CN106546560B - 一种低温下光学材料折射率的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学系统成像和空间光学探测领域，公开了一种低温下光学材料折射率的测量方法。方法为：a.测量低温下真空温控室(2)的窗口对光线产生的偏折角Δw；b.测量低温下待测棱镜(24)的顶角α；c.确定待测棱镜(24)对光线产生最小偏向角的位置，并测出最小偏向角δ；d.计算待测棱镜(24)在所测低温和所测光源波长的环境下的低温折射率n。本发明可实现在30K～300K温度范围内的折射率高精度测量，测量精度可达到10‑4，可用于研究光学材料属性在低温下的变化规律，为空间光学系统的设计、优化、应用性能评估提供精确可靠的折射率数据，为光学材料特性研究提供有效的测试方法、手段和基础数据。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统成像和空间光学探测领域，尤其涉及了一种低温下光学材料折射率的测量方法，可用于研究光学材料属性在低温下的变化规律，为空间光学系统的设计、优化、应用提供精确可靠的折射率数据，为光学材料的研究提供有效的测试方法、手段和基础数据。
背景技术
随着红外成像、红外制导等技术的发展，红外光学成像系统得到了广泛应用。光学系统低温状态下折射率的精确测量是空间红外相机系统优化设计及其在低温环境下有效应用的关键。早在2004年，美国NASA的戈达德中心就发布了其研制的低温折射率测量系统CHARMS，其样品的温控范围为15～300K，折射率测量精度达到了10-5，可实现从紫外、可见光到红外波段的样品折射率的测量，是目前国际公认的性能最好的低温折射率测量系统。在CHARMS之后，意大利INFA的科学家研制出了一种低成本的低温折射率测量系统，但其样品温控范围只有100～300K。
国内关于空间可见光学系统低温折射率测量方面的研究少见报道。国防科工委光学计量一级站曾报道过类似的光学材料折射率温度系数测量装置，但其温控范围只能达到零下50摄氏度，远未达到低温的要求。此外，国内针对低温环境下可见光学材料属性的研究非常有限，缺乏低温环境下可见光学材料折射率精确测量方法与数据。这给国内空间高性能可见光学系统的设计造成了很大的困难，也是我国实现深冷空间探测所必需解决的基础性问题。
发明内容
本发明针对现有技术中的测量范围小，测量数据不够精确、低温环境对光学材料和测量装置造成负面影响等问题提供了一种低温下光学材料折射率的测量方法，可以实现对光学材料在30K～300K温度范围内的折射率进行高精度测量，测量精度可以达到10-4，。
为了解决现有技术存在的问题，本发明通过以下技术手段进行解决：
针对测量过程中由于温度变化引起的样品形变对测量精度的影响问题，本发明提出了低温下样品顶角的测量方法和最小偏向角位置的调整方法，有效提升了折射率测量结果的精度。
针对测量装置真空室窗口在温度变化时会发生形变，引起光线偏转的问题，本发明提出了一种温度变化时窗口形变引起的光线偏转量的测量方法，并利用测量得到的光线偏转数据对折射率分析计算过程进行修正，有效提升了折射率测量结果的精度。
具体的技术方案是：一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：测量需要以下步骤：
a.测量在温度T下，真空温控室的窗口相对于常温下对光线产生的偏折角Δw；
b.测量温度T下待测棱镜的顶角α；
c.确定温度T下待测棱镜对光线产生最小偏向角，并测出最小偏向角δ；
d.算出棱镜在温度T下的低温折射率n。
所测光学材料在温度T下的低温折射率为
其中低温窗口对光线的偏折角Δw的测量步骤包括：
所用设备包括有真空温控室，真空温控室上开有窗口一、窗口二、窗口三，真空温控室内部设有转台一，转台一上设有平面反射镜，垂直窗口一进入真空温控室的平行Y轴的光线能经窗口三射出，垂直窗口二进入的平行X轴的光线能经转台一上的平面反射镜一从窗口三射出，步骤a包括以下步骤：
a.1常温下，将光线平行X轴穿过真空温控室上的窗口二，经转台一上的平面反射镜一后从窗口三穿出，再经读数系统中的转台二上的平面反射镜二最后在观察板上成像，记录成像的光斑位置为O1；
a.2.将真空温控室温度调至T，记录光线穿过真空温控室上的窗口二和窗口后，最后在读数系统的观察板上成像的光斑位置，记录成像光斑位置为O2；
a.3.调节读数系统中的转台二上的平面反射镜二，使a.2步骤中的光斑位置 O2与a.1步骤中的光斑位置O1重合，记录平面反射镜二转过的角度β1；
a.4.算出光线穿过真空温控室的窗口二和窗口三相对于常温下的偏折角Δw
Δw＝2β1；
本方案中步骤b中测量温度T下的待测棱镜的顶角α包括的步骤有：
b.1.调节真空温控室内的转台一，使得穿过窗口一的平行Y轴的平行光能够避开转台一上的待测棱镜穿过窗口三在读数系统上的观察板成像，记录成像的光斑位置O3；
b.2.调节转台一使待测棱镜的一个面与X轴平行，光源发出的平行X轴的光线穿过窗口二，经待测棱镜的反射再穿过窗口三被转台二上的平面反射镜二最后在读数系统上的观察板上成像成光斑，记录光斑的位置O4；
b.3.调节转台二的平面反射镜二，使光斑O4与O3重合，记录平面反射镜二转过的角度β2；当转台二逆时针调整时，依据几何关系β2＝45°-α+Δw/2，即可得出棱镜的顶角α；当转台二顺时针调整时，依据几何关系β2＝α-45°+Δw/2，即可得出棱镜的顶角α。
作为对本方案的进一步阐述，在步骤b的基础上，步骤c中确定待测棱镜对光线产生最小偏向角的位置和测量最小偏向角包括以下步骤：
c.1.在真空温控室的温度为T时，调节转台一使平行Y轴的光线能穿过窗口一，再经转台一上的待测棱镜折射到达窗口三、再经转台二上的平面反射镜二的反射，最后在读数系统上的观察板成像成光斑，光斑的位置设为O5，调节转台一，使光线经过待测棱镜的不同位置折射，找到光斑位置O5最接近光线未经待测棱镜折射形成的光斑位置O3的点O51，此时待测棱镜处在最小偏向角的位置；
c.2.调节转台二上的平面反射镜二，使最接近O3位置的O5与O3重合，记录平面反射镜二转过的角度β3；
c.3.计算得出光线经待测棱镜偏转的最小角度，即最小偏向角δ，满足：
δ＝2β3；
步骤d中针对步骤a、b、c所得数据，结合相关关系得出待测棱镜在所测温度和所测光线波长环境下的低温折射率n：
作为本发明的进一步改进，读数系统使基于CCD探测器的光线偏转角测量方法的系统，用CCD代替人眼测量中利用探测器成像点位置计算光线偏转的角度。将光线方向转动的角位置转化为探测器上成像的点位置，提高了测角的对准精度，实现了光线偏向角的高精度测量。
为了提高测量精确度，所述步骤b中的待测棱镜应在真空温控室的温度设置完成后，等待待测棱镜在其中达到晶体热平衡后，再开始后续测量；并且每次改变温度，需重新测量各自温度下的待测棱镜顶角和最小偏向角，避免因温度变化引起的样品形变对测量精度的影响问题。
作为优选，步骤b.2中光线经棱镜反射的面上镀有高反膜，能够使反射光的能量足够强。
本发明的优点在于：克服了低温环境对光学材料和测量装置造成的影响；能够实现光学材料在30K～300K温度范围内折射率的测量，克服了窗口对低温下对光线偏折角的影响，测量精度高，利用自动CCD代替人眼提高了测量精度。
附图说明
图1为光学材料低温折射率的测量方案流程；
图2为最小偏向角法测定折射率的光路原理图；
图3为实验测量装置示意图；
图4为对真空室窗口形变的补偿方法示意图；
图5为温度变化引起晶体几何形状变化的示意图；
图6为一折射面镀高反膜的棱镜示意图；
图7为测量过程中CCD成像过程的示意图一；
图8为测量过程中CCD成像过程的示意图二；
图9为测量最小偏向角的方法示意图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—光源、2—真空温控室、3—读数系统、21—窗口一、22—窗口二、23—窗口三、24—待测棱镜、25—平面反射镜一、31—观察板、32—平面反射镜二、241—高反膜、242—待测棱镜的最小偏向角位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明：
如图1和2所示，本发明提出了一种低温下光学材料折射率的测量方法，本方法的测量原理为最小偏向角法。最小偏向角法测定材料折射率技术，原理如图2所示，当光线以入射角i入射到三棱镜的AB面后相继经过棱镜两个光学面AB与AC折射后，以φ角从AC面射出。出射光线和入射光线的夹角δ称为偏向角。对于给定的三棱镜，偏向角δ随着入射角i的变化而变化。当入射角i 和出射角φ相等时，偏向角δ达到最小值，由几何关系和折射定律，可得它与棱镜的顶角A的大小α和折射率n之间有如下关系：公式的偏向角δ为最小偏向角。
如图3所示，测量过程中所用的装置包括可以发射不同波长光线的发光装置光源1、读数系统3和用于调节温度的真空温控室2，真空温控室2上开有窗口一21、窗口二22、窗口三23，真空温控室2内部设有转台一，转台一上设有平面反射镜一25，垂直窗口一21的平行Y轴的光线进入真空温控室2能经窗口三23射出，垂直窗口二22进入的平行X轴的光线能经转台一上的平面反射镜一25从窗口三23射出，为了使读数更加精确，读数系统3是基于CCD探测器的光线偏转角测量方法的系统。方案的测量步骤包括以下步骤：
1、如图4所示，步骤a测量所需温度条件下真空温控室的窗口相对于常温 300K下对光线产生的偏折角Δw，通过以下步骤实现：
在测量过程中，晶体要放在真空温控室2内，真空温控室2上的窗口一21、窗口二22和窗口三23上的透光材料在真空温控室2内外有极大的温差的情况下，其形状和折射率都会发生变化，这会使得光线在穿过窗口时发生偏转，进而导致光线偏向角的测量误差。其测量步骤如下：
a.1.将真空温控室2内的温度调至300K，记录光源1发出的平行X轴的光线穿过真空温控室2上窗口二22经转台一上平面反射镜一25从窗口三23穿出，再经读数系统3中的转台二上的平面反射镜二32最后在观察板31上成像，成像的光斑位置O1；
a.2.真空温控室2温度调至温度T的范围为30～300K，记录光源1发出的光线穿过真空温控室2上窗口在读数系统3的观察板31上成像的光斑位置O2；
a.3.调节读数系统3中的转台二上的平面反射镜二32，使a.2步骤中的光斑位置O2与a.1步骤中的光斑位置O1重合，记录平面反射镜二32转过的角度β1；
a.4.计算出温度真空温控室2温度为30K时，光线穿过真空温控室2的窗口二22和窗口三23相对于常温下的偏折角Δw，
Δw＝2β1；
2、步骤b对所测温度下待测棱镜24的顶角α进行测量。
如图5和图6所示，测量前，为保证反射光的能量足够强，先在棱镜顶角的一折射面上镀部分高反膜。由于被测光学材料晶体由于温度变化其形状会改变，这种变化对于三棱镜而言主要包括两个方面：其一是三棱镜由于热胀冷缩其顶角会改变；其二是由于热胀冷缩的不均匀两个折射面热胀冷缩的程度是不一样的，从而导致在不同的温度下三棱镜具有不同的最小偏角位置。
针对以上情况，本发明提出的解决方法是对于待测温度下的晶体，应在温度设置完成后等待至晶体达到热平衡，再开始测量。并且每一次改变温度，都需要重新测量顶角的数值及调整最小偏角的位置。如图7和图8所示，具体测量步骤如下：
b.1.将真空温控室2温度调至T，待待测棱镜24晶体热平衡后，调节真空温控室2内的转台一，使得垂直射入窗口一21的平行Y轴的光能够避开转台一上的待测棱镜24穿过窗口三23在读数系统3上的观察板31成像，记录成像的光斑位置O3；
b.2.调节转台一使待测棱镜24的一个面与X轴平行，光源1发出平行X轴的光线垂直穿过窗口二22，经待测棱镜24的反射再穿过窗口三23被转台二上的平面反射镜二32最后在读数系统3上的观察板31上成像成光斑，记录光斑的位置O4，光线经棱镜反射的面上镀有部分高反膜241，使反射光更强；
b.3.调节转台二的平面反射镜二32，使光斑O4与O3重合，记录平面反射镜二32转过的角度β2；当转台二逆时针调整时，依据几何关系β2＝45°-α+Δw/2，即可得出棱镜的顶角α；当转台二顺时针调整时，依据几何关系β2＝α-45°+Δw/2，即可得出棱镜的顶角α。
3、步骤c确定待测棱镜24对光线产生最小偏向角的位置，并测出最小偏向角δ，如图9所示，具体步骤如下：
c.1.在真空温控室2的温度处在30K的情况下，调节转台一使光线平行X轴垂直穿过窗口二22、经转台一上的待测棱镜24的折射到达窗口三23、再经转台二上的平面反射镜二32的反射最后在读数系统3上的观察板31成像成光斑，光斑的位置为O5，调节转台一，使光线经过待测棱镜24的不同位置折射，找到光斑位置O5最接近光线未经待测棱镜24折射形成的光斑位置O3的点O51，此时待测棱镜24处在最小偏向角的位置242；
c.2.调节转台二上的平面反射镜二32，使最接近O3位置的O5与O3重合，记录平面反射镜二32转过的角度β3；
c.3.计算得出光线经待测棱镜偏转的最小角度，即最小偏向角δ，满足：
δ＝2β3；
4、步骤d根据折射率计算公式，计算出待测棱镜24在所测低温和所测波长的环境下的低温折射率n：
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
Claims (4)
1.一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：测量需要以下步骤：
a.测量温度在T下，真空温控室的测量窗口相对于常温下对光线产生的偏折角Δw，温度T的范围为30K-300K；
b.测量在温度T下待测棱镜(24)的顶角α；
c.确定温度在T下待测棱镜(24)对光线产生的最小偏向角，并测出最小偏向角δ；
d.算出棱镜(24)在温度T下的低温折射率n；所用设备为读数系统(3)和真空温控室(2)，真空温控室(2)上开有窗口一(21)、窗口二(22)、窗口三(23)，真空温控室(2)内部设有转台一，转台一上设有平面反射镜一(25)，光线平行Y轴垂直窗口一(21)进入真空温控室(2)的光线能经窗口三(23)射出，垂直窗口二(22)进入的光线能经转台一上的平面反射镜一(25)从窗口三(23)射出，步骤a包括以下步骤：
a.1 真空温控室(2)温度在300K时，将光线平行Y轴穿过真空温控室(2)上的窗口二(22)，经转台一上的平面反射镜一(25)后从窗口三(23)穿出，再经读数系统(3)中的转台二上的平面反射镜二(32)最后在观察板(31)上成像，记录成像的光斑位置为O1；
a.2.将真空温控室(2)温度调至T，记录光线穿过真空温控室(2)上的窗口二(22)和窗口(23)后，最后在读数系统(3)的观察板(31)上成像的光斑位置，记录成像光斑位置为O2；
a.3.调节读数系统(3)中的转台二上的平面反射镜二(32)，使a.2步骤中的光斑位置O2与a.1步骤中的光斑位置O1重合，记录平面反射镜二(32)转过的角度β1；
a.4.算出光线穿过真空温控室(2)的窗口二(22)和窗口三(23)相对于常温下的偏折角Δw
Δw＝2β1；将平面反射镜一(25)替换为待测棱镜(24)，步骤b包括以下步骤：
b.1.将真空温控室(2)内的温度设为T，调节真空温控室(2)内的转台一，使得穿过窗口一(21)的平行Y轴光能够避开转台一上的待测棱镜(24)穿过窗口三(23)在读数系统(3)上的观察板(31)成像，记录成像的光斑位置为O3；
b.2.调节转台一使待测棱镜(24)的一个面与X轴平行，光源(1)发出光线穿过窗口二(22)，经待测棱镜(24)的反射穿过窗口三(23)，再被转台二上的平面反射镜二(32)反射，最后在读数系统(3)上的观察板(31)上成像成光斑，记录光斑的位置为O4；
b.3.调节转台二的平面反射镜二(32)，使光斑位置O4与光斑位置O3重合，记录平面反射镜二(32)转过的角度β2；当转台二逆时针调整时，依据几何关系β2＝45°-α+Δw/2，即可得出棱镜的顶角α；当转台二顺时针调整时，依据几何关系β2＝α-45°+Δw/2，即可得出棱镜的顶角α；
c.1.在真空温控室(2)的温度为T时，调节转台一使平行Y轴的光线能穿过窗口一(21)，再经转台一上的待测棱镜(24)折射到达窗口三(23)、再经转台二上的平面反射镜二(32)的反射，最后在读数系统(3)上的观察板(31)成像成光斑，光斑的位置设为O5，调节转台一，使光线经过待测棱镜(24)的不同位置折射，找到光斑位置O5最接近光线未经待测棱镜(24)折射形成的光斑位置O3的点O51，此时待测棱镜(24)处在最小偏向角的位置(242)；
c.2.调节转台二上的平面反射镜二(32)，使最接近O3位置的O5与O3重合，记录平面反射镜二(32)转过的角度β3；
c.3.计算得出光线经待测棱镜偏转的最小角度，即最小偏向角δ，满足：δ＝2β3；根据折射率计算关系得出在所测温度下和所测光线波长环境下待测棱镜(24)的低温折射率n：
2.根据权利要求1所述的一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：读数系统(3)是基于CCD探测器的光线偏转角测量方法的系统。
3.根据权利要求1所述的一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：步骤b中的待测棱镜(24)应在真空温控室(2)的温度设置完成后，使待测棱镜(24)内部达到晶体热平衡，再进行后续操作；每次改变温度，需重新测量各自温度下的待测棱镜(24)顶角α和最小偏向角δ。
4.根据权利要求1所述的一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：步骤b.2中光线经棱镜(24)反射的面上镀有高反膜(241)。
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Granted publication date: 20191122 |