的测试对象与第二介质的光路长度之和，第二介质具有与第一介质的折射率不同的折射率；将光引入到包括第二介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第二介质的光路长度；基于测量的光路长度和被测量了各光路长度的光路的实际距离来计算测试对象的折射率。

Description

折射率的测量方法和折射率的测量装置

技术领域

本发明涉及折射率的测量方法和折射率的测量装置。

背景技术

日本专利公开No.(“JP”)11-344313提出了这样一种方法，该方法通过两个透明板之间的间隔来将测试对象固定在所述两个透明板之间，测量透明板之间的光路长度、透明板与测试对象之间的光路长度以及测试对象中的光路长度，并基于测量结果来计算测试对象的折射率。JP 02-008726提出了一种通过下述方式测量测试对象的折射率的方法，即，将具有已知折射率和已知形状的玻璃样本和测试对象浸入具有不同折射率的两种类型的匹配油中的每一个中。

JP 11-344313中所公开的方法难以在测试对象(诸如具有曲面的透镜)相对于光轴偏心或倾斜时进行测量，并且需要耗时进行严格的居中或倾斜调整。否则，测量值将会包含由于反射面的曲率的影响而导致的误差。

JP 02-008726中所公开的方法由于不同类型的油的混合而需要耗时调整匹配油的折射率。另外，在根据JP 02-008726的方法测量具有高折射率的测试对象的透射波前中，由于具有高折射率的匹配油具有低透射率，所以检测器仅可输出弱信号，测量精度变低。

发明内容

本发明提供一种测量方法和测量装置，其可提供测试对象的折射率的快速的、高精度的测量。

根据本发明的测量方法包括：第一测量步骤，所述第一测量步骤将光引入到布置在第一容器中的测试对象和第一介质上，并测量测试对象的光路长度与第一介质的光路长度之和；第二测量步骤，所述第二测量步骤将光引入到包括第一介质、但不包括测试对象的区域上，并测量第一介质的光路长度；第三测量步骤，所述第三测量步骤将光引入到布置在第二容器中的测试对象和第二介质上，并测量测试对象的光路长度与第二介质的光路长度之和，第二介质具有与第一介质的折射率不同的折射率；第四测量步骤，所述第四测量步骤将光引入到包括第二介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第二介质的光路长度；和计算步骤，所述计算步骤基于在每个测量步骤中测量的光路长度和在每个测量步骤中被测量了各光路长度的光路的实际距离来计算测试对象的折射率。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清楚。

附图说明

图1是根据第一实施例的测量装置的框图。

图2是用于说明根据第一实施例的使用图1中示出的测量装置计算测试对象的折射率的过程的流程图。

图3是根据第二实施例的测量装置的框图。

图4是根据第二实施例的通过图3中示出的分光计获得的干涉信号的曲线图。

图5是根据第三实施例的测量装置的框图。

图6是根据第三实施例的图5中示出的测量装置的变型的框图。

具体实施方式

现在，将参照附图给出根据本发明的实施例的描述。

第一实施例

图1是根据第一实施例的测量装置(低相干性干涉计)的框图。本实施例的测量装置通过下述方式求得测试对象的折射率，即，测量测试对象的光路长度与在其中布置测试对象的两种类型的介质中的每一个的光路长度之和以及从中移除测试对象的每个介质的光路长度。本实施例的测试对象是具有负折光力的透镜，但是测量装置可测量任何测试对象的折射率，并且测试对象可以是透镜或平板，只要测试对象是折射光学元件即可。

测量装置包括光源10、干涉光学系统、反射镜(参考单元)70、被构造为容纳介质和测试对象的容器(诸如第一容器40和第二容器41)、检测器80和计算机90，并被构造为测量对象50的折射率。本实施例的测试装置可测量测试对象的群折射率、相折射率和厚度。光源10、干涉光学系统、反射镜70、容器和检测器80构成测量单元。

光源10是被构造为发射具有宽波长带(或宽光谱)的低相干光的光源，诸如超辐射发光二极管(SLD)。宽带光源的相干长度Δz可如下表达：

表达式1

$\mathrm{\Δz}=\frac{2\ln }{\mathrm{\π}}\frac{{{\mathrm{\λ}}_c}^2}{\mathrm{\Δ\λ}}$

这里，λ_c表示宽带光源的中心波长，Δλ是光谱带宽。为了高精度地测量光路长度，小于30μm的Δz可以是合适的。例如，在λ_c＝1.310μm并且Δλ＝0.050μm的情况下，满足Δz～15μm。

干涉光学系统被构造为将来自光源10的光通量分为两个光通量，并将一个光通量引向测试对象，将另一个光通量引向参考单元。干涉光学系统使得由被构造为容纳测试对象50的容器(在其的夹着测试对象的表面上)反射的测试光和被参考单元反射的参考光能够彼此叠加和彼此干涉，并使得能够将干涉光引向检测器80。干涉光学系统包括(准直)透镜20、分束器30和(聚光)透镜21、22。

透镜20布置在光源10与分束器30之间，并被构造为将来自光源10的光通量变为平行光通量。透镜21布置在分束器30与容器之间，并被构造为将来自分束器30的光汇聚到测试对象50上。透镜22布置在分束器30与检测器80之间，并被构造为将来自分束器30的干涉光汇聚到检测器80上。

分束器30包括，例如，立方体半透半反镜，其界面(接合表面)31在90°向上方向上反射来自光源10的光的一部分，并透射其余的光。反射光在图1中的上面的反射镜70上反射，透射光透射界面31，并行进到图1的右侧的容器。

分束器30的界面(接合表面)31透射来自反射镜70的参考光的一部分，并将其余的光反射到光源侧。另外，分束器30的界面(接合表面)31在90°向下方向上反射来自容器的测试光的一部分，并将其余的光透射到光源侧。结果，参考光的一部分和测试光的一部分彼此干涉并形成干涉光，干涉光被发射到检测器80。

第一容器40容纳诸如空气的第一介质60和测试对象50。在本实施例中，第一容器中的布置第一介质60和测试对象50的区域可以是第一容器40的容积的一部分或全部。

测试对象50可如虚线箭头所示插入到第一容器40中并从第一容器40退出。可自动地或手动地交换第一容器40与第二容器41，第二容器41被构造为容纳具有与第一介质60的折射率不同的折射率的第二介质61，诸如油。测试对象50也可如虚线箭头所示插入到第二容器41中和从第二容器41退出。

第一容器40在光透射方向上的一侧40a由诸如玻璃的透明材料制成。第一容器40在光透射方向上的另一侧40b可以由透明材料或者诸如反射镜的不透明材料制成。类似地构造第二容器41。测试光是由来自分束器30的透射光在容器或测试对象上被反射而得到的光。

反射镜70由台架71支承，并被构造为沿着光路移动。反射镜70的移动量由长度测量系统(未示出)测量，并由用作处理器和计算器的计算机90控制，所述长度测量系统诸如编码器和激光长度测量机器。反射镜70和台架71以下将统称为“可移动反射镜”。参考光是由来自分束器30的反射光被反射镜70反射而得到的光。

检测器80检测来自分束器30的干涉光的光强度，并包括光电二极管等。

计算机90包括CPU，并用作计算器和控制器，所述计算器被构造为基于检测器80的检测结果(测量结果)计算测试对象的折射率，所述控制器被构造为控制可移动反射镜的移动量。计算机90还可控制光源10的开启和关闭、将测试对象50插入到第一容器40或第二容器41中和从第一容器40或第二容器41退出测试对象50、以及在第一容器40与第二容器41之间进行替换。

图2是用于说明计算测试对象50的折射率的过程的流程图，“S”代表步骤。

一开始，如图1所示，在第一容器中填充第一介质60，并在第一介质中布置测试对象50(S10)。

接着，使测试对象50相对于光轴居中(S20)。例如，将诸如屏的光散射构件布置在第一容器40后面(或者在通过容器与光源相对的侧)，并使测试对象50居中，以使得光位置在当测试对象50布置在介质中时与当测试对象50没有布置在介质中时之间在屏上彼此一致。可布置诸如CCD的图像拾取元件，而不是屏。当侧40b不透明时，侧40b可用作屏。

接着进行第一测量步骤，第一测量步骤将光引入到布置在第一容器中的测试对象50和第一介质60中，并测量测试对象50的光路长度与第一介质60的光路长度之和Z₁(S30)。从光源10发射的光被透镜20准直，然后被分束器30分离为透射光和反射光。反射光的一部分透射通过分束器30，经过透镜22，到达检测器80。

透射光经过透镜21，进入容器中的介质和测试对象50。该光在侧40a的前表面和后表面上、测试对象50的前表面和后表面以及侧40b的前表面和后表面上被部分反射。如果侧40b由不透明材料制成，则光仅在其前表面上反射。这里，前表面是指接近光源10的侧的表面，后表面是指远离光源10的表面。

图1使用箭头示出在侧40a的后表面上反射的光和在侧40b的前表面上反射的光。这些反射光束再次经过透镜21，到达分束器30。其后，光的一部分在分束器30上反射，经过透镜22，到达检测器80。

测试光与参考光之间的干涉随着可移动反射镜移动偶尔发生，并被检测器80检测。干涉信号与反射镜70的移动量相关，并且当测试光与参考光之间在光路长度上没有差异时，干涉发生。由于测试光在容器的每个表面和测试对象50的每个表面上被部分反射，所以随着可移动反射镜移动，检测到多个干涉信号。这些干涉信号的峰值之间的距离对应于各个表面之间的光路长度(光学距离)。

第一容器中的测试对象50的光路长度与第一介质60的光路长度之和Z₁对应于侧40a的后表面与测试对象50的前表面之间、测试对象50的前表面与测试对象50的后表面之间(对应于测试对象50的厚度)、以及测试对象50的后表面与侧40b的前表面之间的三个光路长度之和。

换句话讲，它对应于图1中所示的反射光通量(或者侧40a的后表面上的反射光通量和侧40b的前表面上的反射光通量)的光路长度。将被测量的干涉信号由图1中的箭头所示的反射光通量产生，没有必要检测由测试对象50上的反射光通量得到的干涉信号。因此，测试对象50是否倾斜不是个问题。可忽略任何检测到的由测试对象50得到的干涉信号。

第一介质60的光路长度之和Z₁可如下表达：

表达式2

Z₁＝N_g(λ_c)L+n_g1(λ_c)(L₁-L)

这里，N_g(λ_c)表示测试对象50的群折射率，n_g1(λ_c)表示第一介质60的群折射率，这些折射率被表达为波长的函数。“L”表示测试对象50在光透射方向上的几何厚度。“L₁”表示第一容器40的侧40a的后表面与侧40b的前表面之间的几何距离，并且在本实施例中具有已知值，该几何距离是第一容器40的夹着测试对象50的一对表面之间的在光透射方向上的表面间隔。可替换地，可在第一容器40中灌注第一介质之前或者在从第一容器40取出测试对象50和第一介质60之后测量L₁。

接着，从第一介质60(第一容器40)取出测试对象50(S40)。执行第二测量步骤，第二测量步骤将光引入到包括第一介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第一介质60的光路长度Z₁₀(S50)。光路长度Z₁₀是在第一介质60中的侧40a的后表面与侧40b的前表面之间的光路长度。当第一介质是空气时，光路长度Z₁₀对应于L₁乘以空气的群折射率。

第一介质60的光路长度Z₁₀如下表达：

表达式3

Z₁₀＝n_g1(λ_c)L₁

接着，用填充有第二介质61的第二容器41替换第一容器40，并将测试对象50插入到第二介质中(S60)。本实施例用另一个容器41替换第一容器40，但是可用第二介质61替换第一容器40中的第一介质60。此时，第一容器40用作第二容器。通过利用介质的折射率随介质的温度变化而变化的事实，第二介质可以是具有不同温度的第一介质。

接着，与S20类似，使测试对象50居中(S70)。如果测试对象50的居中位移小，则可省略S70。

接着，与S30类似，执行第三测量步骤，第三测量步骤测量第二容器中的测试对象50的光路长度与第二介质61的光路长度之和Z₂(S80)。第二介质中的光路长度之和用表达式4表达：

表达式4

Z₂＝N_g(λ_c)L+n_g2(λ_c)(L₂-L)

这里，n_g2(λ_c)是第二介质61的群折射率，与L₁类似，“L₂”表示第二容器41的侧41a的后表面与侧41b的前表面之间的几何距离，并且在本实施例中具有已知值，该几何距离是第二容器41的夹着测试对象50的一对表面之间的在光透射方向L的间隔。当在S60中第一容器与第二容器相同时，L₂等于L₁。

随后，与S50类似，从第二介质61(第二容器41)取出测试对象50(S90)。然后，执行第四测量步骤，第四测量步骤将光引入到第二容器中的包括第二介质61、但不包括测试对象50的区域中，并测量第二容器61的光路长度Z₂₀(S100)。光路长度Z₂₀是在第二介质61中的侧表面41a的后表面与侧表面41b的前表面之间的光路长度，用表达式5表达：

表达式5

Z₂₀＝n_g2(λ_c)L₂

最后，基于测量的光路长度Z₁、Z₁₀、Z₂和Z₂₀、第一容器40的已知表面间隔L₁以及第二容器41的已知表面间隔L₂来计算测试对象50的折射率(S110)。这里，“L₁”是第一介质沿光的光路的在光透射方向上的间隔。“L₂”是第二介质沿光的光路的在光透射方向上的间隔。S110的计算步骤基于表达式2至5删除(分离)L、n_g1(λ_c)和n_g2(λ_c)，并使用以下表达式在不使用测试对象50的厚度信息的情况下来计算测试对象50的群折射率N_g(λ_c)。

由于不使用测试对象50的厚度信息，所以即使当测试对象倾斜时，也可实现测量。另外，透镜的折射率被介质相对降低。因此，即使当测试对象是具有折光力的透镜时，测量的波前也是近似平面的，因此，可高精度地测量测试对象的折射率。

表达式6

$N_g\left({\mathrm{\λ}}_c\right)=\frac{(Z_1-Z_{10})n_{g2}\left({\mathrm{\λ}}_c\right)-(Z_2-Z_{20})n_{g1}\left({\mathrm{\λ}}_c\right)}{(Z_1-Z_{10})-(Z_2-Z_{20})}$

$=\frac{(Z_1-Z_{10})Z_{20}{L}_1-(Z_2-Z_{20})Z_{10}{L}_2}{[(Z_1-Z_{10})-(Z_2-Z_{20})]L_1{L}_2}$

测试对象50的厚度L、第一介质的折射率n_g1(λ_c)和第二介质的折射率n_g2(λ_c)如下给出：

表达式7

$L=\frac{[(Z_1-Z_{10})-(Z_2-Z_{20})]L_1{L}_2}{Z_{20}{L}_1-Z_{10}{L}_2}$

$n_{g1}\left({\mathrm{\λ}}_c\right)=\frac{Z_{10}}{L_1}$

$n_{g2}\left({\mathrm{\λ}}_c\right)=\frac{Z_{20}}{L_2}$

通过表达式6获得的群折射率N_g(λ_c)是测试对象50对于光源10的中心波长的群折射率。对于另一个波长的相折射率N_p(λ₀)可使用测试对象的玻璃材料的已知色散曲线求得。相折射率N_p(λ₀)通过表达式8获得，在表达式8中，N_p0(λ₀)是对于目标波长λ₀的相折射率的文献值(Iiterature value)，N_g0(λ_c)是对于光源10的中心波长λ_c的群折射率的文献值：

表达式8

$N_p\left({\mathrm{\λ}}_0\right)=N_g\left({\mathrm{\λ}}_c\right)+\frac{1}{A}(N_g\left({\mathrm{\λ}}_c\right)-1)$

$A=\frac{N_{g0}\left({\mathrm{\λ}}_c\right)-1}{N_{p0}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)-N_{g0}\left({\mathrm{\λ}}_c\right)}$

分别通过表达式6和8获得的群折射率N_g(λ_c)和相折射率N_P(λ₀)是对于真空的折射率或者绝对折射率。为了将它们变为对空气的相对折射率，用空气的折射率校正N_g(λ_c)和N_P(λ₀)。可替换地，可将容器的表面间隔L₁和L₂从几何距离变为光学距离值，并将它们代入表达式6。

本实施例测量如图1所示的在侧40a的后表面上反射的测试光和在侧40b的前表面上反射的测试光。可替换地，可使用在另一个表面上反射的光，只要它夹着测试对象50即可。

例如，可使用在容器40的侧40a的前表面上反射的光和在侧40b的后表面上反射的光。此时，用表达式2至5表达的光路长度变大与容器40的侧40a和40b的光路长度(光学厚度)对应的量。然而，当分离地测量容器40的侧40a和40b的光路长度(光学厚度)时，基于表达式2至5获得的光路长度可通过下述方式校正，即，将它减去容器的侧的光路长度的量。具体地讲，当容器的侧的折射率近似等于介质的折射率时，它们之间的界面上的折射率变得非常小，因此，干涉信号的测量变得困难。在这种情况下，如上所述，另一个表面的利用是有效的。对于光路长度的高精度测量，对于其测量光路长度的两个表面可以是平坦表面。

在表达式6中，分母通过下述方式得到，即，从测试对象50的光路长度和第一介质60的光路长度之和与第一介质60的光路长度之间的差中减去测试对象50的光路长度和第二介质61的光路长度之和与第二介质61的光路长度之间的差。因此，当第一介质60的折射率近似等于第二介质61的折射率时，分母变得非常小。当分母非常小时，每个介质的群折射率n_g1(λ_c)＝Z₁₀/L₁和n_g2(λ_c)＝Z₂₀/L₂中的每一个的测量误差对分子的影响增大，并且群折射率N_g(λ_c)的计算精度降低。为了进行高精度的测量，可使介质之间的折射率差更大。

本实施例利用SLD作为具有宽波长带的光源，但是可利用脉冲激光或者诸如卤素灯的白色光源。

本实施例使用低相干性干涉测量法来测量光路长度。取而代之，可使用距离测量技术，诸如飞行时间、相位差检测法和二向色法。

如上所述，本实施例的测量方法测量测试对象的光路长度与具有不同折射率的两种类型的介质中的每一个当在该介质中布置测试对象时的光路长度之和以及在其中从光路移除测试对象的介质的光路长度。可通过仅测量在夹着测试对象的平坦表面上反射的反射光、而不是在测试对象的弯曲表面上反射的反射光，来测量光路长度。由于在测试对象上反射的反射光不必到达检测器，所以本实施例不必严格地调整测试对象的倾斜度，因此，提供快速测量。另外，在平坦表面上反射的反射光不受折射表面的曲率的影响，并且由于干涉信号的S/N大，所以本实施例可提供高精度的测量。因此，本实施例的测量方法可高精度地、快速地测量测试对象的折射率。

第二实施例

图3是本实施例的测量装置的框图，本实施例中的与第一实施例中的对应元件相同的那些元件将用相同的标号指定。与第一实施例类似，本实施例的测试对象50是具有正折光力的透镜，但是可以是平板。

本实施例的测量装置包括分光计85，分光计85被构造为分析光谱范围内的干涉信号，并代替检测器80检测干涉光的光谱带强度，计算机90从分光计85获得检测结果(测量结果)。另外，本实施例的测量装置使侧40b由透明材料制成，在它后面提供反射镜45，并在分束器30与可移动反射镜之间布置补偿板25和容器43。

第一容器40被构造为容纳诸如水的第一介质60和测试对象50。如虚线箭头所示，可将测试对象50插入到第一容器40中，并可从第一容器40移除测试对象50。第一容器40的侧40a和40b由透明材料制成，反射镜45位于容器40后面。反射镜45可用作第一容器40的侧40b。第一介质60可用具有与第一介质60的折射率不同的折射率的第二介质(诸如油)替换。

光源11是具有宽波长带的光源，诸如超连续光源。从光源11发射的光被透镜20准直，然后被分束器30分离为透射光和反射光。

透射分束器30的光经过透镜21，进入第一容器40。进入第一容器40的光透射第一介质60和测试对象50，然后在反射镜45上反射。反射光返回到分束器30，并在该处被部分反射。光的一部分经过透镜22，到达分光计85。与第一实施例类似，经过以上光路的光将被称为测试光。

在分束器30上反射的光经过补偿板25，补偿板25被构造为补偿在测试光侧的透镜21的色散。补偿板25由与透镜21的玻璃材料相同的玻璃材料制成，并且与透镜21一样厚。经过补偿板25的光透射容器43，容器43被构造为补偿在测试光侧的容器40的侧40a和40b的色散。

容器43具有与容器40的形状相同的形状，并由与容器40的材料相同的材料制成。透射容器43的光在被构造为在光轴方向上移动的台架上的反射镜70(可移动反射镜)上被反射。其后，光返回到分束器30，部分透射通过分束器30，经过透镜22，到达分光计85。与第一实施例类似，经过以上光路的光将被称为参考光。

当没有将测试对象50和介质60插入到容器40中或者容器40为空时，补偿板25和容器43用于使测试光与参考光之间的光路长度差对于每个波长为0。补偿板25和容器43可用另一构件替换，只要它具有以上功能即可。例如，当透镜21和容器40的侧由相同的玻璃材料制成时，相同玻璃材料的一个板的厚度被调整，并作为替代可被使用。

测试光与参考光之间的干涉被分光计85检测为干涉信号。图4是示出被分光计85检测到的干涉信号的曲线图，在该曲线图中，水平轴表示波长，垂直轴表示光谱带强度。该干涉信号与反射镜70的移动量相关，λ₀随反射镜70移动而改变。在本实施例中，移动反射镜70，以使得λ₀可提供要测量的折射率的波长。

在计算测试对象50的折射率中，在第一容器40中填充第一介质60，并将测试对象50插入到第一介质中(S10)，并使测试对象50居中(S20)。接着，测量测试对象50的光路长度与第一介质60的光路长度之和Z₁(S30)。表达式9表达对于每个波长的干涉信号。

表达式9

I(λ)＝I₀[1+γ(λ)cosφ(λ)]

$\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[N_p\left(\mathrm{\λ}\right)L+n_{p1}\left(\mathrm{\λ}\right)(L_1-L)-n_{\mathrm{pa}}\left(\mathrm{\λ}\right)L_1-n_{\mathrm{pa}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\δ}]\×2$

这里，I(λ)表示干涉强度，I₀表示测试光的强度与参考光的强度之和，γ(λ)表示可见性，表示测试光与参考光之间的相位差，N_p(λ)表示测试对象的相折射率，n_p1(λ)是第一介质的相折射率，n_pa(λ)是空气的相折射率。与第一实施例类似，L₁在本实施例中是已知值。“δ”表示可移动反射镜的移动量，当容器40为空时，在测试光的光路长度等于参考光的光路长度的位置处将δ设置为0。

“λ₀”是相位对于波长的变化率为0的位置，用表达式10表达：

表达式10

${\left(\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂\mathrm{\λ}}\right)}_{\mathrm{\λ}0}=-\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}^2}[N_g\left({\mathrm{\λ}}_0\right)L+n_{g1}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)(L_1-L)-n_{\mathrm{ga}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right)L_1-n_{\mathrm{ga}}\left({\mathrm{\λ}}_0\right){\mathrm{\δ}}_1]=0$

表达式11从表达式10推导得到，在表达式10中，n_ga(λ)是空气的群折射率。δ₁是与λ₀对应的可移动反射镜的移动量。这里，乘以n_ga(λ)的可测量量δ被设置为测试对象50的光路长度与第一介质60的光路长度之和Z₁。

表达式11

Z₁＝n_ga(λ₀)δ₁＝N_g(λ₀)L+n_g1(λ₀)(L₁-L)-n_ga(λ₀)L₁

接着，从第一介质60取出测试对象50(S40)，并测量第一介质60的光路长度Z₁₀(S50)。当第一介质60填充在容器40中时，测试光与参考光之间的相位差用表达式12表达：

表达式12

$\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[(n_{p1}\left(\mathrm{\λ}\right)-n_{\mathrm{pa}}\left(\mathrm{\λ}\right))L_1-n_{\mathrm{pa}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\δ}]\×2$

与S30类似，通过使用表达式10和11，用表达式13表达光路长度Z₁₀，其中，δ₁₀表示在S50中与λ₀对应的可移动反射镜的移动量：

表达式13

Z₁₀＝n_ga(λ₀)δ₁₀＝(n_g1(λ)-n_ga(λ))L₁

随后，用第二介质(未示出)替换第一容器40中的第一介质60，并将测试对象布置在第二介质中(S60)。这里，容器40用作第二容器。

接着，使测试对象居中(S70)，并测量测试对象50的光路长度与第二介质的光路长度之和Z₂(S70)。然后，从第二介质取出测试对象50(S90)，并测量第二介质的光路长度Z₂₀(S100)。与第一介质类似，第二介质的光路长度之和Z₂和第二介质的光路长度Z₂₀用表达式14表达：

表达式14

Z₂＝N_g(λ₀)L+n_g2(λ₀)(L₂-L)-n_ga(λ₀)L₂

Z₂₀＝(n_g2(λ)-n_ga(λ))L₂

最后，基于测量值Z₁、Z₁₀、Z₂和Z₂₀以及容器的侧之间的已知距离L₁和L₂来计算测试对象50的折射率(S110)。表达式与第一实施例的表达式6至8相同。

本实施例还可在不使用表达式8的情况下计算相折射率。在S110之后，通过从容器40移除介质来仅布置测试对象50，并获取如图4所示的干涉信号。测试对象50的折射率和相位差如表达式15中那样假定。将它们代入以上表达式9，并对获得的干涉信号执行直接拟合。此时，空气的折射率n_pa(λ)利用文献值，并且L₁和δ是已知的。通过拟合求得系数A₁、A₂、A₃、A₄、A₅和A₆。换句话讲，求得相折射率N_p(λ)：

表达式15

$N_p\left(\mathrm{\λ}\right)=\sqrt{A_1+A_2{\mathrm{\λ}}^2+A_3{\mathrm{\λ}}^{-2}+A_4{\mathrm{\λ}}^{-4}+A_5{\mathrm{\λ}}^{-6}+A_6{\mathrm{\λ}}^{-8}}$

$\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[(N_p\left(\mathrm{\λ}\right)-n_{\mathrm{pa}}\left(\mathrm{\λ}\right))L_1-n_{\mathrm{pa}}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\δ}]$

在拟合中，为了忽略表达式9中的上面方程中的I₀和γ(λ)的成分，可使图4的干涉信号的幅值规范化。规范化将表达式9中的上面表达式变为形式并便于拟合。另外，使用表达式15的拟合将Cauchy色散表达式的形式应用于相折射率，但是可使用Sellmeier色散表达式的形式。当拟合波长范围窄时，可使用简单的函数，诸如多项式函数。当波长范围窄时，可使用直到表达式15中的上面表达式中的第三项为止的低阶次的拟合函数。

以上拟合方法移除介质，并再次测量干涉信号，但是可利用在图2的流程中测量的干涉信号。例如，当使用在S30中获得的第一介质的干涉信号时，可使用表达式9中的下面表达式，而不是表达式15中的下面表达式。当介质的相折射率N_p1(λ)未知时，可通过执行类似的拟合在S40的干涉信号中求得介质的相折射率N_p1(λ)。

本实施例将迈克尔逊干涉计的系统用于低相干性的干涉计，但是可使用Mach-Zehnder干涉计的系统。而且，尽管分光计位于图3中的检测器的位置处，但是分光计可位于光源11紧后面并被用于分离光，或者光电二极管可位于检测器的位置处并被用于检测对于每个波长的干涉信号。不是将分光计布置在光源11紧后面，而是去除分光计，并可用用于波长扫描的波长可变光源替换光源11。

第三实施例

图5是第三实施例的测量装置的框图，作为第一实施例中的对应元件的图5中的那些元件用相同的标号指定。本实施例的测量装置在反射镜70的一次扫描期间测量在测试对象布置在具有不同折射率的两种类型的介质中的每一个中时介质的光路长度与测试对象的光路长度之和以及在其中测试对象没有布置在光路中的介质的光路长度，并使用测量结果求得测试对象的折射率。

本实施例的测量装置在反射镜70的一次扫描期间测量测试对象的光路长度与在其中测试对象布置在光路中的介质的光路长度之和以及在其中测试对象没有布置在光路中的介质的光路长度这二者，由此减小由介质的温度变化而引起的误差，并缩短测量时间段。

本实施例的测量装置为第一实施例的测量装置提供分束器35和偏转反射镜75，以便分离测试光。由此，本实施例的测量装置在反射镜70的一次扫描期间测量测试对象的光路长度与在其中测试对象布置在光路中的介质的光路长度之和以及在其中测试对象没有布置在光路中的介质的光路长度这二者。

与第一实施例类似，第一容器40容纳第一介质60和测试对象50，并可用第二介质61(图5中未示出)替换第一介质60。可在保持测试对象50的同时彼此替换两种介质。因此，在本实施例中，第一容器40用作第二容器。

从光源10发射的光被透镜20准直，然后被分束器30分离为透射光(测试光)和反射光(参考光)。参考光在台架71上的反射镜70(可移动反射镜)上被反射，透射分束器30，经过透镜22，并到达检测器80。

测试光被分束器35分离为透射光和反射光。测试对象50和第一介质60布置在透射分束器35的测试光的第一光路OP1上。经过第一光路OP1的测试光在第一容器40的侧40a、40b上反射，再次透射分束器35，在分束器30上反射，经过透镜22，并到达检测器80。

在分束器35上反射的测试光被偏转反射镜75朝向第一容器40偏转。测试对象50没有布置在被偏转反射镜75偏转的测试光的第二光路OP2上，仅第一介质60布置在第二光路OP2上。第一光路OP1不同于第二光路OP2，通过光路OP1引入到第一介质60中的光的入射位置不同于通过光路OP2引入到第一介质60中的光的入射位置。

经过第二光路OP2的测试光在第一容器40的侧40a、40b上、然后在偏转反射镜75、分束器35和30上被反射，经过透镜22，并到达检测器80。

测试光和参考光随着反射镜70移动而偶尔彼此干涉，并被检测器80检测。在本实施例中，经过第一光路OP1并在第一容器40的每个表面上反射的测试光和经过第二光路OP2并在第一容器40的每个表面上反射的测试光中的每一个与参考光干涉。

由于被分束器35分离的两个测试光通量具有不同的光路，所以随着反射镜70移动，在不同的位置处检测得到的干涉信号。因此，本实施例的测量装置可在反射镜70的一次扫描期间测量在测试对象布置在光路上时介质的光路长度与测试对象的光路长度之和以及在测试对象没有布置在光路上时介质的光路长度这二者。

在计算测试对象50的折射率时，将测试对象50布置在第一容器40中，将第一介质60填充在第一容器40中(S10)，并使测试对象50居中(S20)。接着，在反射镜70的一次扫描期间，测量第一介质60的光路长度与测试对象50的光路长度之和Z₁以及第一介质60的光路长度Z₁₀这二者(S30和S50)。由于本实施例可在测试对象50布置在第一容器40中时测量光路长度Z₁和Z₁₀这二者，所以可省略从第一介质60取出测试对象50的步骤(S40)。

随后，在不从第一容器40取出测试对象50的情况下，用第二介质替换第一介质60(S60)。由于仅替换介质，所以第一容器40用作第二容器。由于保持测试对象的位置，所以可省略居中步骤(S70)。

接着，在反射镜70的一次扫描期间，测量第二介质的光路长度与测试对象50的光路长度之和Z₂以及第二介质的光路长度Z₂₀这二者(S80和S100)。还可省略从第二介质取出测试对象的步骤(S90)。可通过使用表达式16计算测试对象的群折射率。

表达式16

$N_g\left({\mathrm{\λ}}_c\right)=\frac{(Z_1{L}_{10}-Z_{10}{L}_1)Z_{20}-(Z_2{L}_{20}-Z_{20}{L}_2)Z_{10}}{(Z_1{L}_{10}-Z_{10}{L}_1)L_{20}-(Z_2{L}_{20}-Z_{20}{L}_2)L_{10}}$

这里，L₁₀是夹着第一介质的表面之间的在光透射方向上的间隔，L₂₀是夹着第二介质的表面之间的在光透射方向上的间隔。当第一容器40具有与第二容器的侧表面平行的侧表面时，或者当L₁＝L₁₀且L₂＝L₂₀时，表达式16与表达式6一致。另外，由于在本实施例中第一容器40用作第二容器，所以满足L₁＝L₂。

本实施例如图5所示将分束器35和偏转反射镜75添加到该第一实施例的测量装置，并在反射镜70的一次扫描期间测量Z₁和Z₁₀(Z₂和Z₂₀)这二者。可替换地，如图6所示，可将被构造为透射光的平板(透明构件)47插入到第一容器40中，并可在反射镜70的一次扫描期间测量Z₁和Z₁₀(Z₂和Z₂₀)。在图6中，侧40a的后表面与平板47的前表面(入射表面)之间的光路长度为Z₁₀(Z₂₀)，侧40a的后表面与平板47的前表面(入射表面)之间的间隔为L₁₀(L₂₀)。平板47的后表面与侧40b的前表面之间的光路长度为Z₁(Z₂)，平板47的后表面与侧40b的前表面之间的间隔为L₁(L₂)。

因此，第一介质中沿着光的光路的在发光方向上的间隔不总是与第二介质中沿着光的光路的在发光方向上的间隔一致。例如，第一测量步骤中第一介质沿着光路的在光透射方向上的间隔L₁不总是与第二测量步骤中第一介质沿着光路的在光透射方向上的间隔L₁₀一致。类似地，第三测量步骤中第二介质沿着光路的在光透射方向上的间隔L₂不总是与第四测量步骤中第二介质沿着光路的在光透射方向上的间隔L₂₀一致。

当测试对象50的前表面接近平坦表面时，可使用测试对象50的前表面(入射表面)来代替平板47，并且第二测量步骤和第四测量步骤可利用在测试对象50的前表面上反射的光进行测量。

在这种情况下，侧40a的后表面与侧40b的前表面之间的光路长度为Z₁(Z₂)，侧40a的后表面与侧40b的前表面之间的间隔为L₁(L₂)。另外，侧40a的后表面与测试对象50的前表面之间的光路长度为Z₁₀(Z₂₀)，侧40a的后表面与测试对象50的前表面之间的间隔为L₁(L₂)。

如上所述，本实施例的测量装置可在反射镜70的一次扫描期间测量Z₁和Z₁₀这二者，在反射镜70的一次扫描期间测量Z₂和Z₂₀这二者。由于可减小在测量Z₁和Z₁₀时第一介质的温度差以及测量Z₂和Z₂₀时第二介质的温度差，所以本实施例的测量装置可高精度地测量测试对象50的折射率。另外，测量步骤的数量减少，并可缩短测量时间段。

尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是要理解本发明不限于所公开的示例性实施例。将给予权利要求的范围以最广泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (13)

1.一种测量方法，包括：

第一测量步骤，所述第一测量步骤将光引入到布置在第一容器中的测试对象和第一介质中，并测量测试对象的光路长度与第一介质的光路长度之和；

第二测量步骤，所述第二测量步骤将光引入到包括第一介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第一介质的光路长度；

第三测量步骤，所述第三测量步骤将光引入到布置在第二容器中的测试对象和第二介质中，并测量测试对象的光路长度与第二介质的光路长度之和，第二介质具有与第一介质的折射率不同的折射率；

第四测量步骤，所述第四测量步骤将光引入到包括第二介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第二介质的光路长度；和

计算步骤，所述计算步骤基于在每个测量步骤中测量的光路长度和在每个测量步骤中被测量了各光路长度的光路的实际距离来计算测试对象的折射率。

2.根据权利要求1所述的测量方法，还包括以下步骤：

在第二测量步骤之前从第一测量步骤的第一容器取出测试对象；和

在第四测量步骤之前从第三测量步骤的第二容器取出测试对象。

3.根据权利要求2所述的测量方法，其中，第一测量步骤和第二测量步骤中的每一个中的第一介质中的光路上的光在光透射方向上的间隔彼此相等，第三测量步骤和第四测量步骤中的第二介质中的光路上的光在光透射方向上的间隔彼此相等，

其中计算步骤使用以下表达式计算测试对象的群折射率：

$N_g\left({\mathrm{\λ}}_c\right)=\frac{(Z_1-Z_{10})Z_{20}{L}_1-(Z_2-Z_{20})Z_{10}{L}_2}{[(Z_1-Z_{10})-(Z_2-Z_{20})]L_1{L}_2}$

其中，N_g(λ_c)是测试对象对于光的中心波长λ_c的群折射率，Z₁是第一容器中的测试对象的光路长度与第一介质的光路长度之和，Z₁₀是当从光的光路移除测试对象时第一容器中的第一介质的光路长度，Z₂是第二容器中的测试对象的光路长度与第二介质的光路长度之和，Z₂₀是当从光的光路移除测试对象时第二容器中的第二介质的光路长度，L₁是夹着第一介质的第一容器的表面之间的在光透射方向上的间隔，L₂是夹着第二介质的第二容器的表面之间的在光透射方向上的间隔。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其中，第二测量步骤在保持第一测量步骤中测试对象在第一容器中的位置的同时，分离光，并使用与第一测量步骤的光路不同的光路将分离的光引入到第一容器中；并且

其中，第四测量步骤在保持第三测量步骤中测试对象在第二容器中的位置的同时，分离光，并使用与第三测量步骤的光路不同的光路将分离的光引入到第二容器中。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其中，第二测量步骤利用在布置在第一容器中的测试对象的入射表面上反射的光，并且

其中，第四测量步骤利用在布置在第二容器中的测试对象的入射表面上反射的光。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其中，第二测量步骤利用在布置在第一容器的入射表面与在第一容器中布置的测试对象之间并被构造为透射光的透明构件的入射表面上反射的光，并且

其中，第四测量步骤利用在布置在第二容器的入射表面与在第二容器中布置的测试对象之间的透明构件的入射表面上反射的光。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其中，第一容器与第二容器相同。

8.根据权利要求1、4、5、6和7中的任何一个所述的测量方法，其中，计算步骤使用以下表达式计算测试对象的群折射率：

$N_g\left({\mathrm{\λ}}_c\right)=\frac{(Z_1{L}_{10}-Z_{10}{L}_1)Z_{20}-(Z_2{L}_{20}-Z_{20}{L}_2)Z_{10}}{(Z_1{L}_{10}-Z_{10}{L}_1)L_{20}-(Z_2{L}_{20}-Z_{20}{L}_2)L_{10}}$

其中，N_g(λ_c)是测试对象对于光的中心波长λ_c的群折射率，Z₁是第一容器中的测试对象的光路长度与第一介质的光路长度之和，Z₁₀是当从光的光路移除测试对象时第一容器中的第一介质的光路长度，Z₂是第二容器中的测试对象的光路长度与第二介质的光路长度之和，Z₂₀是当从光的光路移除测试对象时第二容器中的第二介质的光路长度，L₁是夹着测试对象和第一介质的第一容器的表面之间的在光透射方向上的间隔，L₁₀是夹着第一介质的第一容器的表面之间的在光透射方向上的间隔，L₂是夹着测试对象和第二介质的第二容器的表面之间的在光透射方向上的间隔，L₂₀是夹着第二介质的第二容器的表面之间的在光透射方向上的间隔。

9.一种测量装置，包括：

测量单元，其被构造为将光引入到布置在第一容器中的测试对象和第一介质中，并测量测试对象的光路长度与第一介质的光路长度之和；将光引入到包括第一介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第一介质的光路长度；将光引入到布置在第二容器中的测试对象和第二介质中，并测量测试对象的光路长度和第二介质的光路长度之和；将光引入到包括第二介质、但不包括测试对象的区域中，并测量第二介质的光路长度，第二介质具有与第一介质的折射率不同的折射率；和

计算器，其被构造为基于由测量单元测量的光路长度和被测量了各光路长度的光路的实际距离来计算测试对象的折射率。

10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，被构造为夹着测试对象的第一容器的表面是平坦表面。

11.根据权利要求9所述的测量装置，其中，被构造为夹着测试对象的第二容器的表面是平坦表面。

12.根据权利要求9所述的测量装置，其中，测量单元包括低相干性干涉计，并且

其中，低相干性干涉计包括：

光源，其被构造为发射低相干性光；

干涉光学系统，其被构造为分离来自光源的低相干性光，将分离的光引向测试对象和参考单元，并使得由被构造为夹着测试对象的表面对光进行反射而得到的测试光和由参考单元对光进行反射而得到的参考光能够彼此干涉；和

检测器，其被构造为检测由测试光和参考光形成的干涉光的强度。

13.根据权利要求9所述的测量装置，其中，测量单元还包括被构造为当第一容器和第二容器为空时使得测试光与参考光之间的光路长度差为零的单元。