第二章光学玻璃主要光学性能测量

光学测量 第二章光学玻璃主要光学性能测量

前言 • 光学玻璃按折射率、色散系数对标准数值的允差分6类，同类玻璃中按折射率及色散的最大差值、一致性分4级。 • 此外影响光学玻璃质量的指标还有: • 光学均匀性 • 双折射 • 条纹度 • 气泡度 • 光吸收系数 • 耐辐射性能等。 • 最重要的是折射率及色散、双折射。 2

前言 3

前言 Table 1. Schott Bubble and index uniformity specifications Bubble classification (includes all bubbles and inclusions ≥ 0.06mm) Bubble Group Total bubble cross-section per 100cm3volume of glass 0 0 – 0.029mm2 1 0.03 – 0.10mm2 2 0.11 – 0.25mm2 3 0.26 – 0.50mm2 4 0.51 – 1.00mm2 5 1.01 – 2.00mm2 Index uniformity (A) Normal Quality (N) tested for striae and birefringence in one direction. Normal quality ⇒ variation of nd ≤ ± 1x10-4, within one melt. NH1 - ∆ nd ≤ ± 2x10-5 within one melt NH2 - ∆ nd ≤ ± 5x10-6 within one blank (B) Precision Quality (P) tested in one or more directions ∆nd ≤ ± 5x10-6 within one blank 4

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 一．折射率的定义:光在真空中传播的速度与在介质中的传播速度之比二、测量折射率的方法测量光学玻璃常用的方法主要是V棱镜法、最小偏向角法、全反射临界角法、自准直法、直角照射法等三．色散色散系数部分色散 5

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 一．测量原理 V棱镜法解得 6

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 当时，式中取正号；当时，式中取负号。由于在测量前并不知道是还是，式中的正负号可根据出射光线的偏折方向来确定。如图所示方向偏折时取正号；取负号。对于应用这种原理的专用测量仪器----V棱镜折光仪。则利用度盘上的度数来区分正负号。对于，度盘上的角的读数是在0°～30°范围内；对于的情况，角的读数是在360°～330°范围内。 V棱镜法 7

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 V棱镜法 8

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 二、测量装置及方法 V棱镜折射仪 V棱镜法 2º43.45′ 1.光源；2聚光镜；3.滤色镜；4.平行光管分划板；5.平行光管分划板上的透光狭缝(中心有一根单丝)；6.平行光管；7.V棱镜；8.样品；9.转向棱镜；10.望远镜；11.望远镜分划板；12.望远镜瞄准目镜；13.度盘读数目镜；14.度盘视准分划板；15.金属度盘；16.测微手轮；17.刹车手轮；18.微动手轮；19.读数照明开关；20.读数照明灯 9

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 V棱镜法 10

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 方法 ①定零位在和V块折射率相同的标准块上涂上相近浸液然后放入V块，转动望远系统使之瞄准平行光管狭缝的像，此时读数显微镜的读数应为零，如不为零记下读数 V棱镜法 ②换上被测试样（上面也涂浸液），转动望远系统使之重新瞄准平行光管狭缝象记下读数两次读数之差为 ③根据值查表求n 11

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 这种液体称为折射液。其作用: • 防止光线在界面上发生全反射， • 即使样品加工90°角不准确，加上折射液之后，近似于一个准确的90°角。 • 样品表面只需要细磨，免去抛光的麻烦。 V棱镜法 12

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 • 因V棱镜法具有测量精度高，测量速度快和测量范围广等特点，所以光学玻璃的生产和使用单位广泛采用这种方法，所用仪器称为V棱镜折光仪。 • 这种仪器实际上是一台立式精密测角仪。它除了作为角度测量仪器要求有较高精度的底盘和轴系外，对光学系统还要求较小的二级光谱，并要求杂散光少和成像清晰等。 • 国内外生产多种型号的V棱镜折光仪。分析和比较国内生产的几种仪器后，在光学玻璃测试方法的国家标准中，采用了国产JCZ-1型V棱镜折光仪做为普通光学玻璃折射率测量的标准仪器。 V棱镜法 13

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 4.测量误差根据间接测量的标准不确定度传播公式，折射率的测量标准不确定度可写为：可求得 V棱镜法偏折角的测量标准不确定度 V棱镜材料折射率的测量标准不确定度 14

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 这就是V棱镜法折射率测量标准不确定度的计算公式。 V棱镜材料的折射率在制造时必须经过精密测量，当要求时，要求不大于。(精密测角法）偏折角的测量误差包括下列因素：（1）度盘的刻线误差，用表示它的标准不确定度。（2）对准望远镜的对准误差，用表示其标准不确定度。并且有，其中是人眼直接观察时的对准误差，是望远镜的放大率。 V棱镜法 15

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 （3）读数显微镜的读数标准不确定度，用表示，这里包括了显微镜的对准误差和测微目镜的测量误差。考虑上述误差因素，偏折角的测量标准不确定度为：因为每测量一次角。必须包括两次对准望远镜的对准过程和两次读数显微镜的读数过程，所以上式中有系数2。当要求时，应不大于6″。 V棱镜法 16

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 例现有一次测量，得到，已知。计算得到，设：则根据（3-8）有：代入式（3-7）可得： V棱镜法 17

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 • 这样的测量不确定度已不能满足大多数光学仪器对光学玻璃的折射率测量要求。 • 上面讨论的是影响测量不确定度的一些主要因素，此外，还有： • V棱镜的形状误差、 • 被测玻璃样品的角度误差、 • 折射液的折射率误差、 • 仪器的调整误差、 • 测量环境误差等等。 • 但只要按一定要求控制这些误差，就能使V棱镜折光仪的测量不确定度不大于。 V棱镜法 18

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 • 注意事项（其他影响精度的因素） • 平行光管光束高于V棱镜槽下尖端，平行光管光轴通过度盘转轴。 • V棱镜角度要求 V棱镜法 • 3.浸液和被测试样直角误差按体积比法配置浸液 4.零位要求平行光管光轴对于V棱镜入射面垂直度测量时应保证度盘零位误差小于 19

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 • 5.样品折射率受温度影响空气折射率受温度、气压、湿度等影响如果不是在 • 标准条件下必须对其进行修正测量时要求温度，气压p0=101325 Pa湿度f0=1.333KPa如超出要进行修正 (1)样品折射率的修正 V棱镜法样品折射率随温度变化的修正量折射率温度系数：温度每升高一摄氏度折射率的增长值 t 测量环境的温度 (2)空气折射率的修正 P气压Pa，t空气温度压强101325Pa、温度15摄氏度时空气折射率与湿度的关系 20

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 空气折射率和CO2含量的关系单位 V棱镜法真空中波数 f 水蒸气气压 X CO2在空气中含量五．优缺点测量范围广作业：已知V棱镜折射率求 21

A M M′ P C B 第一节光学玻璃折射率与色散的测量一、测量原理单色平行光PM经被测棱镜AB面入射后，从AC面沿方向射出，入射光线与出射光线间的夹角称为偏向角。当时，值最小，称为最小偏向角。在最小偏向角情况下，有公式：测出被测棱镜的顶角A和最小偏向角，即可求出棱镜折射率。最小偏向角法 P′ 22

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 最小偏向角法 23

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 二、测量方法测量工作在分光仪上进行，分光仪（精密测角仪）上基本结构：（1）平行光管——给出无穷远的目标；（2）带有阿贝式自准直目镜的望远镜——对被测三棱镜表面自准直以及与平行光管狭缝像对准，（3）度盘和读数系统——读数方法为游标对准读数方式。 3.测量方法及步骤（1）调整分光仪：将三棱镜（被测试样）放在承物台上（注意三棱镜三个表面与承物台下的三个调节螺钉一致），通过调节承物台下的三个螺钉使分别使三个表面的自准直像在望远镜视场中的高低位置一致以保证三棱镜主截面与度盘旋转轴垂直（三棱镜存在棱差时，应使构成顶角A的两个表面自准直像高低一致。最小偏向角法 24

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 （2）测量顶角A：转动自准直望远镜对构成顶角A的一面自准直，读出读数；再转动自准直望远镜对另一面自准直，再读数，两次读数差的角与顶角A互补，即：最小偏向角法 A M M′ P C B 25

A M M′ C B 第一节光学玻璃折射率与色散的测量（3）测量最小偏向角：用单色平行光照明平行光管的狭缝像，平行光管射出的平行光从三棱镜AB面入射，由AC面射出，转动自准直望远镜找到狭缝亮像时，慢慢逆时针、顺时针反复转动承物台，如果看到狭缝亮像像棱镜顶角A的方向移出视场，则可少量转动自准直望远镜使狭缝亮像进入视场，然后继续转动承物台，直到在视场中找到狭缝亮像刚要往回走的位置，并转动望远镜使其分划板中心与此位置的狭缝亮像对准，即可读出读数；最小偏向角法 26

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 取下三棱镜，转动望远镜对准平行光管，使平行光管狭缝亮像与自准直望远镜分划板中心对准，再读数；两次读数差即为。将所测顶角A、最小偏向角代入计算公式即可算出照明单色光的折射率大小。如用钠黄光照明狭缝，则可得折射率。最小偏向角法 A M M′ C B 27

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 提高测量准确度的措施----三像法（1）准确确定最小偏向角的位置。实验中当接近以最小偏向角折射时，折射狭缝亮像移动很慢，刚要往回走（最小偏向角)位置是很不容易确定的。我们可以借助三棱镜的内、外反射像与视场中的折射像的相对位置，准确确定最小偏向角的位置（如图所示）： a）若棱镜的∠ B与∠ C严格相等时，转动承物台，使内、外反射像、折射像三个重合，即为最小偏向角（也可是外反射像与折射像重合）最小偏向角法 A b c a d B C f e g 28

g 第一节光学玻璃折射率与色散的测量内反射像在棱镜内经三个表面反射一次从出射面射出进入自准直望远镜的像；外反射像指光线没有进入棱镜，只从棱镜底面反射进入自准直望远镜的像指b）棱镜的∠ B与∠ C不相等，转动承物台，三个像不可能重合，让内反射像与外反射像分布在折射像的两旁，使内反射像到折射像的距离为外反射像到折射像的距离的二倍时，可大致认为是最小偏向角的位置。最小偏向角法 29

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 （2）以三棱镜三个角分别为顶角测出，取平均数代入计算公式进行就计算。但该棱镜的三个角的差值不能超过几秒。 4.测量误差由间接测量标准不确定度传播律公式：折射率的测量标准不确定度为：其中：最小偏向角法顶角A测量标准不确定度最小偏向角测量标准不确定度 30

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 三、误差分析最小偏向角法大精度提高但大入射角大光能损失大视场变暗瞄准精度降低且棱镜 =40~60 尺寸大故时则当精度 31

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 大入射角大光能损失大视场变暗瞄准精度降低且棱镜 • 四、注意事项 • （1）玻璃应力、条纹均匀性气泡度双折射要求好表面光圈小于四分之一光圈棱镜工作面边长不小于25毫米。 • （2）温度气压修正。 • 五、优缺点 • 1.优点：精度高、测量范围广、不需折射液不用标准块 • 2.缺点：仪器较贵重、被测件材料加工要求严格要抛光、操作复杂麻烦速度低。最小偏向角法 32

直角照射法 第一节光学玻璃折射率与色散的测量 1.测量原理如图所示，对一个三棱镜的被测样品，要求平行光束对向一个棱（如图中AB棱）并垂直于底面（BC面）照射，入射平行光束被分成两半，分别经AB、BC面和AC面。经AC、BC面折射后，产生两束折射光，测角仪测出两束光的夹角后，可以由公式求出被测样品的折射率。由于本方法要求平行光束垂直底面照射，故称为直角照射法。 33

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 原理公式见图，由光路1得：由光路2得：并有：同理，依次以B、C为顶角，可得与上述 7个公式类似的两组14个公式，又因故有直角照射法 34

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 利用上述关系可以导出该方法的原理公式：当直接测量时，利用下列关系式：求出代入（3-10）式就可以利用计算机精确求出被测玻璃的折射率。直角照射法 35

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 直接测量与直接测量比较，可以减少瞄准次数并且受入射光与底面垂直的影响较少，故精确度较高。上述分别通过A、B、C三个顶角入射，测出的方法，称为封闭测量法。 • 当玻璃的折射率较高（例如大于1.8），若试件做成等边三棱镜，则光束会在棱镜内发生全反射。为此可做成顶角大于 60度的等腰棱镜，平行光束对向这个角入射，则不会发生全反射。但不能进行封闭测量，只能得到一组7个方程，由这组方程可得到入下等式：直角照射法 36

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 测出角度后，应用计算机也可以求出折射率。但其准确度不如封闭测量法高。 2.测量方法 • 在测角仪的工作台上放一块两平面严格平行、两平面皆镀铝的方形玻璃板，调整自准直望远镜，使它对玻璃板的两平面皆自准直（即望远镜视准轴垂直于平面），这时自准直望远镜视轴垂直于度盘转轴。再调整平行光管，使其视轴与望远镜视轴一致。工作台上换上被测三棱镜，倾斜调节工作台，使自准直望远镜对三棱镜的一个平面（如BC面）自准直，这时平行光管出射的平行光垂直于BC面，如图所示。直角照射法 37

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 绕测角仪主轴转动自准望远镜，分别在位置1和2处两次对准从棱镜出射的平行光管的狭缝像，用仪器的读数系统读出位置1和位置2的夹角，即为；转动工作台，按同样的方法是平行光束分别垂直于AC、AB面入射，测出，，即可求出，由式求出折射率。直角照射法 1 2 38

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 3.误差分析由式（3-10）可以看出，直角照射法测量折射率的误差主要由测量角度的误差产生，先求误差与的关系，为讨论问题方便，可设此时式（3-10）可以变为：对上式求微分得：直角照射法 39

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 简写为可以看出K值与折射率n有关，表给出了不同折射率的K值以及为1″和1.5″时产生的⊿n值。 K值的大小反映了不同测量方法的误差灵敏度。就是说，在相同的测角误差的情况下，K值越小产生的折射率误差越小，说明该方法对测角误差不灵敏。因而是较好的方法。直角照射法 40

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 下面将直角照射法与最小偏向角法作一比较：假设取试样的，顶角，由表3-1查出直角照射法的。最小偏向角法的K值由下式计算：当时，最小偏向角，由上式得：可见，直角照射法的测量准确度高于最小偏向角法。例如当时，；若要求最小偏向角法的测量误差，则要求，即要使用不确定度小于1″的测角仪进行测量。直角照射法 41

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 • 影响测角误差的因素除测角仪的测角误差外还有入射平行光束平行度误差；入射光束与底面的不垂直度误差；此外还有由于测量环境引起试样折射率和空气折射率的变化而产生的折射率误差。现分析如下：（1）入射试样的平行光管的平行度。当光束的会聚角或发散角为0.5″时，经计算的折射率的误差。可见该项误差影响大，必须采用第一章第二章介绍的五棱镜法调校测角仪的平行光管。由于平行光管物镜色差的影响，每次更换单色光照明时，必须重新调校平行光管。直角照射法 42

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 （2）平行光束与底面的垂直度。设光束对底面的倾角为，假定已知折射率n的情况下，可以求出的偏差，再由式（3-13）求出。设，得，可见该项误差影响很小。（3）测量的环境影响，测量过程中应保证环境的温度为，气压为。如果测量环境不符合上述要求，则应对测量结果作温度修正和气压修正。环境条件修正问题可以归结为两方面，一是样品折射率的环境温度修正，而是环境的空气折射率修正。直角照射法 43

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 自准直法 44

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 全反射临界角法 45

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 如果介质A对于介质B是疏物质，即nA<nB时，则折射角β必小于入射角α，当入射角α为900时，sinα=1,这时折射角达到最大值，称为临界角，用β0表示。很明显，在一定波长与一定条件下，β0也是一个常数，它与折光率的关系是： n=1/sinβ0 可见通过测定临界角β0，就可以得到折射率，这就是通常所用阿贝（Abbe）折光仪的基本光学原理。全反射临界角法 46

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 1-反射镜； 2-辅助棱镜； 3-测量棱镜； 4-消色散棱镜； 5-物镜； 6-分划板； 7、8-目镜； 9-分划板； 10-物镜； 11-转向棱镜； 12-照明度盘； 13-毛玻璃； 14-小反光镜。全反射临界角法阿贝折射仪光学系统示意图 47

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 1-测量望远镜； 2-消色散手柄； 3-恒温水入口； 4-温度计； 5-测量棱镜； 6-铰链； 7-辅助棱镜； 8-加液槽； 9-反射镜； 10-读数望远镜； 11-转轴； 12-刻度盘罩； 13-闭合旋钮； 14-底座全反射临界角法阿贝折射仪外形图 48

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 1-测量望远镜； 2-消色散手柄； 3-恒温水入口； 4-温度计； 5-测量棱镜； 6-铰链； 7-辅助棱镜； 8-加液槽； 9-反射镜； 10-读数望远镜； 11-转轴； 12-刻度盘罩； 13-闭合旋钮； 14-底座全反射临界角法 WYA-S数字阿贝折射仪外形结构示意图 49

第一节光学玻璃折射率与色散的测量 全反射临界角法 1.反射镜 2. 转轴折光棱镜 3. 遮光板 4. 温度计 5. 进光棱镜 6. 色散调节手轮 7. 色散值刻度圈 8. 目镜 9. 盖板 10. 棱镜锁紧手轮 11. 折射棱镜座 12. 照明刻度盘聚光镜 13. 温度计座 14. 底座 15. 折射率刻度调节手轮 16. 调节物镜螺丝孔 17. 壳体 18. 恒温器接头 50

第二章 光学玻璃主要光学性能测量