CN110736721A - 基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法，该装置包括波长可调光源，沿波长可调光源出射光线光轴方向依次设置扩束镜、针孔光阑、准直镜、可调狭缝和反射式平面衍射光栅，反射式平面衍射光栅6的工作面与所述出射光线光轴之间构成20—45°的入射夹角，在反射式平面衍射光栅的下方竖直依次设光学成像镜头和CCD图像采集系统，CCD图像采集系统连接计算机；在反射式平面衍射光栅和光学成像镜头之间设置待测件。本发明的光路系统实现了大厚度、折射率变化大的光学玻璃的空间折射率均匀性分布的非接触式测量。

Description

基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及光的衍射技术、光谱分析技术以及计算机图像和数据处理技术，尤其涉及基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法。

背景技术

光学玻璃是制作光学透镜、光学棱镜、光学反射镜、分光镜、光纤、激光器等光学器件的主要材料，光学玻璃折射率均匀性好坏直接影响着光学器件的性能。因而光学玻璃均匀性测量是光学领域的研究热点。

光学玻璃的折射率检测方法传统的方法主要有：(1)插针法；(2)分光计。主要是测定入射角和折射角，再根据玻璃的折射定律得到玻璃砖折射率。这两种方法优点是直接测量，测量仪器简单，操作方便。缺点是接触式测量，对待测件有磨损，测量精度低，检测的是光学玻璃平均折射率。

非接触式测量的方法有：主要有干涉法测量。干涉法测量是利用迈克尔孙干涉仪测量光学玻璃上下两个表面反射形成的干涉条纹，对干涉条纹进行图像和数据处理，得到光学平板玻璃的空间折射率分布。该方法优点是非接触式测量、检测的是空间折射率分布，测量精度高。缺点是由于干涉条件的限制，测量范围小，一般适用于光学玻璃厚度小，折射率变化小的光学玻璃材料测量。

基于衍射光栅的光学检测方法主要有两种：(1)利用透射式衍射光栅；(2)利用反射式衍射光栅。这两种方法主要利用衍射光栅的分光性能进行液体平均折射率的测量，测量范围大，测量方法简单。缺点是测量是液体平均折射率，且测量精度低。

发明内容

本申请提供一种基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置及检测方法，解决现有技术中对大厚度、折射率变化大的光学玻璃的折射率检测精度不高的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:

基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置，包括波长可调光源，沿波长可调光源出射光线光轴方向依次设置扩束镜、针孔光阑、准直镜、可调狭缝和反射式平面衍射光栅，反射式平面衍射光栅6的工作面与所述出射光线光轴之间构成20—45°的入射夹角，在所述反射式平面衍射光栅的下方竖直依次设光学成像镜头和CCD图像采集系统，所述CCD图像采集系统连接计算机；在所述反射式平面衍射光栅和光学成像镜头之间设置待测件。

进一步的，所述准直镜的焦距等于准直镜到针孔光阑的距离。

进一步的，所述可调狭缝的狭缝宽度可调范围0-10mm。

基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测方法，包括以下步骤：

步骤1，调节扩束镜的位置，使可调波长光源出射的光束会聚到一点，在会聚点处加针孔光阑，滤除杂散光，使出射的光波为球面波；

步骤2，调节准直镜的位置，使入射的球面波通过后变为平面光波；

步骤3，调节可调狭缝缝宽，使平面光波通过狭缝后出射合适线状平面光波；

步骤4，调节反射式平面衍射光栅，使合适线状平面光波斜入射，反射光波为衍射光波；

步骤5，调节反射式平面衍射光栅，使其+1级衍射波通过光学成像镜头会聚，在光学成像镜头的像平面上得到衍射图样A，调节CCD图像采集系统接收衍射图样A；

步骤6，为了400nm-800nm波长的+1级衍射波均匀投射到CCD的接收面上，选定可调光源的中心波长600nm进行光束入射角的标定，调节光束入射角使600nm波长的衍射波垂直入射到CCD接收面上，作为CCD接收的中心坐标；

步骤7，在反射式平面衍射光栅和光学成像镜头之间加入待测件，在光学成像镜头的像平面上得到经待测件折射的衍射光波B，调节CCD图像采集系统接收衍射图样B；

步骤8，计算机对比处理衍射图样B和衍射图样A，得到待测件的折射率空间分布信息。

本发明的有益效果：

本发明的光路系统实现了大厚度、折射率变化大的光学玻璃的空间折射率均匀性分布的非接触式测量。其利用反射式衍射光栅超强的分光性能和计算机的数据处理技术相结合，不但可以进行光学玻璃的均值折射率测量，也可进行空间折射率均匀性测量，测量精度高，测量范围广，操作简单。

附图说明

图1是本发明装置的整体结构示意图；

图2是本发明衍射图样A的测量光路示意图；

图3是本发明衍射图样B的测量光路示意图；

图中，1-波长可调光源，2-扩束镜，3-针孔光阑，4-准直镜，5-可调狭缝，6-反射式平面衍射光栅，7-待测件，8-光学成像镜头，9-CCD图像采集系统，10-计算机，11-平面单色光波，12-法线，13-0级衍射光束，14-+1级衍射光束，15-600mm+1级衍射光束，16-+1级衍射角，17-标准玻璃平板，18-入射角，19-未加待测件的光线，20-加待测件的光线。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

参见图1，基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置，包括波长可调光源1，沿波长可调光源1出射光线光轴方向依次设置扩束镜2、针孔光阑3、准直镜4、可调狭缝5和反射式平面衍射光栅6，反射式平面衍射光栅6的工作面与所述出射光线光轴之间构成20—45°的入射夹角，在所述反射式平面衍射光栅6的下方竖直依次设光学成像镜头8和CCD图像采集系统9，所述CCD图像采集系统9连接计算机10；在所述反射式平面衍射光栅6和光学成像镜头8之间设置待测件7。

波长可调光源1为氙灯光源，所述氙灯光源的波长调节范围为400nm-800nm。

反射式平面衍射光栅6的线对数600/mm，口径50mm×50mm。

针孔光阑3的口径为1.5mm。

准直镜4的焦距等于准直镜4到针孔光阑3的距离。

可调狭缝5的狭缝宽度可调范围0-10mm，缝长为30mm。

光学成像镜头8的焦距为25mm，口径30mm,反射式平面衍射光栅6与光学成像镜头8的距离为100mm。

基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测方法，包括以下步骤：

步骤1，波长可调光源1选取氙灯光源(400nm—800nm)，选取可调波长光源某一波长出射，出射光束进入扩束镜2，调节扩束镜2的沿光轴距离，使波长可调光源1出射的光束会聚到一点，在会聚点处加小孔光阑3(口径为1.5mm)，滤除杂散光，使出射的光波为球面光波；

步骤2，准直镜4的焦距为f，调节准直镜4的沿光轴与小孔光阑3距离为f，使入射的球面波通过准直镜4后变为平面光波；

步骤3，可调狭缝5(可调范围0-10mm),调节可调狭缝5缝宽为1mm，缝长为30mm使平面光波通过狭缝后出射线平面光波；

步骤4，反射式平面衍射光栅6，线对数600/mm，口径50mm×50mm，调节反射式平面衍射光栅6，使线平面光波斜入射，入射角为α(20°—45°)，反射光波为+1级衍射光波；

步骤5，调节反射式平面衍射光栅6的衍射光波+1级衍射波通过光学成像镜头8会聚，光学成像镜头8的焦距为25mm，口径30mm，反射式平面衍射光栅6与光学成像镜头8的距离为100mm,利用光电定焦处理系统对光学成像镜头8后的像面进行定焦，使在光学成像镜头8后的像面上得到清晰的衍射图样A，用CCD图像采集系统9接收衍射图样A；

步骤6，选定光源波长600nm进行标定；如附图2所示，选定光源波长为600nm，按照步骤5的方法调节反射式平面衍射光栅6的+1级衍射波照射到CCD图像采集系统9接收衍射图样M；因为是平面单色光波11入射到反射式平面衍射光栅6上，定义反射式平面衍射光栅6的法线12，0级衍射光束13，+1级衍射光束14仍为线光束，则衍射图样M为一线状光斑，记录线状光斑的位置P1。加入一块厚度10mm、折射率为K9标准玻璃平板17，记录线状光斑的位置P2。利用的原理是当光束垂直界面入标准玻璃平板17时，折射角和入射角均为0度，因而不分开。调节平面光波斜入射到反射式平面衍射光栅6的入射角18，使记录线状光斑的位置P1和位置P2完全重合，此时可确定光束垂直入射到标准玻璃板界面的位置。可标定波长为600nm的单色平面光波，以入射角α入射到反射式平面衍射光栅6上，对应波长600mm的+1级衍射光束15与平面单色光波11垂直，在CCD图像采集系统9上所形成的线光斑作为测量时的x坐标，线光斑几何中心为坐标原点，与线光斑垂直方向为z坐标。

步骤7，加入待测件7在反射式平面衍射光栅6前(不接触)，在光学成像镜头8的像平面上得到变化衍射光波，调节CCD图像采集系统9接收衍射图样B。

测试原理：如附图3所示，对步骤6标定的光学系统，衍射光栅的线对数为600/mm，带入衍射光栅方程：

d(sinα±sinθ)＝mλ

其中：α为入射角，θ为衍射角，为入射光波波长，m为衍射级次。

选定衍射级次m为+1级，入射角为步骤6标定的入射角，当可调波长光源1波长从400nm-800nm可见光范围变化时，代入衍射光栅方程，可计算出+1级衍射角范围为14°—29°，发散角为15°，若选定衍射光栅6到光学镜头9的距离为100mm，光学镜头的焦距为25mm，一般口径为30mm(大于投射光斑尺寸)。根据几何光学知识，可计算像面的位置以及光学镜头放大倍率β。

如附图3所示，由折射定律公式：

n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂

其中：n₁为入射介质折射率，n₂为折射介质折射率，θ₁为入射角，θ₂为折射角。

可知加入待测件7折射角小于未加待测件7的角，如附图3所示，未加待测件7的光线19，加待测件7的光线20，两光束有一定的分开距离d，距离d可通过CCD图像采集系统9采集计算出，若已知待测件7的厚度h,入射角θ₁通过折射定律和光束的直线传播定律形成的几何关系，建立待测件折射率n和相关参数数学模型：

其中：n为待测件7折射率，θ₁为入射角，h为待测件的厚度，d为未加待测件的光线19与加待测件光线20分开的距离。

待测件折射率变化量Δn和相关参数数学模型：

其中：n为待测件折射率，θ₁为入射角，h为待测件的厚度，Δd为未加待测件7光线19与加待测件7光线20分开的距离的变化量。

步骤8，若CCD前光学镜头的放大倍率为β，从CCD图像采集系统9采集到衍射图样B和衍射图样A中计算出未加待测件光线19与加待测件光线20分开的距离d’及距离的变化量Δd’，则实际参数：

根据步骤7建立的数学模型，测试出的参数d’和Δd’,计算出待测件的折射率的平均值n和变化量Δn。

步骤9，调节波长可调光源1的波长，使其从400nm-800nm范围变化，以波长差值5nm为步长，扫描采集不加待测件7多副衍射图样A，加待测件7多副衍射图样B分别存储，利用建立的模型以及编写的软件进行处理，计算得到待测件的空间折射率分布信息。

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 (4)

1.基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置，其特征在于，包括波长可调光源（1），沿波长可调光源（1）出射光线光轴方向依次设置扩束镜（2）、针孔光阑（3）、准直镜（4）、可调狭缝（5）和反射式平面衍射光栅（6），反射式平面衍射光栅（6）的工作面与所述出射光线光轴之间构成20—45°的入射夹角，在所述反射式平面衍射光栅（6）的下方竖直依次设光学成像镜头（8）和CCD图像采集系统（9），所述CCD图像采集系统（9）连接计算机（10）；在所述反射式平面衍射光栅（6）和光学成像镜头（8）之间设置待测件（7）。

2.根据权利要求1所述基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置，其特征在于，所述准直镜（4）的焦距等于准直镜（4）到针孔光阑（3）的距离。

3.根据权利要求1或2所述基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测装置，其特征在于，所述可调狭缝（5）的狭缝宽度可调范围0-10mm。

4.根据权利要求1所述基于衍射光栅的玻璃平板折射率均匀性检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，调节扩束镜的位置，使可调波长光源出射的光束会聚到一点，在会聚点处加针孔光阑，滤除杂散光，使出射的光波为球面波；

步骤2，调节准直镜的位置，使入射的球面波通过后变为平面光波；

步骤3，调节可调狭缝缝宽，使平面光波通过狭缝后出射合适线状平面光波；

步骤4，调节反射式平面衍射光栅，使合适线状平面光波斜入射，反射光波为衍射光波；

步骤5，调节反射式平面衍射光栅，使其+1级衍射波通过光学成像镜头会聚，在光学成像镜头的像平面上得到衍射图样A，调节CCD图像采集系统接收衍射图样A；

步骤6，为了400nm-800nm波长的+1级衍射波均匀投射到CCD的接收面上，选定可调光源的中心波长600nm进行光束入射角的标定，调节光束入射角使600nm波长的衍射波垂直入射到CCD接收面上，作为CCD接收的中心坐标；

步骤7，在反射式平面衍射光栅和光学成像镜头之间加入待测件，在光学成像镜头的像平面上得到经待测件折射的衍射光波B，调节CCD图像采集系统接收衍射图样B；

步骤8，计算机对比处理衍射图样B和衍射图样A，得到待测件的折射率空间分布信息。

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