CN103267743B - 一种折射率测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折射率测量装置及方法，属于光学检测领域。该装置包括：不同波长的多个短相干光源、波分复用器、光纤耦合器、两个光纤准直器、移动式反射镜、反射镜、透明平板、波分解复用器、多个光电接收器和多段光纤，各部件形成参考光路与测量光路。通过参考光路与测量光路配合，测出被测透明物体上、下表面在反射镜和透明平板形成的腔体中的位置，结合反射镜和透明平板之间的距离，得到被测透明物体的厚度，通过比较被测物放入前后的光程差以及被测透明物体的厚度就能得到被测物镜的折射率。该测量装置结构简单，测量精度高，可以高精度方便在线测量平面、球面镜的折射率和色散系数。

Description

一种折射率测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别是涉及一种高精度的折射率测量装置及方法。

背景技术

在高精度的精密光学仪器中，为了确保光学系统有很好的成像质量，需要精确测量光学材料的折射率，目前高精度测量光学玻璃材料折射率是通过最小偏向角法进行。最小偏向角法具有精度高、波长范围大，且为绝对测量，国内外大多数高精度光学玻璃材料折射率测量仪器普遍采用最小偏向角法，测量精度一般是10^-5的左右，如果需要折射率测量精度达到10^-6，需在精度1”的大型精密测角仪进行测量，并对温度和压力进行校正。参见《光学精密工程》第16卷11期“高精度测量光学玻璃折射率的新方法”

图1示意了传统最小偏向角测量折射率的方法，由光源照明入射狭缝S发出的光，经透镜变成平行光，通过三棱镜后发生偏折，经透镜会聚后，会聚在出射狭缝上。在测角仪上，测量出棱镜顶角A和最小偏向角δmin，即可计算出折射率。顶角测量方法主要有自准直法和反射法。最小偏向角测量方法主要有单值法、两倍角法、互补法、三像法以及三最小偏向角方法等。根据折射率计算公式：n=sin[(θ+δmin)/2]/sin(θ/2)计算折射率，δmin为最小偏向角；θ为棱镜顶角；n为棱镜折射率。

以上这些最小片偏向角的前提是需要制作一个棱镜，进行光折射，同时需要精确测试棱镜的角度，这样的棱镜制作起来非常麻烦，需要较长周期。

另外这种方法无法测试平面的光学元件，它比较适合用于玻璃制造商用于同一批玻璃的折射率样品测试，而不适合进行对实际镜片材料进行在线高精度测试，由于同一批玻璃中的折射率可能存在较大的差别（10^-5以上），所以样品的折射率和实际制作镜片的折射率可能存在较大的差异。并且某些特殊的应用场合，不知道光学元件的材料牌号的情况下，需要在不破坏元件的情况下，通过折射率测试确定玻璃的牌号，而目前的检测设备和方法并不能很好的进行测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种折射率测量装置及方法，不需要制作特殊的棱镜，可以方便高精度测量不同的球面、平面光学元件以及液体的折射率。

解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种折射率测量装置，包括：

不同波长的多个短相干光源、波分复用器、光纤耦合器、两个光纤准直器、移动式反射镜、反射镜、透明平板、波分解复用器、多个光电接收器和多段光纤；其中，

所述不同波长的多个短相干光源分别经光纤与所述波分复用器连接，所述波分复用器的输出端经光纤依次与所述光纤耦合器和第一光纤准直器连接，第一光纤准直器对应与移动式反射镜间隔排列设置；

所述反射镜、透明平板、第二光纤准直器间隔排列设置，所述第二光纤准直器经光纤依次与所述光纤耦合器和波分解复用器连接；

所述波分解复用器的输出端分别经光纤与各光电接收器连接；

所述反射镜与透明平板之间为设置被测透明物体处。

本发明还提供一种折射率检测方法，采用本发明的测量装置，包括以下步骤：

将被测透明物体放置在所述测量装置的反射镜与透明平板之间；

调整所述测量装置的移动式反射镜的位置，在测量装置的光电接收器上接收到干涉信号，通过拟合干涉条纹波形并结合移动式反射镜的位置，得到被测透明物体上表面与透明平板之间的距离a以及被测透明物体下表面与反射镜之间的距离b；

结合反射镜与透明平板之间的距离L1，以及放置的所述被测透明物体后的反射镜与透明平板之间的距离L2，按公式n=（L2-L1）/(L1-a-b)计算得到所述被测透明物体的折射率n。

本发明的有益效果为：该测量装置结构简单，不需要制作特殊的棱镜，可以方便高精度测量不同的球面，平面光学元件以及液体的折射率，并且方便实现在线检测不同光学元件，不影响光学设备。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术的最小偏向角的折射率测量原理示意图；

图2为本发明实施例提供的测量装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的测量装置光电接收器的光强分布示意图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种折射率测量装置，该测量装置不需要制作特殊的棱镜，可以方便的高精度测量不同的球面，平面光学元件以及液体的折射率，并可方便实现在线检测不同的光学元件，如图2所示，该测量装置包括：不同波长的多个短相干光源101、102、103、波分复用器104、光纤耦合器105、两个光纤准直器301、401、移动式反射镜302、反射镜404、透明平板402、波分解复用器204、多个光电接收器201、202、203和多段光纤；

其中，所述不同波长的多个短相干光源101、102、103分别经光纤与所述波分复用器104连接，所述波分复用器104的输出端经光纤依次与所述光纤耦合器105和第一光纤准直器301连接，第一光纤准直器301对应与移动式反射镜302间隔排列设置；

所述反射镜404、透明平板402、第二光纤准直器401间隔排列设置，所述第二光纤准直器401经光纤依次与所述光纤耦合器105和波分解复用器204连接；

所述波分解复用器204的输出端分别经光纤与各光电接收器201、202、203连接；

所述反射镜404与透明平板402之间为用于设置被测透明物体403的测量用腔体。

上述测量装置中，从不同波长的多个短相干光源101、102、103至所述波分复用器104、光纤耦合器105、第一光纤准直器301、移动式反射镜302以及从所述移动式反射镜302至所述光纤耦合器105、波分解复用器204、多个光电接收器201、202、203构成参考光路。

上述的参考光路中，从不同波长的多个短相干光源101、102、103至所述波分复用器104、光纤耦合器105、第一光纤准直器301到移动式反射镜302为进程参考光路；从所述移动式反射镜302至所述第一光纤准直器301、所述光纤耦合器105、波分解复用器204到多个光电接收器201、202、203为回程参考光路。

上述测量装置中，从不同波长的多个短相干光源101、102、103至所述波分复用器104、光纤耦合器105、第二光纤准直器401、透明平板402（中间经过被测透明物体403）、反射镜404以及从所述反射镜404（中间经过被测透明物体403）至所述透明平板402、所述第二光纤准直器401、所述光纤耦合器105、波分解复用器204、多个光电接收器201、202、203构成测量光路。

上述的测量光路中，从不同波长的多个短相干光源101、102、103至所述波分复用器104、光纤耦合器105、第二光纤准直器401、透明平板402（中间经过被测透明物体403）到反射镜404为进程测量光路；从所述反射镜404（中间经过被测透明物体403）至所述透明平板402、所述第二光纤准直器401、所述光纤耦合器105、波分解复用器204到多个光电接收器201、202、203为回程测量光路。

进一步的，在测量光路中的光纤准直器采用可变焦透镜，可以实现对球面光学元件检测情况的光强信号调节。

上述测量装置中，不同波长的多个短相干光源为三个波长的短相干光源，第一个为红光LED短相干光源101，第二个为绿光LED短相干光源102，第三个为蓝光LED短相干光源103。

在该测量装置中，光电接收器的数量与所述短相干光源的数量相同。

上述测量装置中，光纤耦合器可采用2×2光纤耦合器。也可采用迈克尔逊干涉仪代替光纤耦合器实现干涉检测。

上述测量装置中，透明平板与所述反射镜之间保持间距形成测量用腔体，测量时，被测透明物体放置在测量用腔体内。

上述测量装置工作时，不同波长的多个短相干光源发出的光输入到光纤后，通过一个波分复用器耦合到一根光纤中，通过光纤耦合器（可采用2×2光纤耦合器）耦合后输出的一路光经过第一光纤准直器准直后，入射到一个可精密移动的移动式反射镜上，反射镜的移动精度小于1微米；通过移动式反射镜反射光，再次通过第一光纤准直器，耦合到光纤后进入光纤耦合器，这路光称为参考光；

从光纤耦合器输出的另一路光通过第二光纤准直器准直后，出射到一个透明平板，然后经过被测透明物体后，经过反射镜反射，再次通过被测透明物体后，通过透明平板和第二光纤准直器耦合到光纤中，返回到光纤耦合器中，这路光称为测量光；

测量光和参考光返回到光纤耦合器中通过该光纤耦合器的另一端输出到一个波分解复用器中，从波分解复用器中按照波长分出多个光路，分别被不同的光电接收器接收。

由于采用短相干光源，只有当移动式反射镜的位置与被测透明物体表面的光程差小于相干长度时，能在光电接收器上接收到干涉信号；

由于测量光路的透明平板的下表面和反射镜形成一个测量用腔体，在放入被测透明物体之前，先测量腔体的长度，然后放入被测透明物体，记录腔体长度的变化情况（即原腔体长度减去被测透明物体的厚度的长度），同时从被测透明物体的上、下表面也能反射一部分光，通过这些反射光的位置可以得到被测透明物体的厚度，通过比较被测物放入前后的光程差以及被测透明物体的厚度就能得到被测物镜的折射率。

在一些实施例中，采用耦合器的方法直接对不同波长出射的多个光源进行耦合。

该测量装置结构简单，不需要制作特殊的棱镜，可以方便高精度测量不同的球面，平面光学元件以及液体的折射率，并且可以方便实现在线检测不同光学元件。

本发明实施例还提供一种折射率测量装置，采用上述的测量装置，包括以下步骤：

将被测透明物体放置在所述测量装置的反射镜与透明平板之间；

调整所述测量装置的移动式反射镜的位置，在测量装置的光电接收器上接收到干涉信号，通过拟合干涉条纹波形并结合移动式反射镜的位置，得到被测透明物体上表面与透明平板之间的距离a以及被测透明物体下表面与反射镜之间的距离b；

结合反射镜与透明平板之间的距离L1，以及放置的所述被测透明物体后的反射镜与透明平板之间的距离L2，按公式n=（L2-L1）/(L1-a-b)计算得到所述被测透明物体的折射率n。

下面结合具体实施例对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

通常玻璃的折射率数据包含三个折射率波长，以确定材料的折射率和色散系数，如图2所示，三个波长的短相干光源101（红光LED）、102（绿光LED）、103（蓝光LED）输入到光纤后，通过一个波分复用器104耦合到一根光纤中，通过光纤耦合器105（即2×2光纤耦合器），从光纤耦合器输出的一路光经过第一光纤准直器301准直后，入射到一个可精密移动的反射镜302上，通过反射镜302反射光，再次通过光纤准直器301，耦合到光纤后进入光纤耦合器105，这路光为参考光；

从光纤耦合器105输出的另一路光通过第二光纤准直器401准直后，出射到一个透明的平板402，然后经过被测透明物体403后，经过反射镜404反射，再次通过被测透明物体403后，通过透明平板402和准直器401耦合到光纤中，返回到2×2光纤耦合器105中，这路光为测量光；

测量光和参考光都返回到光纤耦合器105中，通过光纤耦合器105的另一端输出到一个波分解复用器204中，从波分解复用器204中按照波长分出多个光路，分别被经光纤与波分解复用器204连接的不同的光电接收器201、202、203接收；

由于采用短相干光源，当移动式反射镜的位置与被测透明物体表面的光程差小于相干长度时，能在光电接收器上接收到干涉信号，如图3所示，通过拟合干涉条纹波形，以及移动式反射镜302的位置，可以精确的知道被测透明物体表面的位置，由于测量光路的透明平板402的下表面和反射镜404形成一个腔体，在放入被测透明物体403之前，先测试腔体的长度L1，然后放入被测透明物体，记录腔体长度L2，同时通过移动精密反射镜302可以知道透明平板402的下表面到被测透明物体403的上表面的距离a，以及被测透明物体403的下表面到反射镜404的距离b，被测透明物体403的折射率n为：

n=（L2-L1）/(L1-a-b)。

若三个短相干光源的相干长度为十几到几十微米左右，预计反射表面位置精度可达50nm，假设被测透明物体的厚度为50mm，那么该物体的检测精度为1×10^-6。

如果被测透明物体是球面光学元件，该测量装置同样适用，由于从第一光纤准直器401出射的光束较小，对于大曲率半径的镜片测量时，可以当作平面进行处理，当曲率半径较小时，可以通过改变第一光纤准直器401（最好采用可变焦距的准直透镜）的焦距，使不同表面的光可以顺利返回到光纤中；该测量装置同样适合测试液体的折射率。

实施例2

采用和实施例一类似的方式，当测试透明液态的时候，将液态放在装有液态的器皿中，器皿的底部有一个平面，类似于上实施例1中的反射镜404，液态的高度可以通过透明平板402和液体的上表面来测试得到，当加入液体和不加入液体时测得的透明平板402和反射镜404的间距会由发生变化，通过该变化值以及液体的高度就可以得到液体的折射率值。由于液体下表面和器皿的底面间距b为0；所以折射率n=（L2-L1）/(L1-a)，其中，L2为透明平板402和反射镜404之间的原间距，L1为透明平板402和反射镜404之间加入测量液体后的间距，a为透明平板402的下表面到被测透明液体的上表面的距离。

综上所述，本发明的折射率测量装置结构简单，不需要制作特殊的棱镜，可以方便高精度测量不同的球面，平面光学元件以及液体的折射率，并可方便实现在线检测不同的光学元件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种折射率测量装置，其特征在于，包括：

不同波长的多个短相干光源、波分复用器、光纤耦合器、两个光纤准直器、移动式反射镜、反射镜、透明平板、波分解复用器、多个光电接收器和多段光纤；其中，

所述不同波长的多个短相干光源分别经光纤与所述波分复用器连接，所述波分复用器的输出端经光纤依次与所述光纤耦合器和第一光纤准直器连接，第一光纤准直器对应与移动式反射镜间隔排列设置；

所述反射镜、透明平板、第二光纤准直器间隔排列设置，所述第二光纤准直器经光纤依次与所述光纤耦合器和波分解复用器连接；

所述波分解复用器的输出端分别与各光电接收器连接；

所述反射镜与透明平板之间为设置被测透明物体处。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置中，从不同波长的多个短相干光源至所述波分复用器、光纤耦合器、移动式反射镜以及从所述移动式反射镜至所述第一光纤准直器、光纤耦合器、波分解复用器到多个光电接收器构成参考光路；

从不同波长的多个短相干光源至所述波分复用器、光纤耦合器、第二光纤准直器、透明平板、反射镜以及从所述反射镜至所述透明平板、第二光纤准直器、光纤耦合器、波分解复用器到多个光电接收器构成测量光路。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述不同波长的多个短相干光源为三个波长的短相干光源，第一个为红光LED短相干光源，第二个为绿光LED短相干光源，第三个为蓝光LED短相干光源。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光纤耦合器采用2×2光纤耦合器或采用迈克尔逊干涉仪。

5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述光电接收器的数量与所述短相干光源的数量相同。

6.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述透明平板与所述反射镜之间保持间距形成测量腔体。

7.一种折射率检测方法，其特征在于，采用权利要求1～6任一项所述的测量装置，包括以下步骤：

将被测透明物体放置在所述测量装置的反射镜与透明平板之间；

调整所述测量装置的移动式反射镜的位置，在测量装置的光电接收器上接收到干涉信号，通过拟合干涉条纹波形并结合移动式反射镜的位置，得到被测透明物体上表面与透明平板之间的距离a以及被测透明物体下表面与反射镜之间的距离b；

结合反射镜与透明平板之间的距离L1，以及除去放置的所述被测透明物体后的反射镜与透明平板之间的距离L2，按公式n＝(L2-L1)/(L1-a-b)计算得到所述被测透明物体的折射率n。