CN106404715A - 测量折射率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量折射率的方法，包括使光学测角仪的光发射部件和瞄准部件分别设置于被测对象的入射面一侧和出射面一侧，光发射部件和瞄准部件的光轴在同一直线上，其中，入射面和出射面构成的夹角为α；将瞄准部件向着夹角方向旋转α度，调整被测对象，以使瞄准单元的光轴垂直于出射面；使光发射部件发出的入射光入射至入射面；旋转瞄准部件以瞄准出射光，并获得入射光与出射光的夹角β；根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得被测对象的折射率n。通过利用光学测角仪的瞄准部件使入射光能够以精准的角度垂直入射至被测对象的入射面，再通过旋转瞄准部件获得入射光与出射光的夹角，使得最终获得的被测对象的折射率精确度更高。

Description

测量折射率的方法

技术领域

本发明涉及光学材料精密测量领域，尤其涉及一种测量折射率的方法。

背景技术

光学材料的折射率参数是进行光学设计的基础，只有精确掌握光学材料折射率的可靠数据，才能根据要求完成高质量的设计工作。而且，对于光学材料研究制造者而言，确定所研究的光学材料的折射率性能指标是重要的基本内容，是进行材料评定的技术基础，也是生产定型的参考依据，因此，对光学材料折射率的精确测定是使用、研制光学材料的重要前提。

现有技术中，测量光学材料的折射率的方法通常是，光在经过光学材料的某个面时，对入射角及出射角进行测量，进而根据入射角和出射角获得光学材料的折射率，但是通常所采用的角度测量方法误差较大，以至于所获得折射率的精确度较低，而且常规方法只能针对可以透过可见光的光学材料进行测量。而近年来，随着现代光电技术的快速发展，国防和民用领域对红外光学材料(例如红外光学玻璃)的需求呈***式增长。很大一部分的红外光学玻璃不透可见光，且折射率很高，通常大于2×10^-5，无法沿用传统的折射率测量方法来获得其折射率，而其红外波段折射率又是表征产品质量的关键技术指标，也是进行红外成像***光学设计必不可少的技术参数，且备受红外光学***设计人员关注。因此寻找一种简便、精确度高，且不受光学材料限制的测量折射率的方法显得尤其重要。

发明内容

技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是，如何提高测量折射率精度。

解决方案

为了解决上述技术问题，根据本发明的一实施例，提供了一种测量折射率的方法，所述方法包括：使光学测角仪的光发射部件和瞄准部件分别设置于被测对象的入射面一侧和出射面一侧，光发射部件和瞄准部件的光轴在同一直线上，其中，所述入射面和所述出射面构成的夹角为α；将所述瞄准部件向着所述夹角方向旋转α度，调整所述被测对象，以使瞄准单元的光轴垂直于所述出射面；使光发射部件发出的入射光入射至所述入射面；旋转瞄准部件以瞄准出射光，并获得所述入射光与所述出射光的夹角β；根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得所述被测对象的折射率n。

在一种可能的实现方式中，所述入射面和所述出射面的夹角α满足以下条件：α＜arcsin(n^-1)。

在一种可能的实现方式中，根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得所述被测对象的折射率n，包括：根据以下公式获得所述被测对象的折射率n：

在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：利用所述光学测角仪测量所述入射面和所述出射面的夹角α。

在一种可能的实现方式中，所述被测对象为红外光学玻璃。

在一种可能的实现方式中，所述被测对象为红外光学玻璃的三棱镜状的样块。

在一种可能的实现方式中，所述入射光为红外光。

有益效果

通过利用光学测角仪的瞄准部件使入射光能够以精准的角度垂直入射至被测对象的入射面，再通过旋转瞄准部件瞄准出射光，来获得入射光与出射光的夹角，使得根据入射面和出射面的夹角以及入射光和出射光的夹角所获得的被测对象的折射率精确度更高。此外，由于是利用瞄准部件使入射光垂直入射至入射面，可以针对不同种类的被测对象(例如可以透过可见光的普通晶体，或几乎不可透过可见光的红外晶体等)的折射率进行测量，使得测量范围更加广泛。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本发明的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1示出根据本发明一实施例的测量折射率的方法的流程图。

图2示出利用自准直法测量被测对象的入射面和出射面的夹角α的原理图。

图3示出瞄准部件旋转α度、且对被测对象调节后的光传播示意图。

图4示出了一个示例性的光学测角仪的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

实施例1

图1示出根据本发明一实施例的测量折射率的方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括：

步骤101，使光学测角仪的光发射部件和瞄准部件分别设置于被测对象的入射面一侧和出射面一侧，光发射部件和瞄准部件的光轴在同一直线上，其中，所述入射面和所述出射面构成的夹角为α；

步骤102，将所述瞄准部件向着所述夹角方向旋转α度，调整所述被测对象，以使瞄准单元的光轴垂直于所述出射面；

步骤103，使光发射部件发出的入射光入射至所述入射面；

步骤104，旋转瞄准部件以瞄准出射光，并获得所述入射光与所述出射光的夹角β；

步骤105，根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得所述被测对象的折射率n。

本发明通过利用光学测角仪的瞄准部件使入射光能够以精准的角度垂直入射至被测对象的入射面，再通过旋转瞄准部件以瞄准出射光，来获得入射光与出射光的夹角，使得根据入射面和出射面的夹角以及入射光和出射光的夹角所获得的被测对象的折射率精确度更高。此外，由于是利用瞄准部件使入射光垂直入射至入射面，可以针对不同种类的被测对象(例如可以透过可见光的普通晶体，或几乎不可透过可见光的红外晶体等)的折射率进行测量，使得测量范围更加广泛。

在步骤101中，使光学测角仪的光发射部件和瞄准部件分别设置于被测对象的入射面一侧和出射面一侧，光发射部件和瞄准部件的光轴在同一直线上，其中，所述入射面和所述出射面构成的夹角为α。

在一个示例中，本实施例的方法可利用光学测角仪来实现，图4示出了一个示例性的光学测角仪的结构示意图，其可包括光发射部件10、瞄准部件11(例如光电瞄准部件)，以及用于放置被测对象的样品台12，被测对象可以是三棱镜状的样块，其材质可以是红外光学玻璃等任意需要测量折射率的材质。在放置被测对象时，可以使被测对象的入射面(参见图3中的AC面)靠近光发射部件，同时被测对象的出射面(参见图3中的AB面)靠近瞄准部件。在一个示例中，可以利用光学测角仪上用于调节光发射部件的螺钉来对光发射部件的垂直方向(即俯仰)和水平方向(即左右)进行调整，类似地，同样可以利用光学测角仪上用于调节瞄准部件的螺钉来对瞄准部件的垂直方向(即俯仰)和水平方向(即左右)进行调整。在一个示例中，可以借助于放置在样品台上的平面镜来对光发射部件和瞄准部件进行适应性地调整，以使得光发射部件的光轴与瞄准部件的光轴在同一直线上(参见图4中的D-D线)，也就是说二者的光轴重合，下文将光发射部件的光轴所在的位置称为零位线，为了方便测量，还可以使零位线处于水平方向。此外，样品台所在的平面可以与零位线平行，以使被测对象的入射面和出射面均处于垂直水平方向，便于后面调整瞄准部件，以使入射垂直入射至被测对象。

在一个示例中，光发射部件可以包括发光单元、准直单元等，发光单元发出的光通常情况下为非平行光，该非平行光经过准直单元后，可以变为平行光，进而入射至被测对象。其中，准直单元可以是本领域技术人员已知的(例如通过多个透镜以及狭缝的组合)可以实现对光进行准直的结构，本发明对此不做限制。

对入射光进行准直可以使入射光线均以相同的入射角入射，并以相同的出射角出射，避免由于多个角度的入射角造成测量误差的增大。

发光单元可以根据被测对象的种类进行选择。举例来说，在一个示例中，假设被测对象可以为红外光学材料(例如红外光学玻璃)，由于其不可以透过可见光、但可以透过红外光的特性，可以选择红外光光源(例如红外激光)作为发光单元。在另一个示例中，假设被测对象可以透过可见光，则可以选择可见光光源作为发光单元。在一个示例中，发光单元发出的光可以是单色光，以便后面对折射光的瞄准与探测，可以避免色差给测量带来的干扰及误差。

在一个示例中，可以利用光学测角仪测量所述入射面和所述出射面的夹角α。图2示出利用自准直法测量被测对象的入射面和出射面的夹角α的原理图。如图2所示，在一个示例中，被测对象可以是红外光学玻璃的三棱镜状的样块，可以先使瞄准部件瞄准入射面AC，调整瞄准部件11，通过观察瞄准部件11内的十字线的像来判断瞄准系部件11的光轴是否垂直于入射面，在瞄准部件11的光轴垂直于入射面AC的情况下，旋转瞄准部件11使其瞄准出射面AB，采用同样的方法进行调节，以使瞄准部件11的光轴垂直于出射面AB，如图2所示，由于瞄准部件11旋转的角度为θ，θ与α的和为180°，所以入射面AC与出射面AB的夹角为α＝180°-θ。入射面和所述出射面构成的夹角为α还可以通过本领域技术人员已知的其他方法来获得，例如利用光学测角仪采用反射法来获得。

在一个示例中，入射面和出射面的夹角可满足以下条件：α＜arcsin(n^-1)。也就是说，本示例中，因为入射光垂直入射至被测对象的入射面，光经由被测对象到达出射面时的入射角为α，由于被测对象的折射率通常大于空气的折射率，光从被测对象进入空气的时候，如果入射角过大可能会发生全反射。因此，使入射角小于临界角，即sinα＜n^-1，即入射面和出射面的夹角满足α＜arcsin(n^-1)，可避免全反射的发生，其中，n为被测对象的折射率。

在步骤102中，将瞄准部件向着所述夹角方向旋转α度，调整被测对象，以使瞄准单元的光轴垂直于出射面；

在步骤103中，使光发射部件发出的入射光入射至所述入射面。

在完成步骤101之后，可以确定，光发射部件的光轴在零位线上，瞄准部件的光轴也在零位线上，且零位线可以穿过被测对象。以下将根据图3对如何调整各部件以使入射光垂直入射至入射面进行详细说明。

首先，可以保持光发射部件(未示出)和被测对象固定，将瞄准部件(未示出)向着入射面与出射面的夹角(即顶角A)方向旋转α度后，固定瞄准部件；然后可调整被测对象的摆放位置，利用瞄准部件的自准直特性(即观察十字线的像的位置)来使瞄准部件的光轴垂直于出射面，此时光发射部件发出的入射光垂直入射至被测对象的入射面。图3示出瞄准部件旋转α度、且对被测对象调节后的光传播示意图。

以上过程是基于这样的原理，如图3所示，假设入射光垂直入射至被测对象的入射面，光在经过入射面AC时方向不发生改变，在到达出射面AB时，由于i+∠1＝90°且α+∠1＝90°，其中，虚线为法线，i为入射角，∠1为零位线与出射面AB的夹角，∠2为零位线与出射面AB的法线的夹角，β为折射光与入射光(即零位线)的夹角，所以光在经过出射面AB时的i＝α，i和∠2为对顶角，所以二者相等，因此，瞄准部件从零位线位置旋转α角后，其光轴即到达虚线所示的法线位置，只要调整被测对象使出射面AB垂直于瞄准部件的光轴，即可确保入射光垂直于入射面AC。

通过旋转瞄准部件，以及利用瞄准部件调节被测对象的位置，可以使入射光以垂直入射面的方向进入被测对象，以便后续测量被测对象的折射率，该过程与传统的测量方法不同，不需要用人眼来观察光，所以光的波长不受任何限制，包括可见光或者非可见光，以至于对被测对象的材料没有任何限制，包括可以是可以透过可见光的光学玻璃，或者是几乎不可用透过可见光的红外光学玻璃。采用本实施例的方法可以对折射率大于2×10^-5的红外光学玻璃的折射率进行测量，且效果很好。

在步骤104中，旋转瞄准部件以瞄准出射光，并获得入射光与出射光的夹角β。入射光与出射光的夹角β可以根据如下方式来获得：在完成步骤103后，瞄准部件位于图3中的靠近出射面AB的法线方向，通过旋转瞄准部件可以瞄准出经出射面AB之后的出射光(即图3中的折射光)，瞄准部件旋转的角度为φ度，即折射角为φ度，由于入射光的方向与零位线平行，所以入射光与折射光的夹角为β＝φ-α。在一个示例中，瞄准部件可以包括光探测器，以便于通过旋转瞄准部件可以探测到经出射面AB之后的出射光，进而对其进行瞄准。光探测器的类型可以根据需要进行选择，举例来说，可以根据光发射部件发射的光的种类来选择光探测器，例如如果发射的光为红外光，则可以选择红外光探测器来对出射光进行探测。在一个示例中，瞄准部件可以和计算机连接，以便于可以通过显示器更加直观地观察各步骤的调节状态和结果，例如十字线的像的位置，或对出射光的探测等。

在步骤105中，根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得所述被测对象的折射率n。

在一个示例中，根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得所述被测对象的折射率n，可以采用如下方式来实现：

基于折射率的计算公式，由前述步骤可知，光在经过出射面AB时，出射角为α+β，入射角为α，所以根据以下公式可以获得所述被测对象的折射率n：

在一个示例中，可以针对同一个被测对象采用该方法多次测量其折射率，再对所获得的多个折射率求平均值，以该平均值作为该被测对象的最终折射率结果，以降低单次测量可能导致误差较大的风险，提高精确度。

由于光学测角仪是高精度测量仪器，利用瞄准部件来精确测量入射角和折射角，再根据二者计算得出被测对象的折射率，使得根据该方法获得的折射率相比于传统方法，精度更高。在一个示例中，通过本方法测量得到的折射率的精度最高可以达到5×10^-6。此外瞄准部件可以与计算机连接，通过计算机来进行瞄准观察，进一步提高了精确度，而且操作更加方便。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种测量折射率的方法，其特征在于，所述方法包括：

使光学测角仪的光发射部件和瞄准部件分别设置于被测对象的入射面一侧和出射面一侧，光发射部件和瞄准部件的光轴在同一直线上，其中，所述入射面和所述出射面构成的夹角为α；

将所述瞄准部件向着所述夹角方向旋转α度，调整所述被测对象，以使瞄准单元的光轴垂直于所述出射面；

使光发射部件发出的入射光入射至所述入射面；

旋转瞄准部件以瞄准出射光，并获得所述入射光与所述出射光的夹角β；

根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得所述被测对象的折射率n。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述入射面和所述出射面的夹角α满足以下条件：

α＜arcsin(n^-1)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据入射面和出射面的夹角α以及入射光和出射光的夹角β，获得所述被测对象的折射率n，包括：

根据以下公式获得所述被测对象的折射率n：

$n=\frac{sin(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}{sin\mathrm{\α}}.$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

利用所述光学测角仪测量所述入射面和所述出射面的夹角α。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述被测对象为红外光学玻璃。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述被测对象为红外光学玻璃的三棱镜状的样块。

7.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述入射光为红外光。