CN107870160A - 一种光学材料面折射率的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种光学材料面折射率的测量方法，包括下述步骤：1、光束通过扩束、准直、滤波后形成一束平面光波；2、一束平面光波经马赫泽德尔干涉装置形成两列相干光波，两列相干光波形成楔形虚平板，干涉场为等厚干涉条纹，测试干涉场的分布；3、把待测光学材料放在其中一列相干光波中进行测试，待测件的折射率的变化可转化为光波的相位差，测试干涉场的变化分布情况；4、对干涉场的数据进行处理，完成待测光学材料光场面的面折射率测量。本发明建立的折射率变化和干涉场条纹变化之间的数学模型，利用待测件插入前后的干涉图样的变化消除了干涉光路中的误差，实现了光学材料的面折射率绝对测量，并使测量误差降低，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于光干涉检测领域，涉及光干涉计量技术和计算机图形处理技术的结合应用方法，特别是光学材料面折射率的测量方法。
背景技术
光学材料的面折射率测量是在光学材料的厚度均匀的情况下测量的，材料的面折射率分布能够影响光学系统的成像质量，是衡量光学器件加工质量的重要指标。
光学材料面折射率测量技术主要包括相对测量和绝对测量,现在的光学材料面折射率测量方法包括以下几种测试方法：（1）平行光管测试方法，采用一对平行光管装置，用分辨率法和星点法确定玻璃的折射率。该方法是一种定性测量方法，不能给出定量结果。（2）斐索平面干涉法，该方法测量过程中，样品需垂直地放在测试光路中同时测试结果包含待测光学平板前后表面波面误差和干涉仪两个标准镜组成的空腔的波面误差，是一种定量测量里的一般测量方法。（3）全息干涉法，利用全息差分干涉原理，将反射干涉条纹和透射干涉条纹记录在一张全息图上，从全息图上再现波面，求得最终的光学折射率分布，是一种定量测量中的绝对测量方法。（4）透射测量法，一种测量平板光学均匀性的透射测量方法，该方法消除了平板前后表面、参考平晶反射面以及反射平晶反射面带来的误差，是一种绝对测量方法。
综上所述，平行光管测量方法仅为定性的测量，无法得到定量的结果；斐索平面干涉法测量，最终得到的结果中，因包含样品前后表面波面误差和干涉仪标准镜的波面误差，因此测量结果不准确；全息干涉方法为绝对测量方法，但全息图制作麻烦，测量步骤较多，因而测量过程较为复杂。
发明内容
本发明是基于马赫泽德尔干涉仪基础上光学材料面折射率的自动化测量方法及装置。
实现本发明的技术方案为：
一种光学材料面折射率的测量方法，包括下述步骤：
步骤1，光束通过扩束、准直、滤波后形成一束平面光波；
步骤2，一束平面光波经马赫泽德尔干涉装置形成两列相干光波，两列相干光波形成楔形虚平板，干涉场为等厚干涉条纹，测试干涉场的分布；
步骤3，把待测光学材料放在其中一列相干光波中进行测试，待测件的折射率的变化可转化为光波的相位差，测试干涉场的变化分布情况；
步骤4，对干涉场的数据进行处理，完成待测光学材料光场面的面折射率测量。
进一步的，调节干涉视场内等厚干涉条纹的数量为3-5个。
进一步的，步骤3所述把待测件放在干涉仪的其中一臂中进行测试，待测件的折射率的变化可转化到光波的相位差，即为干涉场变化，测试干涉场的变化分布。当待测件的折射率变化Δn引起光波的相位变化时，干涉场的相位差变化为：；
折射率的变化为：；
根据上式，建立折射率变化和干涉场条纹变化之间的三维数学模型。
进一步的，步骤4中，通过步骤2得到背景干涉场和步骤3得到待测干涉场，对两个干涉场分别进行图像处理，再根据建立的折射率变化和干涉场条纹变化之间的三维数学模型，进行数据还原处理，得到测量面内各点的折射率分布数据。
一种实现权利要求1所述的光学材料面折射率的测量方法的装置，依次包括激光器、衰减器、扩束镜、针孔滤波装置、准直镜和小孔光阑，经小孔光阑后出射光经第一分束镜7后分为两束，一束为平行光束，经第一反射镜后出射光进入第二分束镜8的入射端，另一束垂直光束经第二反射镜后转为平行光束，平行光束进入第二分束镜的入射端，两个平行光束相叠加，发生干涉，第二分束镜的出射光经镜头和相机接收。
本发明与现有的技术相比，具有如下优点：
(1)本发明是一种绝对测量方法，在理论分析的基础上，建立的折射率变化和干涉场条纹变化之间的数学模型，利用待测件插入前后的干涉图样的变化消除了干涉光路中的误差，实现了光学材料的面折射率绝对测量，并使测量误差降低，测量精度高。
（2）本发明针对光学材料的面折射率测量，测量的干涉图样进行了数据编程处理，使操作过程仅需采集插入待测件前后的干涉图样，就可得到光场面各点折射率量化数值以及三维显示。使测量过程简单方便，实现了快速，实时的、数字化测量。
附图说明
图1为本发明测量光学材料面折射率的系统示意图；
图2为本发明的实验结果图示意图；其中，图2（a）为未加待测件的干涉图，图2（b）为加入待测件的干涉图样；
图3为本发明的方法流程图。
图中：1—激光器；2—扩束镜；3-衰减器；4—针孔滤波装置；5-小孔光阑；6—准直镜；7—第一分束镜；8—第二分束镜；9—第一反射镜；10—第二反射镜；11—待测件；12—镜头；13—CCD相机；14—微机。
具体实施方式
参见图1，本发明光学材料面折射率的测量方法的装置，依次包括激光器1、衰减器3、扩束镜2、针孔滤波装置4、准直镜6和小孔光阑5，经小孔光阑5后出射光经第一分束镜7后分为两束，一束为平行光束，经第一反射镜9后出射光进入第二分束镜8的入射端，另一束垂直光束经第二反射镜10后转为平行光束，平行光束进入第二分束镜8的入射端，两个平行光束相叠加，发生干涉，第二分束镜8的出射光经镜头12 和CCD相机13接收。
本发明提供的一种光学材料面折射率的测量方法，包括下述步骤：
步骤1，光束通过扩束、准直、滤波后形成一束平面光波；
步骤2，一束平面光波经马赫泽德尔干涉装置形成两列相干光波，两列相干光波形成楔形虚平板，干涉场为等厚干涉条纹，测试干涉场的分布；
步骤3，把待测光学材料放在其中一列相干光波中进行测试，待测件的折射率的变化可转化为光波的相位差，测试干涉场的变化分布情况；
步骤4，对干涉场的数据进行处理，完成待测光学材料光场面的面折射率测量。
调节干涉视场内等厚干涉条纹的数量为3-5个。
步骤3所述把待测件放在干涉仪的其中一臂中进行测试，待测件的折射率的变化可转化到光波的相位差，即为干涉场变化，测试干涉场的变化分布。当待测件的折射率变化Δn引起光波的相位变化时，干涉场的相位差变化为：；
折射率的变化为：；
根据上式，建立折射率变化和干涉场条纹变化之间的三维数学模型。
步骤4中，通过步骤2得到背景干涉场和步骤3得到待测干涉场，对两个干涉场分别进行图像处理，再根据建立的折射率变化和干涉场条纹变化之间的三维数学模型，进行数据还原处理，得到测量面内各点的折射率分布数据。
与装置结合，本发明的具体实施方式为：
步骤1：本实施例中激光器1为He-Ne激光器，调节激光器1光束通过扩束镜2、准直镜6、针孔滤波装置4形成平面光波。衰减器3可控制激光光强的大小，激光束输出光斑小，一般5mm左右，测量时需要对光斑进行放大到直径20mm-30mm，调节扩束、准直、滤波装置使输出波面为平面，光斑光强为标准高斯分布。
步骤2：调节由第一分束镜7、第二分束镜8和第一反射镜9、第二反射镜10组成的马赫泽德尔干涉仪系统，使系统达到两束平面光波的干涉条件，两列相干光波形成楔形虚平板，干涉场为等厚干涉条纹，测试干涉场的分布。一束平面光波通过马赫泽德尔干涉仪形成两列波面特征相同的平面光波，这两列光波形成等厚干涉场，相位差为:
；
调节视场内干涉条纹的3-5个条纹合适，利用带镜头12相机记录等厚干涉场作为背景场,背景场干涉图样如附图2中图a所示。
步骤3：把待测件11放在干涉仪的其中一臂中进行测试，待测件的折射率的变化可转化到光波的相位差，即为干涉场变化，测试干涉场的变化分布。当待测件的折射率变化Δn引起光波的相位变化时，干涉场的相位差变化为：；
折射率的变化为： ；
利用带镜头CCD相机记录变化的干涉场作为待测场，待测场干涉图样如图2中图b所示。
步骤4：在微机14上，利用数据处理软件对干涉场的数据软件进行处理，可完成整个光场面的面折射率测量。编写数据处理软件处理系统，读入步骤2得到背景干涉场（附图2中图a）和步骤3得到待测干涉场（附图2中图b），对其进行图像处理，再根据建立的折射率变化和干涉场条纹变化之间的三维数学模型，进行数据还原处理，得到测量光场面内各点的折射率分布数据,如图3所示。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (5)
1.一种光学材料面折射率的测量方法，包括下述步骤：
步骤1，光束通过扩束、准直、滤波后形成一束平面光波；
步骤2，一束平面光波经马赫泽德尔干涉装置形成两列相干光波，两列相干光波形成楔形虚平板，干涉场为等厚干涉条纹，测试干涉场的分布；
步骤3，把待测光学材料放在其中一列相干光波中进行测试，待测件的折射率的变化可转化为光波的相位差，测试干涉场的变化分布情况；
步骤4，对干涉场的数据进行处理，完成待测光学材料光场面的面折射率测量。
2.根据权利1所述的光学材料面折射率的测量方法，其特征在于：调节干涉视场内等厚干涉条纹的数量为3-5个。
3.根据权利1或2所述的光学材料面折射率的测量方法，其特征在于：步骤3所述把待测件放在干涉仪的其中一臂中进行测试，待测件的折射率的变化可转化到光波的相位差，即为干涉场变化，测试干涉场的变化分布；
当待测件的折射率变化Δn引起光波的相位变化时，干涉场的相位差变化为：；
折射率的变化为：；
根据上式，建立折射率变化和干涉场条纹变化之间的三维数学模型。
4.根据权利要求3所述的光学材料面折射率的测量方法，其特征在于，步骤4中，通过步骤2得到背景干涉场和步骤3得到待测干涉场，对两个干涉场分别进行图像处理，再根据建立的折射率变化和干涉场条纹变化之间的三维数学模型，进行数据还原处理，得到测量面内各点的折射率分布数据。
5.一种实现权利要求1所述的光学材料面折射率的测量方法的装置，依次包括激光器（1）、衰减器（3）、扩束镜（2）、针孔滤波装置（4）、准直镜（6）和小孔光阑（5），经小孔光阑（5）后出射光经第一分束镜（7）后分为两束，一束为平行光束，经第一反射镜（9）后出射光进入第二分束镜（8）的入射端，另一束垂直光束经第二反射镜（10）后转为平行光束，平行光束进入第二分束镜（8）的入射端，两个平行光束相叠加，发生干涉，第二分束镜（8）的出射光经镜头（12）和CCD相机（13）接收。
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