CN103954589B - 一种光学材料折射率的精密测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学材料折射率的精密测量装置及方法，该装置及方法能够实现宽光谱分析法和法布里-珀罗干涉法的结合，通过全局残差分析，得到精确的光学材料厚度和折射率，通过对宽光谱法布里-珀罗干涉系统进行光谱分析，可以得出某个连续波段下光学材料的折射率色散曲线。本发明提高了折射率的测量精度，利用绝大多数光学材料自身的平行平板结构形成稳定的干涉腔，减小了空气扰动对干涉信号稳定性的影响，避免了将光学材料加工为特殊的形状，实现了光学材料的无损测量。

Description

一种光学材料折射率的精密测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学材料折射率测量技术领域，具体是一种光学材料折射率的精密测量装置及方法。

背景技术

折射率是评价光学材料的一种基本物理特性。光学材料折射率的测量方法大体有三类：一是利用光在具有特定形状的待测光学材料中的折射情况测量光学材料折射率，如最小偏向角法和自准直法；二是利用全反射现象测量光学材料折射率，如临界角法(又称阿贝折射法)；三是利用干涉原理测量光学材料折射率，如迈克尔逊干涉法、法布里-珀罗干涉法、马赫-曾德干涉法和瑞利干涉法。

第一类方法中，最小偏向角法是各种测量方法中精度较高的一种，可获得±5×10^-6的测量精度。但是，最小偏向角法和自准直法都有一个缺点，即待测光学材料必须加工为特定的形状(如楔形)才可以测量，该特定形状的加工精度直接影响到折射率的测量精度，同时也无法实现待测光学材料的无损在线测量。第二类方法中，临界角法多用于液体、气体光学材料折射率的测量，测量固体光学材料时，由于待测光学材料表面粗糙度和平整度加工状态不同，造成待测光学材料与测量棱镜非紧密接触，因此会带来临界角差异，从而产生折射率误差。第三类方法中，虽然对待测光学材料的形状没有特殊严格的限制，但是迈克尔逊干涉法和马赫-曾德干涉法的干涉臂中的光程暴露在空气中，会受到空气扰动和环境的震动影响干涉信号的稳定性。为了减少环境因素的影响，一些方法采用单波长法布里-珀罗干涉法测量光学材料折射率。此类方法虽然减小了环境因素的影响，但是由于材料厚度d精确度的限制，得到的折射率精确度并不高，只能达到10^-3。并且，通过上述方法获得的折射率，只针对单个特定波长入射光，应用领域十分狭窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便且准确的光学材料折射率的精密测量装置及方法，将宽光谱分析法和法布里-珀罗干涉法相结合，通过全局残差分析，得到精确的光学材料厚度和折射率。

本发明的技术方案为：

一种光学材料折射率的精密测量装置，该装置包括宽光谱光源，所述宽光谱光源的输出光路上设有第一分光镜，所述第一分光镜的反射光路上设有光功率计，所述第一分光镜的透射光路上设有被测样品；所述被测样品的反射光路上设有第二分光镜，所述第二分光镜的反射光路上设有零度入射角校准装置；所述被测样品的透射光路上依次设有透镜和光谱仪；所述被测样品固定于位移装置上；所述宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置、光谱仪和位移装置均与计算机交互式信号连接。

一种光学材料折射率的精密测量装置，该装置包括宽光谱光源，所述宽光谱光源的输出光路上设有第一分光镜，所述第一分光镜的反射光路上设有光功率计，所述第一分光镜的透射光路上依次设有第一抛物面反射镜和被测样品；所述被测样品的反射光路上依次设有所述第一抛物面反射镜和第二分光镜，所述第二分光镜的反射光路上设有第三分光镜；所述第三分光镜的反射光路上设有零度入射角校准装置，所述第三分光镜的透射光路上依次设有第二抛物面反射镜和光谱仪；所述被测样品固定于位移装置上；所述宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置、光谱仪和位移装置均与计算机交互式信号连接。

所述的光学材料折射率的精密测量装置，所述第一分光镜与被测样品之间的光路上设有第一高反射镜，所述被测样品与透镜之间的光路上设有第二高反射镜；所述第一高反射镜也设于被测样品与第二分光镜之间的光路上。

所述的光学材料折射率的精密测量装置，所述第一抛物面反射镜与第二抛物面反射镜的焦距相同。

所述的光学材料折射率的精密测量装置，所述零度入射角校准装置为二维位置敏感探测器。

所述的光学材料折射率的精密测量装置，所述位移装置由二维精密移动载物平台、角位移平台和平台控制器组成，所述二维精密移动载物平台和角位移平台分别通过平台控制器与计算机交互式信号连接；所述被测样品固定于二维精密移动载物平台上，所述二维精密移动载物平台固定于角位移平台上。

所述的光学材料折射率的精密测量装置，所述平台控制器选用ZolixSC300系列的平台控制器。

所述的一种光学材料折射率的精密测量方法，包括以下步骤：

(1)将被测样品放置在位移装置上，宽光谱光源输出的光束，一部分经第一分光镜反射后进入光功率计，用于探测入射光强，另一部分经第一分光镜透射后到达被测样品表面；

(2)被测样品表面的反射光束经第二分光镜反射后进入零度入射角校准装置，用于校准零度入射角；被测样品表面的透射光束经透镜聚焦后进入光谱仪，用于探测透射光强；

(3)固定光束在被测样品表面的入射位置，调整位移装置，通过零度入射角校准装置校准零度入射角；

(4)通过位移装置改变光束在被测样品表面的入射位置和入射角，同时采集宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置和光谱仪的探测数据，生成一定波段内法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线；

(5)从一定波段内法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线中提取出多个单波长法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线；

(6)根据每个单波长法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线，得到每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线；

(7)通过对多个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线进行分析比较，在一定的被测样品厚度范围内，找出对应相同的被测样品厚度的残差函数收敛极值，即为每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数唯一收敛位置，所述对应相同的被测样品厚度即为被测样品的实际厚度；

(8)根据被测样品的实际厚度和每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数，确定每个单波长下的被测样品折射率；

(9)根据得到的每个单波长下的被测样品折射率，绘制被测样品在一定波段内的折射率色散曲线。

所述的一种光学材料折射率的精密测量方法，包括以下步骤：

(1)将被测样品放置在位移装置上，宽光谱光源输出的光束，一部分经第一分光镜反射后进入光功率计，用于探测入射光强，另一部分经第一分光镜透射和第一球面反射镜反射后到达被测样品表面；

(2)被测样品表面的反射光束经第一抛物面反射镜反射和第二分光镜反射后到达第三分光镜，一部分光束经第三分光镜反射后进入零度入射角校准装置，用于校准零度入射角，另一部分光束经第三分光镜透射和第二抛物面反射镜反射后进入光谱仪，用于探测反射光强；

(3)固定光束在被测样品表面的入射位置，调整位移装置，通过零度入射角校准装置校准零度入射角；

(4)通过位移装置改变光束在被测样品表面的入射位置和入射角，同时采集宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置和光谱仪的探测数据，生成一定波段内法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线；

(5)从一定波段内法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线中提取出多个单波长法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线；

(6)根据每个单波长法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线，得到每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线；

(7)通过对多个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线进行分析比较，在一定的被测样品厚度范围内，找出对应相同的被测样品厚度的残差函数收敛极值，即为每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数唯一收敛位置，所述对应相同的被测样品厚度即为被测样品的实际厚度；

(8)根据被测样品的实际厚度和每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数，确定每个单波长下的被测样品折射率；

(9)根据得到的每个单波长下的被测样品折射率，绘制被测样品在一定波段内的折射率色散曲线。

本发明不需要将光学材料加工为特殊的形状(如楔形)，这样可以实现对光学材料的无损测量，非常适合绝大多数光学材料在其自身应用范围内的形状(通常为平行平板)；法布里-珀罗干涉方法利用光学材料自身的平行平板结构形成稳定的干涉腔，避免了其它干涉方法中空气扰动对干涉信号稳定性的影响；实现了宽光谱分析法和法布里-珀罗干涉法的结合，通过全局残差分析，得到精确的光学材料厚度，从而提高了折射率的测量精度；通过对宽光谱法布里-珀罗干涉系统进行光谱分析，可以得出某个连续波段下光学材料的折射率色散曲线。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图(透射型)；

图2是本发明的装置结构示意图(反射型)；

图3是平行平板的法布里-珀罗干涉原理示意图；

图4(a)是低反射率光学材料的反射光光强示意图；

图4(b)是低反射率光学材料的透射光光强示意图；

图4(c)是低反射率光学材料的反射光会聚产生的干涉信号对比度示意图；

图4(d)是低反射率光学材料的透射光会聚产生的干涉信号对比度示意图；

图5是法布里-珀罗干涉信号光强随光束入射角变化的关系曲线图；

图6是理想情况下单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于光学材料折射率和厚度的收敛示意图；

图7是实际情况下单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于光学材料折射率和厚度的收敛示意图；

图8是入射波长λ₁＝633nm时的收敛函数示意图；

图9是入射波长λ₂＝1529nm时的收敛函数示意图。

上图中：1-宽光谱光源、21-第一分光镜、22-第二分光镜、23-第三分光镜、3-光功率计、41-第一高反射镜、42-第二高反射镜、5-被测样品、6-二维PSD、7-二维精密移动载物平台、8-角位移平台、91-第一抛物面反射镜、92-第二抛物面反射镜、10-透镜、11-光谱仪、12-平台控制器、13-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种透射型的光学材料折射率的精密测量装置，包括宽光谱光源1、第一分光镜21、第二分光镜22、光功率计3、第一高反射镜41、第二高反射镜42、被测样品5、二维PSD(即二维位置敏感探测器)6、二维精密移动载物平台7、角位移平台8、透镜10、光谱仪11、平台控制器12和计算机13。平台控制器12选用ZolixSC300系列的平台控制器。

宽光谱光源1的输出光路上设有第一分光镜21，第一分光镜21的反射光路上设有光功率计3，第一分光镜21的透射光路上依次设有第二分光镜22、第一高反射镜41和被测样品5，被测样品5的反射光路上依次设有第一高反射镜41和第二分光镜22，第二分光镜22的反射光路上设有二维PSD6，被测样品5的透射光路上依次设有第二高反射镜42、透镜10和光谱仪11；被测样品5放置在二维精密移动载物平台7上，二维精密移动载物平台7放置在角位移平台8上。

二维精密移动载物平台7和角位移平台8均与平台控制器12交互式信号连接；宽光谱光源1、光功率计3、二维PSD6、光谱仪11和平台控制器12均与计算机13交互式信号连接。

采用上述测量装置对光学材料折射率进行测量的方法，步骤如下：

S1、将被测样品5放置在二维精密移动载物平台7上，宽光谱光源1输出的光束，一部分经第一分光镜21反射后被光功率计3接收，用于探测入射光强，另一部分经第一分光镜21透射和第一高反射镜41反射后到达被测样品5表面；

S2、被测样品5表面的反射光束经第一高反射镜41反射和第二分光镜22反射后被二维PSD6接收，用于校准零度入射角；被测样品5表面的透射光束经第二高反射镜42反射和透镜10聚焦后被光谱仪11接收，用于探测透射光强；

S3、固定光束在被测样品5表面的入射位置，调整角位移平台8，通过二维PSD6校准零度入射角；

S4、计算机13通过平台控制器12控制二维精密移动载物平台7和角位移平台8，改变光束在被测样品5表面的入射位置和入射角，同时采集宽光谱光源1(输出波段)、光功率计3、二维PSD6和光谱仪11的探测数据，生成一定波段内法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线；

S5、从一定波段内法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线中提取出多个单波长法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线；

S6、根据每个单波长法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线，得到每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线；

S7、通过对多个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线进行分析比较，在一定的被测样品厚度范围内(可以采用游标卡尺先测量下被测样品的大致厚度，以便于比对)，找出对应相同的被测样品厚度的残差函数收敛极值，即为每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数唯一收敛位置，对应相同的被测样品厚度即为被测样品的实际厚度；

S8、根据被测样品的实际厚度和每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数，确定每个单波长下的被测样品折射率；

S9、根据得到的每个单波长下的被测样品折射率，绘制被测样品在一定波段内的折射率色散曲线。

如图2所示，一种反射型的光学材料折射率的精密测量装置，包括宽光谱光源1、第一分光镜21、第二分光镜22、第三分光镜23、光功率计3、被测样品5、二维PSD6、二维精密移动载物平台7、角位移平台8、第一抛物面反射镜91、第二抛物面反射镜92、光谱仪11、平台控制器12和计算机13。平台控制器12选用ZolixSC300系列的平台控制器。

宽光谱光源1的输出光路上设有第一分光镜21，第一分光镜21的反射光路上设有光功率计3，第一分光镜21的透射光路上依次设有第二分光镜22、第一抛物面反射镜91和被测样品5，被测样品5的反射光路上依次设有第一抛物面反射镜91和第二分光镜22，第二分光镜22的反射光路上设有第三分光镜23，第三分光镜23的反射光路上设有二维PSD6，第三分光镜23的透射光路上依次设有第二抛物面反射镜92和光谱仪11；被测样品5放置在二维精密移动载物平台7上，二维精密移动载物平台7放置在角位移平台8上。

二维精密移动载物平台7和角位移平台8均与平台控制器12交互式信号连接；宽光谱光源1、光功率计3、二维PSD6、光谱仪11和平台控制器12均与计算机13交互式信号连接。第一抛物面反射镜91与第二抛物面反射镜92的焦距相同。

采用上述测量装置对光学材料折射率进行测量的方法，步骤如下：

S1、将被测样品5放置在二维精密移动载物平台7上，宽光谱光源1输出的光束，一部分经第一分光镜21反射后被光功率计3接收，用于探测入射光强，另一部分经第一分光镜21透射和第一抛物面反射镜91反射后到达被测样品5表面；

S2、被测样品5表面的反射光束经第一抛物面反射镜91反射和第二分光镜22反射后到达第三分光镜23，一部分光束经第三分光镜23反射后被二维PSD6接收，用于校准零度入射角，另一部分光束经第三分光镜23透射和第二抛物面反射镜92反射后被光谱仪11接收，用于探测反射光强；

S3、固定光束在被测样品5表面的入射位置，调整角位移平台8，通过二维PSD6校准零度入射角；

S4、计算机13通过平台控制器12控制二维精密移动载物平台7和角位移平台8，改变光束在被测样品5表面的入射位置和入射角，同时采集宽光谱光源1(输出波段)、光功率计3、二维PSD6和光谱仪11的探测数据，生成一定波段内法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线；

S5、从一定波段内法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线中提取出多个单波长法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线；

S6、根据每个单波长法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线，得到每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线；

S7、通过对多个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线进行分析比较，在一定的被测样品厚度范围内(可以采用游标卡尺先测量下被测样品的大致厚度，以便于比对)，找出对应相同的被测样品厚度的残差函数收敛极值，即为每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数唯一收敛位置，对应相同的被测样品厚度即为被测样品的实际厚度；

S8、根据被测样品的实际厚度和每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数，确定每个单波长下的被测样品折射率；

S9、根据得到的每个单波长下的被测样品折射率，绘制被测样品在一定波段内的折射率色散曲线。

本发明的技术原理：

如图3所示，首先以单波长入射光为例，光束以入射角θ₁入射到光学材料表面后，光学材料的平行平板结构形成了法布里-珀罗干涉腔，产生了由多次反射光和透射光的相干叠加形成的法布里-珀罗干涉信号。同时，伴随入射角θ₁的改变，法布里-珀罗干涉的光强信号和相位信号都会发生周期性变化。

如图3所示，相邻两反射光或透射光之间的光程差为：

$\mathrm{\Δ}=2\mathrm{nd}\cos {\mathrm{\θ}}_2=2d\sqrt{n^2-{n_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}---\left(1\right)$

其中，n为光学材料折射率，n₀为空气的折射率，d为光学材料厚度，θ₁为光束入射角，θ₂为光束在光学材料中的折射角。

对应相位差为：

$\mathrm{\φ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}d\sqrt{n^2-{n_0}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_1}---\left(2\right)$

其中，λ为入射光波长。

根据艾里(Airy)公式，透射光强与入射光强关系式为：

$I_t=\frac{1}{1+F{\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}}{2}}{I}_i---\left(3\right)$

其中，I_t为透射光强、I_i为入射光强。

反射光强与入射光强关系式为：

$I_r=\frac{F{\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}}{2}}{1+F{\sin }^2\frac{\mathrm{\φ}}{2}}{I}_i---\left(4\right)$

其中，I_r为反射光强。

F为：

$F=\frac{4R}{{(1-R)}^2}---\left(5\right)$

其中，R是光学材料反射率。

应当指出，当光学材料反射率R很低时，透射光的强度相差很大，如图4(b)所示，会聚后产生的干涉条纹的对比度很低，如图4(d)所示，而与之相比，反射光的强度相差很小，如图4(a)所示，会聚后产生的干涉条纹的对比度要大得多，如图4(c)所示。同理，当光学材料反射率R很高时，反射光的强度相差很大，会聚后产生的干涉条纹对比度很低，而透射光的强度相差很小，会聚后产生的干涉条纹的对比度要大得多。因此，在测量光学材料折射率时，需要根据光学材料反射率R的情况，选择接收反射光或者透射光，以获得准确测量结果。

以透射光为例，相位差m＝0,1,2,3…..时，光强获得最大值；相位差m＝0,1,2,3…..时，光强获得最小值。根据公式(2)可知，改变入射角θ₁，可以引起相位差的改变，进而引起光强最大最小值的震荡。

如图5所示，对这种震荡进行了形象的说明，图中横坐标为入射角θ₁，纵坐标为探测器接收到的透射光强。当θ₁从0°增大到30°时，透射光强出现上下震荡。其中，震荡的原因在于入射角改变，引起相位差改变，进而导致光强变化。震荡的波峰位置对应相位差震荡的波谷位置对应相位差以波峰为例，对应的入射角θ_m可以表示为：

${\mathrm{\θ}}_m={\sin }^{-1}\frac{1}{n_0}\sqrt{n^2-{\left(\frac{\mathrm{m\λ}}{2d}\right)}^2}---\left(6\right)$

其中m为波峰的级次，表示为：

$m_k=\mathrm{floor}\left(\frac{2\mathrm{nd}}{\mathrm{\λ}}\right)-k,k=\mathrm{0,1,2,3}......---\left(7\right)$

其中floor()表示为向下取整数。

现有技术中利用法布里-珀罗干涉法测量折射率的特点在于：利用光强伴随入射角改变发生震荡的这一性质，测得光强相对于光束入射角的变化曲线，如图5所示。然后使用统计学方法对曲线进行回归分析，通过拟合测定峰值与理论峰值，计算出光学材料折射率。

但是在上述方法中，光学材料厚度d的测量精度极大地影响折射率的测量精度，通常测量光学材料厚度d，精度只能达到0.001mm，导致拟合出的折射率精度不高，一般只能达到10^-3。为了提高光学材料厚度d的测量精度，通常会采用额外的精密测厚仪器，但是这样会增加高昂的费用和复杂的测量步骤。

本发明为了克服光学材料厚度d测量精度的限制，获得更为精确的光学材料折射率，引入残差函数δ进一步分析。残差函数δ可以

表示为：

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\underset{m}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{\θ}}_m^{\′}-{\mathrm{\θ}}_m|}^2---\left(8\right)$

其中，θ′_m为法布里-珀罗干涉信号的第m个光强波峰对应的入射角测定值，θ_m为法布里-珀罗干涉信号的第m个光强波峰对应的入射角理论值。结合公式(6)、(7)和(8)可以看出，在固定的入射光波长λ下，残差函数δ是关于光学材料折射率n和光学材料厚度d的二元非线性函数δ(n,d)。理想情况下，残差函数δ遵从正态分布，在实际的光学材料折射率n和厚度d处，唯一全局收敛，如图6所示。

但在实际情况下，由于测量的干涉信号中的噪声原因，残差函数δ表现出2π不确定性，在光学材料折射率n和厚度d的实际值处，并不唯一收敛，而是呈现周期性局部收敛，如图7所示。其中，收敛的周期间隔受入射光波长影响，入射光波长越长，收敛周期间隔越大，如图8、图9所示。因此，本发明利用宽光谱法布里-珀罗干涉来消除残差函数δ的2π不确定性。通过该方法不仅可以精确地得到光学材料折射率，而且可以得到在宽光谱范围内的折射率色散曲线。

本发明采用宽光谱法布里-珀罗干涉测量光学材料折射率的特点在于：在宽光谱光源条件下，通过对宽光谱法布里-珀罗干涉信号进行光谱分析，可以得到在每一个波长λ_i条件下的单波长法布里-珀罗干涉信号。由前述分析可知，每一个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数δ[θ(λ_i,n_λi,m_λi,d)]均具有周期性分布的局部收敛极值，且局部收敛极值的周期间隔与波长成正比。在每一个单波长的局部收敛极值中，一定存在着唯一全局收敛，对应着实际的光学材料厚度d和在该波长下实际的光学材料折射率n_λi。而对于宽光谱中的各个波长λ_i，其对应的光学材料厚度d是相同的，因此根据不同波长下唯一全局收敛对应光学材料厚度d相同这一性质，来消除残差函数δ的2π不确定性，从而确定光学材料厚度d的精确值，提高光学材料折射率的测量精度。

以600nm～1600nm宽光谱源中的两个入射光波长λ₁＝633nm和λ₂＝1529nm为例，在图8中，λ₁＝633nm的残差函数δ[θ(λ_i,n_λi,m_λi,d)]在光学材料厚度d为855.9um至856.9um之间存在7个局部收敛极值；在图9中，λ₂＝1529nm的残差函数δ[θ(λ_i,n_λi,m_λi,d)]在光学材料厚度d为855.9um至856.9um之间只存在3个局部收敛极值。但是两者均只存在一个唯一全局收敛极值，在该极值处对应的光学材料厚度d相同，为856.4um；而在其它局部收敛极值处对应的光学材料厚度d各不相同。根据上述分析，对于其它波长的残差函数δ[θ(λ_i,n_λi,m_λi,d)]，同样存在唯一全局收敛极值，在该极值处对应的光学材料厚度d＝856.4um。

根据上述方法，可以得到精确的光学材料厚度d，测量精度可达10^-5mm。再结合每一个波长λ_i下的残差函数δ(n_λi,d)即可以精确地得出每一个波长下的折射率n_λi，从而绘制出折射率色散曲线，帮助相关人员分析光学材料的色散特性。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种光学材料折射率的精密测量装置，其特征在于：该装置包括宽光谱光源，所述宽光谱光源的输出光路上设有第一分光镜，所述第一分光镜的反射光路上设有光功率计，所述第一分光镜的透射光路上设有被测样品；所述被测样品的反射光路上设有第二分光镜，所述第二分光镜的反射光路上设有零度入射角校准装置；所述被测样品的透射光路上依次设有透镜和光谱仪；所述被测样品固定于位移装置上；所述宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置、光谱仪和位移装置均与计算机交互式信号连接。

2.一种光学材料折射率的精密测量装置，其特征在于：该装置包括宽光谱光源，所述宽光谱光源的输出光路上设有第一分光镜，所述第一分光镜的反射光路上设有光功率计，所述第一分光镜的透射光路上依次设有第一抛物面反射镜和被测样品；所述被测样品的反射光路上依次设有所述第一抛物面反射镜和第二分光镜，所述第二分光镜的反射光路上设有第三分光镜；所述第三分光镜的反射光路上设有零度入射角校准装置，所述第三分光镜的透射光路上依次设有第二抛物面反射镜和光谱仪；所述被测样品固定于位移装置上；所述宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置、光谱仪和位移装置均与计算机交互式信号连接。

3.根据权利要求1所述的光学材料折射率的精密测量装置，其特征在于：所述第一分光镜与被测样品之间的光路上设有第一高反射镜，所述被测样品与透镜之间的光路上设有第二高反射镜；所述第一高反射镜也设于被测样品与第二分光镜之间的光路上。

4.根据权利要求2所述的光学材料折射率的精密测量装置，其特征在于：所述第一抛物面反射镜与第二抛物面反射镜的焦距相同。

5.根据权利要求1或2所述的光学材料折射率的精密测量装置，其特征在于：所述零度入射角校准装置为二维位置敏感探测器。

6.根据权利要求1或2所述的光学材料折射率的精密测量装置，其特征在于：所述位移装置由二维精密移动载物平台、角位移平台和平台控制器组成，所述二维精密移动载物平台和角位移平台分别通过平台控制器与计算机交互式信号连接；所述被测样品固定于二维精密移动载物平台上，所述二维精密移动载物平台固定于角位移平台上。

7.根据权利要求6所述的光学材料折射率的精密测量装置，其特征在于：所述平台控制器选用ZolixSC300系列的平台控制器。

8.根据权利要求1所述的一种光学材料折射率的精密测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将被测样品放置在位移装置上，宽光谱光源输出的光束，一部分经第一分光镜反射后进入光功率计，用于探测入射光强，另一部分经第一分光镜透射后到达被测样品表面；

（2）被测样品表面的反射光束经第二分光镜反射后进入零度入射角校准装置，用于校准零度入射角；被测样品表面的透射光束经透镜聚焦后进入光谱仪，用于探测透射光强；

（3）固定光束在被测样品表面的入射位置，调整位移装置，通过零度入射角校准装置校准零度入射角；

（4）通过位移装置改变光束在被测样品表面的入射位置和入射角，同时采集宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置和光谱仪的探测数据，生成一定波段内法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线；

（5）从一定波段内法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线中提取出多个单波长法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线；

（6）根据每个单波长法布里-珀罗干涉信号的透射光强伴随入射角的变化曲线，得到每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线；

（7）通过对多个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线进行分析比较，在一定的被测样品厚度范围内，找出对应相同的被测样品厚度的残差函数收敛极值，即为每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数唯一收敛位置，所述对应相同的被测样品厚度即为被测样品的实际厚度；

（8）根据被测样品的实际厚度和每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数，确定每个单波长下的被测样品折射率；

（9）根据得到的每个单波长下的被测样品折射率，绘制被测样品在一定波段内的折射率色散曲线。

9.根据权利要求2所述的一种光学材料折射率的精密测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将被测样品放置在位移装置上，宽光谱光源输出的光束，一部分经第一分光镜反射后进入光功率计，用于探测入射光强，另一部分经第一分光镜透射和第一抛物面反射镜反射后到达被测样品表面；

（2）被测样品表面的反射光束经第一抛物面反射镜反射和第二分光镜反射后到达第三分光镜，一部分光束经第三分光镜反射后进入零度入射角校准装置，用于校准零度入射角，另一部分光束经第三分光镜透射和第二球面反射镜反射后进入光谱仪，用于探测反射光强；

（3）固定光束在被测样品表面的入射位置，调整位移装置，通过零度入射角校准装置校准零度入射角；

（4）通过位移装置改变光束在被测样品表面的入射位置和入射角，同时采集宽光谱光源、光功率计、零度入射角校准装置和光谱仪的探测数据，生成一定波段内法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线；

（5）从一定波段内法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线中提取出多个单波长法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线；

（6）根据每个单波长法布里-珀罗干涉信号的反射光强伴随入射角的变化曲线，得到每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线；

（7）通过对多个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数关于被测样品折射率和厚度的收敛曲线进行分析比较，在一定的被测样品厚度范围内，找出对应相同的被测样品厚度的残差函数收敛极值，即为每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数唯一收敛位置，所述对应相同的被测样品厚度即为被测样品的实际厚度；

（8）根据被测样品的实际厚度和每个单波长法布里-珀罗干涉信号的残差函数，确定每个单波长下的被测样品折射率；

（9）根据得到的每个单波长下的被测样品折射率，绘制被测样品在一定波段内的折射率色散曲线。