CN109406107B - 红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法 - Google Patents

红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法，涉及红外光学材料均匀性测试技术领域。本发明通过建立红外光学材料均匀性测试试样面形误差与测试原理和测试精度要求的计算关系，将红外测试波段的试样面形误差的波前波差影响转换为可见光条件下加工和检验的试样面形误差关系，并通过建立相关的算法公式进行数值计算，创建了红外光学材料短波、中波、长波波段均匀性测试精度保证的试样面形误差控制的数值表格，并进一步计算给出了红外光学材料短波、中波、长波波段均匀性测试精度保证的试样面形误差控制的用例表。本发明可为红外短波波段、中波波段和长波波段的光学材料均匀性测试精度保证提供试样面形误差控制的具体数值。

Description

红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法
技术领域
本发明涉及红外光学材料均匀性测试技术领域，具体涉及红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法。
背景技术
红外光学材料均匀性测试是一种高精度的测试，测试的内容是红外光学材料的折射率均匀性，测试的方法是用干涉法测试红外光学材料均匀性问题带来测试光束平面波的波前变形量获得，测试精度要求通常高达1×10-4～1×10-5(因有不同的测试精度要求)。为了保证折射率均匀性高精度的测试，一般是在测试设备制作的精密性和测试方法的精密性上下功夫。实际上，只使测试设备精密和测试方法精密是不能获得高精度测试的。即使测试也注意到了测试室环境温度波动对测试精度的影响因素，并加以评估和控制，但还有一项因素会对测试的准确性带来显著影响，这个因素就是试样面形误差或试样表面的平面度误差。试样的面形误差通过干涉仪反映出来的光学现象是通过试样的光束波前波面发生变形，这与红外光学材料存在折射率不均匀导致通过试样的光束波前波面变形现象是一样的，试样面形误差导致的波前变形与试样折射率不均匀导致的波前变形是无法区别的。因此，红外光学材料均匀性的准确测试需要有方法算出试样表面缺陷对材料折射率均匀性测试的影响程度以及对试样面形误差的控制量，以对试样面形的加工进行正确的量化控制，保证红外光学材料均匀性测试结果是光学材料均匀性问题导致的，以给出测试的真实结果。
此前，红外光学材料均匀性测试的试样面形是没有算法进行定量计算的。尽管知道试样面形误差会对测试的准确性带来影响，因为没有面形误差影响测试结果程度的算法，只能要求试样表面尽量要加工得好一些。这种没有量化计算的试样面形要求将会导致试样表面质量的“欠加工”或“过加工”。“欠加工”会使红外光学材料均匀性测试带入显著高于测试精度要求的试样面形误差，导致红外光学材料均匀性测试结果失去可信度和可用性。“过加工”将会使试样的加工支付过高的加工成本，导致不必要的费用和时间的浪费。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计红外光学材料均匀性测试的试样面形误差控制方法的技术解决方案，为红外光学材料均匀性测试给出准确的试样面形误差的控制方法，以保证预定的测试精度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、设试样面形误差或表面非平整性为Sim、试样的标称折射率为n0、测试光束通过试样的次数为N，试样面形误差带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWS，则ΔWS按式(1)计算：
ΔWS＝2N(n0-1)Sim (1)
步骤S2、建立红外光学材料试样的面形误差Sim带来的测试波前的变形波差ΔWS与折射率均匀性的测试设备精度要求的波差ΔWP的关系：
ΔWS≤kΔWP (2)
其中，k为精度控制因子；
根据式(1)将式(2)变换为式(3)：
Figure BDA0001834274670000031
步骤S3、根据应用的干涉测试设备的原理确定测试光束通过试样的次数N；
步骤S4、确定测试设备允许的精度，得到测试设备测试精度要求的波差ΔWP；
测试设备测试精度要求的波差ΔWP按式(4)计算：
Figure BDA0001834274670000032
其中，λi是红外波段测试波长；
根据式(4)将式(3)转换为式(5)：
Figure BDA0001834274670000033
步骤S5、设试样在可见光条件下加工和检验的波长为λv，则试样测试的红外波长λi与试样检验的可见光波长λv的波长转换比为R；
则R按式(6)计算：
Figure BDA0001834274670000041
步骤S6、根据R的公式式(6)将式(5)转换为用可见光波长度量的式(7)：
Figure BDA0001834274670000042
步骤S7、由于可见光检验的标准波长λv为0.6328μm，红外光学材料使用波段分别为短波、中波、长波三个波段，其波长分别为：短波平均波长λs＝2μm；中波平均波长λm＝4μm；长波平均波长λl＝10μm，则得到对于短波平均波长、中波平均波长、长波平均波长的R值分别近似为3.16、6.32、15.8；
步骤S8、根据步骤S6中的式(7)、步骤S7中各红外波段对应的R值，建立红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制数值表，从而建立在各红外光学材料使用波段、各干涉测试原理设备测试时，对于各测试精度要求的试样面形误差控制量值关系；
步骤S9、根据红外光学材料均匀性测试精度要求，利用表1的试样面形误差量值，对红外光学材料均匀性测试的试样面形误差进行控制。
优选地，k分别取1、1/2、1/3数值之一，k取值越小，试样面形误差对测试精度的影响越小。
优选地，步骤S3中，若应用菲索干涉仪测试红外光学材料均匀性，则测试光束通过试样的次数N＝2次；若应用泰曼—格林干涉仪测试红外光学材料均匀性，则测试光束通过试样的次数N＝2次；若应用马赫—曾德干涉仪测试红外光学材料均匀性，则测试光束通过试样的次数N＝1次。
优选地，步骤S8中所建立的红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制数值表为表1：
表1红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制表
Figure BDA0001834274670000051
优选地，表1中的试样面形误差量值按小于等于使用。
优选地，表1中，对于测试光束通过试样次数N＝2的情况，分别有两种测试原理，一种是用平行平面试样的测试原理，一种是用楔形平面试样的测试原理。用楔形平面试样测试原理的楔形试样的面形误差要求可降低，因楔形试样测试原理能使试样面形误差产生抵消。
优选地，在步骤S8与步骤S9之间还包括步骤：精度控制因子k值取1，并使用红外硫系光学材料的标称折射率n0＝2.6，得到用例表表2：
表2红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制用例表
Figure BDA0001834274670000061
优选地，步骤S9中，根据红外光学材料均匀性测试精度要求，利用表2的试样面形误差量值，对红外光学材料均匀性测试的试样面形误差进行控制。
(三)有益效果
本发明通过建立红外光学材料均匀性测试试样面形误差与测试原理和测试精度要求的计算关系，将红外测试波段的试样面形误差的波前波差影响转换为可见光条件下加工和检验的试样面形误差关系，并通过建立相关的算法公式进行数值计算，创建了红外光学材料短波、中波、长波波段均匀性测试精度保证的试样面形误差控制的数值表格，并进一步计算给出了红外光学材料短波、中波、长波波段均匀性测试精度保证的试样面形误差控制的用例表。本发明可为红外短波波段、中波波段和长波波段的光学材料均匀性测试精度保证提供试样面形误差控制的具体数值。
附图说明
图1是红外光学材料试样面形误差导致的波前波差图；
图2是红外光学材料试样红外波长测试与可见光波长面形控制的波长关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明通过建立红外光学材料面形误差带来的测试光束波前变形量的计算方法，使试样面形误差带来的测试光束波前变形量小于等于某个比例值(小于等于1)乘以要求或期望的测试精度，将红外波段测试精度对应的试样面形误差控制量，从红外测试波段转换为光学零件加工人眼零件面形检验的可见光波段，建立红外不同使用波段(短波、中波、长波)的应用不同原理干涉测试设备测试的可见光波段加工检验的试样面形误差的量值关系控制表，为红外光学材料均匀性测试的试样面形控制提供了算法和量化关系，为红外光学材料均匀性测试的试样面形误差控制建立了技术解决方案，能够为红外光学材料均匀性测试精度的保证提供试样面形误差控制的准确指导。
本发明的红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法，采用以下步骤：
步骤S1、红外光学材料折射率均匀性测试一般是采用干涉法测试。红外光学材料中存在的折射率均匀性问题是通过测试标准光波面(通常为平面波)通过试样后的波前变形来获得的。红外光学材料试样中存在的折射率均匀性问题可导致测试标准平面波变形，同样红外光学材料试样的面形误差或表面非平整性也会导致测试标准平面波变形。设试样面形误差或表面非平整性为Sim、试样的标称折射率为n0、测试光束通过试样的次数为N，试样两个表面的面形误差相等或近似相等，试样面形误差带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWS，则ΔWS按以下式(1)计算。
ΔWS＝2N(n0-1)Sim (1)
红外光学材料试样即使没有折射率均匀性问题，如果试样面形有误差，试样的面形几何变形量经过入射光束通过后，将会使入射的平面波出射后显著变形，见图1所示。出射波面显著变形由两个因素所导致，一是试样两个表面面形误差的叠加量，二是试样表面面形误差叠加量被红外材料的高折射率所放大。
步骤S2、为了保证红外光学材料均匀性测试的精度，要求红外光学材料试样的面形误差Sim带来的测试波前的变形波差ΔWS应小于等于折射率均匀性的测试设备精度要求的波差ΔWP乘以精度控制因子k，k分别可取1、1/2、1/3等数值之一，k取值越小，试样面形误差对测试精度的影响越小，它们间的关系见图2所示，满足以下式(2)的关系。
ΔWS≤kΔWP (2)
根据式(1)将式(2)变换为以下式(3)。
步骤S3、根据应用的干涉测试设备的原理确定测试光束通过试样的次数N。应用菲索干涉仪测试红外光学材料均匀性，测试光束通过试样的次数N＝2次；应用泰曼—格林干涉仪测试红外光学材料均匀性，测试光束通过试样的次数N＝2次；应用马赫—曾德干涉仪测试红外光学材料均匀性，测试光束通过试样的次数N＝1次。
步骤S4、确定测试设备允许的精度。无论是应用菲索干涉原理的红外测试设备、泰曼—格林干涉原理的红外测试设备、马赫—曾德干涉原理的红外测试设备的任何一种进行红外光学材料均匀性测试，测试设备测试精度要求的波差ΔWP通常为红外波段测试波长λi的五分之一，则测试设备测试精度要求的波差ΔWP按以下式(4)计算。
Figure BDA0001834274670000091
根据式(4)将式(3)转换为以下式(5)。
Figure BDA0001834274670000092
步骤S5、尽管红外光学材料均匀性的测试是用红外干涉仪和红外波长的光源对红外光学试样进行测试的，但红外试样是在可见光条件下进行加工和检验的。因此，以红外波长度量的试样面形误差量应转换为可见光条件下检验波长对试样面形误差的度量值，使得符合红外试样的加工和检验实际情况。设试样在可见光条件下加工和检验的波长为λv，试样测试的红外波长λi与试样检验的可见光波长λv的波长转换比为R，则R按以下式(6)计算。
Figure BDA0001834274670000101
步骤S6、根据式(6)将式(5)转换为用可见光波长度量的以下式(7)。
Figure BDA0001834274670000102
步骤S7、由于可见光检验的标准波长λv为0.6328μm，红外光学材料使用波段分别为短波、中波、长波三个波段，其波长分别为：短波平均波长λs＝2μm；中波平均波长λm＝4μm；长波平均波长λl＝10μm。对于短波平均波长、中波平均波长、长波平均波长的R值分别近似为3.16、6.32、15.8。
步骤S8、根据步骤S6中的式(7)、步骤S7中各红外波段对应的R值，建立红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制数值表，见表1，从而建立在各红外光学材料使用波段、各干涉测试原理设备测试时，对于各测试精度要求的试样面形误差控制量值关系。表1中的试样面形误差量值按小于等于使用。
表1中，对于测试光束通过试样次数N＝2的情况，分别有两种测试原理，一种是用平行平面试样的测试原理，一种是用楔形平面试样的测试原理。用平行平面试样的测试原理，试样面形误差测试时不会产生抵消；用楔形平面试样的测试原理，由于测试原理的作用，试样面形误差测试时会产生抵消情况，因此，用楔形平面试样测试原理的楔形试样的面形误差要求可降低。
表1红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制表
Figure BDA0001834274670000111
步骤S9、通常情况，精度控制因子k值取1，即k＝1，使用比较多的红外硫系光学材料的标称折射率n0＝2.6，将以上数值代入步骤S8中的表1，可得到以下常用的用例表，如表2所示。
表2红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制用例表
步骤S10、根据红外光学材料均匀性测试精度要求，利用表1或表2的试样面形误差量值，对红外光学材料均匀性测试的试样面形误差进行控制。
可以看出，本发明通过建立红外光学材料均匀性测试试样面形误差与测试原理和测试精度要求的计算关系，将红外测试波段的试样面形误差的波前波差影响转换为可见光条件下加工和检验的试样面形误差关系，并通过建立相关的算法公式进行数值计算，创建了红外光学材料短波、中波、长波波段均匀性测试精度保证的试样面形误差控制的数值表格，并进一步计算给出了红外光学材料短波、中波、长波波段均匀性测试精度保证的试样面形误差控制的用例表。本发明可为红外短波波段、中波波段和长波波段的光学材料均匀性测试精度保证提供试样面形误差控制的具体数值。本发明的技术思想和算法不仅可用于红外光学材料均匀性测试，也可以同样的方法应用于可见光、紫外光等光学材料均匀性测试试样面形误差的控制。
本发明能指导消除红外光学晶体、红外玻璃、红外陶瓷等各类红外光学材料试样面形误差对折射率均匀性测试精度影响，使红外光学材料均匀性测试得到试样均匀性本身问题的真实结果。应用以上表1的计算关系，可计算出各种不同红外光学材料折射率、不同精度控制因子值要求的红外光学材料均匀性测试的试样面形误差控制用例表，方便各种红外光学材料试样的面形误差控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.红外光学材料均匀性测试的试样面形误差的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、设试样面形误差或表面非平整性为Sim、试样的标称折射率为n0、测试光束通过试样的次数为N，试样面形误差带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWS，则ΔWS按式(1)计算：
ΔWS＝2N(n0-1)Sim (1)
步骤S2、建立红外光学材料试样的面形误差Sim带来的测试波前的变形波差ΔWS与折射率均匀性的测试设备精度要求的波差ΔWP的关系：
ΔWS≤kΔWP (2)
其中，k为精度控制因子；
根据式(1)将式(2)变换为式(3)：
Figure FDA0002319681600000011
步骤S3、根据应用的干涉测试设备的原理确定测试光束通过试样的次数N；
步骤S4、确定测试设备允许的精度，得到测试设备测试精度要求的波差ΔWP；
测试设备测试精度要求的波差ΔWP按式(4)计算：
Figure FDA0002319681600000021
其中，λi是红外波段测试波长；
根据式(4)将式(3)转换为式(5)：
Figure FDA0002319681600000022
步骤S5、设试样在可见光条件下加工和检验的波长为λv，则试样测试的红外波长λi与试样检验的可见光波长λv的波长转换比为R；
则R按式(6)计算：
步骤S6、根据R的公式(6)将式(5)转换为用可见光波长度量的式(7)：
Figure FDA0002319681600000024
步骤S7、由于可见光检验的标准波长λv为0.6328μm，红外光学材料使用波段分别为短波、中波、长波三个波段，其波长分别为：短波平均波长λs＝2μm；中波平均波长λm＝4μm；长波平均波长λl＝10μm，则得到对于短波平均波长、中波平均波长、长波平均波长的R值分别近似为3.16、6.32、15.8；
步骤S8、根据步骤S6中的式(7)、步骤S7中各红外波段对应的R值，建立红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制数值表，从而建立在各红外光学材料使用波段、各干涉测试原理设备测试时，对于各测试精度要求的试样面形误差控制量值关系；
步骤S9、根据红外光学材料均匀性测试精度要求利用表1的试样面形误差量值红外光学材料均匀性测试的试样面形误差进行控制；
k分别取1、1/2、1/3数值之一，k取值越小，试样面形误差对测试精度的影响越小；
步骤S8中所建立的红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制数值表为表1：
表1红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制表
Figure FDA0002319681600000031
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，若应用菲索干涉仪测试红外光学材料均匀性，则测试光束通过试样的次数N＝2次；若应用泰曼—格林干涉仪测试红外光学材料均匀性，则测试光束通过试样的次数N＝2次；若应用马赫—曾德干涉仪测试红外光学材料均匀性，则测试光束通过试样的次数N＝1次。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，表1中的试样面形误差量值按小于等于使用。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，表1中，对于测试光束通过试样次数N＝2的情况，分别有两种测试原理，一种是用平行平面试样的测试原理，一种是用楔形平面试样的测试原理。用楔形平面试样测试原理的楔形试样的面形误差要求可降低。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S8与步骤S9之间还包括步骤：精度控制因子k值取1，并使用红外硫系光学材料的标称折射率n0＝2.6，得到用例表表2：
表2红外光学材料均匀性测试精度要求对应的试样面形误差控制用例表
Figure FDA0002319681600000041
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S9中，根据红外光学材料均匀性测试精度要求利用表2的试样面形误差量值红外光学材料均匀性测试的试样面形误差进行控制。
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