CN109406108B - 红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法，涉及红外光学材料均匀性测试技术领域。本发明基于对红外光学材料折射率均匀性测试期间试样局部小的温度变化对测试结果精度影响的发现，建立了红外光学材料折射率测试精度要求和不同红外光学材料温度变化对折射率影响对应的测试室环境温度控制的二维数值表格关系，并建立了相关计算公式进行数值计算和填表，提供了红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法，建立了红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法的技术解决方案，能够为红外光学材料均匀性测试精度的保证提供温度控制的准确指导。

Description

红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法
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温度影响评估和控制方法。
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。因为，红外光学材料每摄氏度温度变化对红外材料折射率的影响高达4×10-4～1×10-5(因红外材料的不同而不同)，而恒温测试室的温度一般为22℃±2℃或22℃±1℃，如果不对测试室环境温度变化对试样折射率的影响进行评估和控制，测试的结果将会严重偏离实际情况，以至于得到无效的测试结果或作了徒劳的测试，因此，红外光学材料均匀性的测试需要有红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法对测试室环境温度进行指导控制，以保证测试室环境温度满足测试精度的要求。
此前，红外光学材料均匀性测试的测试室环境温度无论测试试样的温度变化系数是什么、测试精度要求是什么，都只是简单地规定测试室环境温度为22℃±2℃或22℃±1℃，忽略了测试环境温度短时间内突变(测试期间内)带来的测试结果严重影响，导致高精度要求和高灵敏温度折射率变化材料的测试结果严重失真，使红外光学材料均匀性测试结果失去可信度和可用性。
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温度影响评估和控制方法的技术解决方案，为红外光学材料均匀性测试进行准确的测试室环境温度的控制，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温度影响评估和控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、设折射率均匀性的测试精度要求为PΔn、试样的厚度为t0、测试光束通过试样的次数为N，PΔn带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWP，则有：
ΔWP＝Nt0PΔn (1)
步骤S2、当测试室环境温度变化时，带来了试样某局部的温度增量ΔT，带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWΔT，设试样光学材料的标称折射率为n0、热光学系数为G、热膨胀系数为α、折射率温度梯度系数为dn/dt，试样某一局部的温度增量ΔT带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWΔT，则有：
Figure BDA0001834274240000031
步骤S3、红外光学材料均匀性测试的精度要求满足式(3)的关系：
ΔWΔT≤kΔWP (3)
其中，k为温度影响的精度控制因子；
将式(3)变换为式(4)：
Figure BDA0001834274240000032
步骤S4、确定红外光学材料试样的测试精度要求PΔn的范围；
步骤S5、基于公式(2)，确定红外光学材料热光学系数G的范围；
步骤S6、根据步骤S3中的式(4)、步骤S4确定的测试精度要求PΔn的档级范围、步骤S5确定的红外光学材料热光学系数G的档级范围，建立红外光学材料均匀性测试精度要求对应的温度影响控制数值表；
步骤S7、对测试室的环境温度，根据测试精度要求和试样的材料类型，用温度影响控制数值表中相应的温度控制数据，在测试期间对测试室的环境温度进行控制。
优选地，k分别取1/2、1/3、1/4、1/5数值之一，k取值越小，温度变化对测试精度的影响越小，满足最低精度要求的k值取为1/2。
优选地，步骤S4中，确定红外光学材料的测试精度要求PΔn的范围为1×10-5～1×10-4，将这个精度范围按从最高精度要求一次乘2倍或近似2倍增加分档，分为四档，则测试精度要求PΔn的四档精度分别分为：1×10-5；2×10-5；4×10-5；10×10-5。
优选地，步骤S5中，基于公式(2)，根据红外光学材料温度导致折射率变化最敏感的锗晶体材料的热光学系数G值、最不敏感的熔石英材料热光学系数G值，按红外光学材料热光学系数G数值的集中关系将G分为七个档级，G的七个档级分别为：1×10-5/℃；2×10-5/℃；4×10-5/℃；6×10-5/℃；10×10-5/℃；15×10-5/℃；40×10-5/℃。
优选地，步骤S6中，所述温度影响控制数值表为表1：
表1红外光学材料均匀性测试精度对应的温度控制要求表 摄氏度℃
Figure BDA0001834274240000041
优选地，用表1中的温度控制数据进行控制时，按小于等于使用，表1中的温度影响的精度控制因子k根据需要测试精度要求的高或低决定取小或大的值。
优选地，步骤S7中，还采取如下措施以避免温度不均匀变化对红外光学材料折射均匀性测试的影响：在红外光学材料均匀性干涉测试开始前，将试样放置在测试台上进行一定时间的保温，直到试样温度全面均匀。
(三)有益效果
本发明基于对红外光学材料折射率均匀性测试期间试样局部小的温度变化对测试结果精度影响的发现，建立了红外光学材料折射率测试精度要求和不同红外光学材料温度变化对折射率影响对应的测试室环境温度控制的二维数值表格关系，并建立了相关计算公式进行数值计算和填表，提供了红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法，建立了红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法的技术解决方案，能够为红外光学材料均匀性测试精度的保证提供温度控制的准确指导。
附图说明
图1是红外光学材料均匀性测试允许精度波差图；
图2是红外光学材料局部温度变化带来的波差图；
图3是红外光学材料均匀性测试允许精度波差与局部温度变化波差的对比关系图。
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。
本发明的发明人发现，红外光学材料折射率均匀性测试期间试样局部小的温度变化将严重影响测试结果的精度，因此，建立了红外光学材料折射率测试精度要求和不同红外光学材料温度变化对折射率影响对应的测试室环境温度控制的二维数值表格关系，并建立了相关计算公式进行数值计算和填表，提供了红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法，建立了红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法的技术解决方案以为红外光学材料均匀性测试精度的保证提供了温度控制的准确指导。
基于上述设计思路，本发明的红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法，采用以下步骤：
步骤S1、高精度的红外光学材料折射率均匀性测试一般是采用干涉法测试。干涉法测试是使标准光波面(通常为平面波)通过试样后的波前变形来获得试样中折射率的不均匀性量值。设折射率均匀性的测试精度要求为PΔn、试样的厚度为t0、测试光束通过试样的次数为N，PΔn带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWP(允许的折射率均匀性波差)，见图1所示，ΔWP按以下式(1)计算。
ΔWP＝Nt0PΔn (1)
步骤S2、当测试室环境温度变化时，带来了试样某局部的温度增量ΔT(因为环境温度的突然变化是非均匀的)，带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWΔT，设试样光学材料的标称折射率为n0、热光学系数为G、热膨胀系数为α、折射率温度梯度系数为dn/dt，试样某局部的温度增量ΔT带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWΔT，见图2所示，ΔWΔT按以下式(2)计算。
Figure BDA0001834274240000061
步骤S3、为了保证红外光学材料均匀性测试的精度要求PΔn，红外光学材料试样某局部的温度增量ΔT带来的测试波前的变形波差ΔWΔT应小于等于折射率均匀性的测试精度要求PΔn带来的标准光波面的波前变形波差ΔWP与温度影响的精度控制因子k之积，k可分别取1/2、1/3、1/4、1/5等数值之一，k取值越小，温度变化对测试精度的影响越小，满足最低精度要求的k值取为1/2，精度要求满足以下式(3)的关系。
ΔWΔT≤kΔWP (3)
将式(3)变换为以下式(4)。
Figure BDA0001834274240000071
红外光学材料试样某局部的温度增量ΔT带来的测试波前的变形波差ΔWΔT如不进行量值控制，其量值将会超出或显著超出折射率均匀性测试允许的精度要求PΔn对应的波前变形波差ΔWP，使测试精度超出或显著超出允许的精度值，二者的对比关系见图3所示。
步骤S4、确定红外光学材料试样的测试精度要求PΔn的范围。红外光学材料的低测试精度的要求为1×10-4，高测试精度的要求为1×10-5，因此测试精度要求PΔn的范围为1×10-5～1×10-4，将这个精度范围按从最高精度要求一次乘2倍或近似2倍增加分档，分为四档，以适应更多的测试精度的要求，则测试精度要求PΔn的四档精度分别分为：1×10-5；2×10-5；4×10-5；10×10-5。
步骤S5、确定红外光学材料热光学系数G的范围。由于红外光学材料热光学系数G＝(n0-1)α+dn/dt，红外光学材料折射率n0的数值范围为1.4～4.0，红外光学材料的dn/dt值一般比α高一个数量级，故红外光学材料热光学系数G主要由dn/dt决定。红外光学材料温度导致折射率变化最敏感的是锗晶体材料，其G为4×10-4/℃；最不敏感的是熔石英材料，其G为1×10-5/℃；许多常用红外光学材料属于中间敏感度的，其G为2×10-5/℃～15×10-5/℃范围。按红外光学材料热光学系数G数值的集中关系将G分为七个档级，G的七个档级分别为：1×10-5/℃；2×10-5/℃；4×10-5/℃；6×10-5/℃；10×10-5/℃；15×10-5/℃；40×10-5/℃。
步骤S6、根据步骤S3中的式(4)、步骤S4确定的测试精度要求PΔn的档级范围、步骤S5确定的红外光学材料热光学系数G的档级范围，建立红外光学材料均匀性测试精度要求对应的温度影响控制数值表，见表1，用于对各红外光学材料和各测试精度要求的试样的测试进行温度控制。用表1中的温度控制数据进行控制时，按小于等于使用。表1中的温度影响的精度控制因子k根据需要测试精度要求的高或低决定取小或大的值。
表1红外光学材料均匀性测试精度对应的温度控制要求表 摄氏度℃
Figure BDA0001834274240000081
步骤S7、为了避免温度不均匀变化对红外光学材料折射均匀性测试的影响，需要两个保障措施：一是红外光学材料均匀性干涉测试开始前，需要将试样放置在测试台上进行一定时间的保温，直到试样温度全面均匀；二是对测试室的环境温度，根据测试精度要求和试样的材料类型，用表1中相应的温度控制数据，在测试期间对测试室的环境温度进行控制。
发现测试期间小的温度变化对测试结果有严重影响的现象，建立红外光学材料均匀性测试的精度要求范围关系和红外光学材料折射率温度影响系数范围匹配对应的测试室环境温度控制关系，建立相关的算法公式进行数值计算，创建红外光学材料均匀性测试精度保证的测试室环境温度控制的数值表格。
本发明建立了红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法，可为红外光学材料均匀性测试的精度保证提供测试室环境温度控制的具体数值，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温度影响的评估。
本发明能为红外光学材料均匀性测试精度要求以及红外光学晶体、红外玻璃、红外陶瓷等各类材料的折射率均匀性测试的温度影响控制提供具体的指导，使红外光学材料均匀性测试得到真实的结果。以上计算的测试精度要求范围的数值、分级可根据需要进行扩展和细分。本发明除应用于均匀性测试的环境温度的评估和控制外，还可以应用于各种通过测试试样相关波面获得测试参数的测试环境温度的评估和控制。
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 (5)

1.红外光学材料均匀性测试的温度影响评估和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、设折射率均匀性的测试精度要求为PΔn、试样的厚度为t0、测试光束通过试样的次数为N，PΔn带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWP，则有：
ΔWP＝Nt0PΔn (1)
步骤S2、当测试室环境温度变化时，带来了试样某局部的温度增量ΔT，带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWΔT，设试样光学材料的标称折射率为n0、热光学系数为G、热膨胀系数为α、折射率温度梯度系数为dn/dt，试样一局部的温度增量ΔT带来的标准光波面的波前变形波差为ΔWΔT，则有：
Figure FDA0002341231660000011
步骤S3、红外光学材料均匀性测试的精度要求满足式(3)的关系：
ΔWΔT≤kΔWP (3)
其中，k为温度影响的精度控制因子；
将式(3)变换为式(4)：
Figure FDA0002341231660000012
步骤S4、确定红外光学材料试样的测试精度要求PΔn的范围；
步骤S5、基于公式(2)，确定红外光学材料热光学系数G的范围；
步骤S6、根据步骤S3中的式(4)、步骤S4确定的测试精度要求PΔn的档级范围、步骤S5确定的红外光学材料热光学系数G的档级范围，建立红外光学材料均匀性测试精度要求对应的温度影响控制数值表；
步骤S7、根据测试精度要求和试样的材料类型，用温度影响控制数值表中相应的温度控制数据，在测试期间对测试室的环境温度进行控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，k分别取1/2、1/3、1/4、1/5数值之一，k取值越小，温度变化对测试精度的影响越小，满足最低精度要求的k值取为1/2。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中，确定红外光学材料的测试精度要求PΔn的范围为1×10-5～1×10-4，将这个精度范围按从最高精度要求分为四档，则测试精度要求PΔn的四档精度分别分为：1×10-5；2×10-5；4×10-5；10×10-5。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S5中，基于公式(2)，根据红外光学材料温度变化折射率最敏感的锗晶体材料的热光学系数G值、最不敏感的熔石英材料热光学系数G值，按红外光学材料热光学系数G数值的集中关系将G分为七个档级，G的七个档级分别为：1×10-5/℃；2×10-5/℃；4×10-5/℃；6×10-5/℃；10×10-5/℃；15×10-5/℃；40×10-5/℃。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S6中，所述温度影响控制数值表为表1：
表1红外光学材料均匀性测试精度对应的温度控制要求表摄氏度℃
Figure FDA0002341231660000031
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