TWM552099U - 測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置 - Google Patents

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Jin-Huang Lai
Chun-Lin Tian
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Taiwei Precision Technology Co Ltd
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測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置
本創作係有關一種測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，尤指一種兼具量測玻璃折射率精準度高，及可同時量測玻璃色散係數之測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置。
傳統用於光學玻璃折射率的裝置，茲舉下列三種為例： [1] 阿貝折光法:測量原理為將被測試樣品與已知折射率的折射稜鏡貼在一起，根據全反射臨界角求得玻璃樣品的折射率。 [2] 自準直法。 [3] 最小偏角法。 重點在於，上述的測量方法，測量精度偏低，不能同時測量色散係數。固然有些知名廠商研發出各種型式的光學測量儀器，但是這些精密的儀器操作上複雜度高、價格昂貴，而且，缺乏檢測玻璃色散係數之功能。 另外，傳統檢測玻璃元件之裝置，存在下列缺點：易於破壞待測物表面、對於待測物之檢測尺寸或外型有所限制、操作上較為費工費時、並非多波長量測玻璃折射率，通常只適用於單一波長，無法測定色散係數。前述缺點，使得傳統檢測玻璃元件之裝置，在工業檢測的應用上顯得不實用。 有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。
本創作之目的，在於提供一種測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其兼具量測玻璃折射率精準度高，及可同時量測玻璃色散係數等優點。特別是，本創作所欲解決之問題係在於傳統檢測玻璃元件之裝置易於破壞待測物表面、對於待測物之檢測尺寸或外型有所限制、操作上較為費工費時且並非多波長量測玻璃折射率，通常只適用於單一波長，無法測定色散係數，在工業檢測的應用上顯得不實用等問題。 解決上述問題之技術手段係提供一種測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其包括： 一光源模組，係具有一光學路徑，並用以朝該光學路徑發出一待測光，該待測光可調整至一第一波長、一第二波長、一第三波長其中之一； 一準直鏡模組，係位於該光學路徑上； 一分光鏡模組，係設該光學路徑上，並位於該準直鏡模組之後； 一參考反射模組，係與該光學路徑互呈交叉； 一待測反射模組，係位於該光學路徑，並具有一待測反射鏡及一透光待測物；該透光待測物係介於該分光鏡模組與該待測反射鏡之間； 一影像擷取模組，係與該光學路徑互呈交叉； 一處理模組，係連結該影像擷取模組； 藉此，先將該待測光調整至該第一波長，該待測光穿過該準直鏡模組，係變成一平行測試光束，且該平行測試光束照射至該分光鏡模組，係變成一反射光束及一透射光束，其中，該反射光束照射至該參考反射模組，係變成一參考光束反射回該分光鏡模組；該透射光束係穿透該透光待測物，並照射至該待測反射鏡後，變成一待測光束且反射回該分光鏡模組；由於該參考光束與該測試光束之間存在光程差，光程差造成兩道光束干涉所需之相位差，使得該參考光束與該測試光束交會照射至該分光鏡模組時，形成1張干涉條紋影像，接著，控制該參考反射模組與該光學路徑相對移動3次，每次移動 單位之距離，而可再形成3張干涉條紋影像；依此類推，依序將該待測光調整至該第二波長及該第三波長，即可分別再取得其他兩個波長的4張干涉條紋影像。該影像擷取模組係用以擷取該分光鏡模組上之該複數張干涉條紋影像；該處理模組係依照公式 ，將三個波長之相對應的4張干涉影像分別進行四步相移法分析，獲得複數張相移相位圖，其中， f為相位差， 為光程差，l為光源波長；再將每一波長的4張相移相位圖解析後分別合成一張相位圖，將每一相位圖之相位差 加總取平均後，代入公式 ，求得該透光待測物之折射率n，其中，d為該透光待測物之厚度；最後，透過色散係數公式 ，求得該透光待測物之色散係數，其中， 係分別為該透光待測物對應該該第一波長、該第二波長及該第三波長之折射率，如此，達成可測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置。 本創作之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中，獲得深入瞭解。 茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本創作於後：
參閱第1及第2圖，本創作係為一種測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其包括一光源模組10、一準直鏡模組20、分光鏡模組30、一參考反射模組40、一待測反射模組50、一影像擷取模組60及一處理模組70。 關於該光源模組10，係具有一光學路徑M，並用以朝該光學路徑M發出一待測光90，該待測光90可調整至一第一波長 、一第二波長 、一第三波長 其中之一。 關於該準直鏡模組20，係位於該光學路徑M上。 關於該分光鏡模組30，係設該光學路徑M上，並位於該準直鏡模組20之後。 關於該參考反射模組40，係與該光學路徑M互呈交叉。 關於該待測反射模組50，係位於該光學路徑M上，並具有一待測反射鏡51及一透光待測物52，該透光待測物52係介於該分光鏡模組30與該待測反射鏡51之間。 關於該影像擷取模組60，係與該光學路徑M互呈交叉。 關於該處理模組70，係連結該影像擷取模組60。 藉此，先將該待測光90調整至該第一波長 ，該待測光90穿過該準直鏡模組20，係變成一平行測試光束90A，且該平行測試光束90A照射至該分光鏡模組30，係變成一反射光束91A及一透射光束92A，其中，該反射光束91A照射至該參考反射模組40，係變成一參考光束91B反射回該分光鏡模組30；該透射光束92A係穿透該透光待測物52，並照射至該待測反射鏡51後，變成一待測光束92B且反射回該分光鏡模組30。由於該參考光束91B與該測試光束92B之間存在光程差，光程差造成兩道光束干涉所需之相位差，使得該參考光束91B與該測試光束92B交會照射至該分光鏡模組30時，形成1張干涉條紋影像(參閱第3A圖)，接著，控制該參考反射模組40與該光學路徑M相對移動3次(參閱第3B、第3C及第3D圖)，每次移動 單位之距離，而可再形成3張干涉條紋影像。依此類推，依序將該待測光90調整至該第二波長 及該第三波長 ，即可分別再取得其他兩個波長的4張干涉條紋影像。該影像擷取模組60係用以擷取該分光鏡模組30上之該複數張干涉條紋影像。該處理模組70係依照公式 ，將三個波長之相對應的4張干涉影像分別進行四步(Four-step)相移法分析，獲得複數張(四步)相移相位圖(例如第4A圖由左至右之4張相移相位圖，與第5A圖由左至右之4張相移相位圖，以及第6A圖由左至右之4張相移相位圖)，其中， f為相位差， 為光程差(即 =參考平面鏡所需移動的位移量)，l為光源波長(即該第一波長 、該第二波長 及該第三波長 )。再將每一波長的4張(四步)相移相位圖解析後分別合成一張相位圖(例如第4B、第5B及第6B圖)，將每一相位圖之相位差 加總取平均後，代入公式 ，求得該透光待測物52之折射率n，其中，d為該透光待測物52之厚度。最後，透過色散係數公式 ，求得該透光待測物52之色散係數，其中， 係分別為該透光待測物52對應該該第一波長 、該第二波長 及該第三波長 之折射率，如此，達成可測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置。 實務上，該光源模組10係包括一藍芽裝置11及一發光二極體12(Light-emitting diode，簡稱LED)。該藍芽裝置11係無線連結該處理模組70，用以調整該發光二極體，而可分別發出該第一波長 、該第二波長 及該第三波長 之該待測光90。 該第一波長 可為486.1nm。 該第二波長 可為587.6nm。 該第三波長 可為656.3nm。 該參考反射模組40係包括一壓電裝置41、一參考平面鏡42及一壓電控制裝置43，該參考平面鏡42係平放於該壓電裝置41上，該壓電控制裝置43係連結於該壓電裝置41與該處理模組70之間，供該處理模組70控制該壓電裝置41動作，達成可調整該參考平面鏡42與該光學路徑M相對移動3次，每次移動 單位之距離的裝置。 該透光待測物52可為BK7玻璃、NSL 36玻璃其中一者。 該影像擷取模組60可為數位相機、感光耦合元件(Charge-coupled Device，簡稱CCD）其中一者。 該處理模組70可為電腦、行動通訊裝置其中至少一者。 本創作係可應用於下列兩種測量： [a] 玻璃折射率測量：首先，以該處理模組70控制該藍芽裝置11，調整該光源模組10輸出該第一波長 (486.1nm)之待測光90，該待測光90穿過該準直鏡模組20變成平行測試光束90A，該平行測試光束90A照射至該分光鏡模組30，再變成反射光束91A及透射光束92A。其中，該反射光束91A照射至該參考反射模組40變成參考光束91B，並反射回該分光鏡模組30。該透射光束92A係穿透該透光待測物52並照射至該待測反射鏡51後，變成待測光束92B且反射回該分光鏡模組30。由於該參考光束91B與該測試光束92B之間存在光程差，光程差造成兩道光束干涉所需之相位差，使得該參考光束91B與該測試光束92B交會照射至該分光鏡模組30時，形成1張干涉條紋影像(參閱第3A圖，該壓電裝置41具有一原始高度LA1，且該參考平面鏡42與該光學路徑M之間具有一原始相對距離LB1)。接著，控制該參考反射模組40與該光學路徑M相對移動3次，每次移動 單位之距離，而可再形成3張干涉條紋影像。依此類推，以該處理模組70控制該藍芽裝置11，依序將該待測光90調整至該第二波長 (587.6nm)及該第三波長 (656.3nm)，即可分別再取得其他兩個波長的4張干涉條紋影像。該影像擷取模組60係用以擷取該分光鏡模組30上之該複數張干涉條紋影像。該處理模組70係依照公式 ，將三個波長之相對應的4張干涉影像分別進行四步(Four-step)相移法分析，獲得複數張(四步)相移相位圖(例如第4A圖由左至右之4張相移相位圖。與第5A圖中由左至右之4張相移相位圖。以及第6A圖中由左至右之4張相移相位圖)，其中， f為相位差， 為光程差(即 =參考鏡所需移動的位移量)，l為光源波長(即該第一波長 、該第二波長 及該第三波長 )。再將每一波長的4張(四步)相移相位圖解析後分別合成一張相位圖(例如第4B、第5B及第6B圖)，將每一相位圖之相位差 加總取平均後，代入公式 ，求得該透光待測物52之折射率n，其中，d為該透光待測物52之厚度)。 更詳細的講： 該壓電裝置41控制該參考平面鏡42，使其與該光學路徑M之間第1次相對移動 單位之距離，則如第3B圖所示，該壓電裝置41由該原始高度LA1增高為一第一上升高度LA2，且該參考平面鏡42與該光學路徑M之間，由該原始高度LB1，減少為一第一相對變化距離LB2。 接著，該壓電裝置41再控制該參考平面鏡42，使其與該光學路徑M之間第2次相對移動 單位之距離，則如第3C圖所示，該壓電裝置41由該第一上升高度LA2再升高為一第二上升高度LA3，且該參考平面鏡42與該光學路徑M之間，由該第一相對變化距離LB2再減少為一第二相對變化距離LB3。 該壓電裝置41持續控制該參考平面鏡42，使其與該光學路徑M之間第3次相對移動 單位之距離，則如第3D圖所示，該壓電裝置41由該第二上升高度LA3再升高為一第三上升高度LA4，且該參考平面鏡42與該光學路徑M之間，由該第二相對變化距離LB3再減少為一第三相對變化距離LB4。 [b] 玻璃色散係數量測：該處理模組70透過色散係數公式 ，求得該透光待測物52之色散係數，其中， 係分別為該透光待測物52對應該該第一波長 、該第二波長 及該第三波長 之折射率，如此，達成可測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置。 進一步，該透光待測物52可為BK7玻璃或是NSL 36玻璃： 當為BK7玻璃時，其量測結果如下表1 　　　　　　(表1) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 波長(Wavelength) </td><td> 折射率(Refractive Index) </td></tr><tr><td> 486.1nm </td><td> 1.522322 </td></tr><tr><td> 587.5nm </td><td> 1.516576 </td></tr><tr><td> 656.3nm </td><td> 1.514319 </td></tr><tr><td><img wi="50" he="24" file="02_image025.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 0.008003 </td></tr><tr><td> Vd </td><td> 64.55 </td></tr></TBODY></TABLE>已知BK7玻璃折射率n d=1.51680，色散係數 V d=64.29。故由表1可得折射率誤差為Dn d=2.2×10 -5，色散係數誤差百分率為0.4%。 當為NSL36玻璃(參閱第7A、第7B、第8A、第8B、第9A及第9B圖)時，其量測結果如下表2 　　　　　　(表2) <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td> 波長(Wavelength) </td><td> 折射率(Refractive Index) </td></tr><tr><td> 486.1nm </td><td> 1.52225 </td></tr><tr><td> 587.5nm </td><td> 1.51678 </td></tr><tr><td> 656.3nm </td><td> 1.51250 </td></tr><tr><td><img wi="50" he="24" file="02_image025.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 0.00975 </td></tr><tr><td> Vd </td><td> 53.00 </td></tr></TBODY></TABLE>已知NSL36玻璃折射率n d=1.51742，色散係數 V d=52.41。故由表1可得折射率誤差為Dn d=6.3×10 -4，色散係數誤差百分率為1.1%。 上述兩種光學玻璃折射率分列5位小數的數據表，折射率數據的準確性會受到相移干涉圖的對比度及相移器誤差之影響。對於玻璃折射率測量，通常所有數據之量測必須控制在室溫及正常之大氣壓力的條件下，其折射率數據可以精確到小數點後五位（約為± 2×10 -5）。 本創作之優點及功效係如下所述： [1] 量測玻璃折射率精準度高。以BK7玻璃及NSL 36玻璃兩種光學玻璃為例，其折射率數據可以精確到小數點後五位(約為± 2×10 -5)。故，量測玻璃折射率精準度高。 [2] 可同時量測玻璃色散係數。本創作可以該處理模組透過該藍芽裝置，調整該發光二極體分別發出不同波長的待測光，進而可以應用不同波長的折射率，進行計算玻璃色散係數。故，可同時量測玻璃色散係數。 以上僅是藉由較佳實施例詳細說明本創作，對於該實施例所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本創作之精神與範圍。
10‧‧‧光源模組
11‧‧‧藍芽裝置
12‧‧‧發光二極體
20‧‧‧準直鏡模組
30‧‧‧分光鏡模組
40‧‧‧參考反射模組
41‧‧‧壓電裝置
42‧‧‧參考平面鏡
43‧‧‧壓電控制裝置
50‧‧‧待測反射模組
51‧‧‧待測反射鏡
52‧‧‧透光待測物
60‧‧‧影像擷取模組
70‧‧‧處理模組
90‧‧‧待測光
90A‧‧‧平行測試光束
91A‧‧‧反射光束
91B‧‧‧參考光束
92A‧‧‧透射光束
92B‧‧‧待測光束
M‧‧‧光學路徑
‧‧‧第一波長
‧‧‧第二波長
‧‧‧第三波長
LA1‧‧‧原始高度
LA2‧‧‧第一上升高度
LA3‧‧‧第二上升高度
LA4‧‧‧第三上升高度
LB1‧‧‧原始相對距離
LB2‧‧‧第一相對變化距離
LB3‧‧‧第二相對變化距離
LB4‧‧‧第三相對變化距離
第1圖係本創作之裝置之示意圖 第2圖係第1圖之其他角度之示意圖 第3A、第3B、第3C及第3D圖係分別為本創作之該參考反射模組與該光學路徑之對應關係、第1次相對移動、第2次相對移動及第3次相對移動之示意圖 第4A圖係本創作之以第一波長之待測光量測BK7玻璃之四步相移干涉圖 第4B圖係本創作之以第一波長之待測光量測BK7玻璃之四步相移法之相位圖 第5A圖係本創作之以第二波長之待測光量測BK7玻璃之四步相移干涉圖 第5B圖係本創作之以第二波長之待測光量測BK7玻璃之四步相移法之相位圖 第6A圖係本創作之以第三波長之待測光量測BK7玻璃之四步相移干涉圖 第6B圖係本創作之以第三波長之待測光量測BK7玻璃之四步相移法之相位圖 第7A圖係本創作之以第一波長之待測光量測NSL 36玻璃之四步相移干涉圖 第7B圖係本創作之以第一波長之待測光量測NSL 36之四步相移法之相位圖 第8A圖係本創作之以第二波長之待測光量測NSL 36之四步相移干涉圖 第8B圖係本創作之以第二波長之待測光量測NSL 36之四步相移法之相位圖 第9A圖係本創作之以第三波長之待測光量測NSL 36之四步相移干涉圖 第9B圖係本創作之以第三波長之待測光量測NSL 36之四步相移法之相位圖
10‧‧‧光源模組
11‧‧‧藍芽裝置
12‧‧‧發光二極體
20‧‧‧準直鏡模組
30‧‧‧分光鏡模組
40‧‧‧參考反射模組
41‧‧‧壓電裝置
42‧‧‧參考平面鏡
43‧‧‧壓電控制裝置
50‧‧‧待測反射模組
51‧‧‧待測反射鏡
52‧‧‧透光待測物
60‧‧‧影像擷取模組
70‧‧‧處理模組
90‧‧‧待測光
90A‧‧‧平行測試光束
91A‧‧‧反射光束
91B‧‧‧參考光束
92A‧‧‧透射光束
92B‧‧‧待測光束
M‧‧‧光學路徑
λ1‧‧‧第一波長
λ2‧‧‧第二波長
λ3‧‧‧第三波長

Claims (7)

  1. 一種測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，係包括： 一光源模組，係具有一光學路徑，並用以朝該光學路徑發出一待測光，該待測光可調整至一第一波長、一第二波長、一第三波長其中之一； 　一準直鏡模組，係位於該光學路徑上； 　一分光鏡模組，係設該光學路徑上，並位於該準直鏡模組之後； 　一參考反射模組，係與該光學路徑互呈交叉； 　一待測反射模組，係位於該光學路徑，並具有一待測反射鏡及一透光待測物；該透光待測物係介於該分光鏡模組與該待測反射鏡之間； 　一影像擷取模組，係與該光學路徑互呈交叉； 　一處理模組，係連結該影像擷取模組； 　藉此，先將該待測光調整至該第一波長，該待測光穿過該準直鏡模組，係變成一平行測試光束，且該平行測試光束照射至該分光鏡模組，係變成一反射光束及一透射光束，其中，該反射光束照射至該參考反射模組，係變成一參考光束反射回該分光鏡模組；該透射光束係穿透該透光待測物，並照射至該待測反射鏡後，變成一待測光束且反射回該分光鏡模組；由於該參考光束與該測試光束之間存在光程差，光程差造成兩道光束干涉所需之相位差，使得該參考光束與該測試光束交會照射至該分光鏡模組時，形成1張干涉條紋影像，接著，控制該參考反射模組與該光學路徑相對移動3次，每次移動 單位之距離，而可再形成3張干涉條紋影像；依此類推，依序將該待測光調整至該第二波長及該第三波長，即可分別再取得其他兩個波長的4張干涉條紋影像。該影像擷取模組係用以擷取該分光鏡模組上之該複數張干涉條紋影像；該處理模組係依照公式 ，將三個波長之相對應的4張干涉影像分別進行四步相移法分析，獲得複數張相移相位圖，其中， f為相位差， 為光程差，l為光源波長；再將每一波長的4張相移相位圖解析後分別合成一張相位圖，將每一相位圖之相位差 加總取平均後，代入公式 ，求得該透光待測物之折射率n，其中，d為該透光待測物之厚度；最後，透過色散係數公式 ，求得該透光待測物之色散係數，其中， 係分別為該透光待測物對應該該第一波長、該第二波長及該第三波長之折射率，如此，達成可測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置。
  2. 如申請專利範圍第１項所述之測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其中，該光源模組係包括一藍芽裝置及一發光二極體；該藍芽裝置係無線連結該處理模組，用以調整該發光二極體，而可分別發出該第一波長、該第二波長及該第三波長之該待測光。
  3. 如申請專利範圍第２項所述之測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其中： 　該第一波長 係為486.1nm； 　該第二波長 係為587.6nm； 　該第三波長 係為656.3nm。
  4. 如申請專利範圍第１項所述之測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其中，該參考反射模組係包括一壓電裝置、一參考平面鏡及一壓電控制裝置，該參考平面鏡係平放於該壓電裝置上，該壓電控制裝置係連結於該壓電裝置與該處理模組之間，供該處理模組控制該壓電裝置動作，達成可調整該參考平面鏡與該光學路徑相對移動3次，每次移動 單位之距離的裝置。
  5. 如申請專利範圍第１項所述之測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其中，該透光待測物係為BK7玻璃、NSL 36玻璃其中一者。
  6. 如申請專利範圍第１項所述之測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其中，該影像擷取模組係為數位相機、感光耦合元件其中一者。
  7. 如申請專利範圍第１項所述之測量光學玻璃折射率及色散係數之裝置，其中，該處理模組係為電腦、行動通訊裝置其中至少一者。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113176076A (zh) * 2021-04-26 2021-07-27 日月光半导体制造股份有限公司 光学检测系统及光学检测方法

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