一种低温下光学材料折射率的测量方法技术

本发明专利技术涉及光学系统成像和空间光学探测领域，公开了一种低温下光学材料折射率的测量方法。方法为：a.测量低温下真空温控室(2)的窗口对光线产生的偏折角Δw；b.测量低温下待测棱镜(24)的顶角α；c.确定待测棱镜(24)对光线产生最小偏向角的位置，并测出最小偏向角δ；d.计算待测棱镜(24)在所测低温和所测光源波长的环境下的低温折射率n。本发明专利技术可实现在30K～300K温度范围内的折射率高精度测量，测量精度可达到10‑4，可用于研究光学材料属性在低温下的变化规律，为空间光学系统的设计、优化、应用性能评估提供精确可靠的折射率数据，为光学材料特性研究提供有效的测试方法、手段和基础数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学系统成像和空间光学探测领域，尤其涉及了一种低温下光学材料折射率的测量方法，可用于研究光学材料属性在低温下的变化规律，为空间光学系统的设计、优化、应用提供精确可靠的折射率数据，为光学材料的研究提供有效的测试方法、手段和基础数据。
技术介绍
随着红外成像、红外制导等技术的发展，红外光学成像系统得到了广泛应用。光学系统低温状态下折射率的精确测量是空间红外相机系统优化设计及其在低温环境下有效应用的关键。早在2004年，美国NASA的戈达德中心就发布了其研制的低温折射率测量系统CHARMS，其样品的温控范围为15～300K，折射率测量精度达到了10-5，可实现从紫外、可见光到红外波段的样品折射率的测量，是目前国际公认的性能最好的低温折射率测量系统。在CHARMS之后，意大利INFA的科学家研制出了一种低成本的低温折射率测量系统，但其样品温控范围只有100～300K。国内关于空间可见光学系统低温折射率测量方面的研究少见报道。国防科工委光学计量一级站曾报道过类似的光学材料折射率温度系数测量装置，但其温控范围只能达到零下50摄氏度，远未达到低温的要求。此外，国内针对低温环境下可见光学材料属性的研究非常有限，缺乏低温环境下可见光学材料折射率精确测量方法与数据。这给国内空间高性能可见光学系统的设计造成了很大的困难，也是我国实现深冷空间探测所必需解决的基础性问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的测量范围小，测量数据不够精确、低温环境对光学材料和测量装置造成负面影响等问题提供了一种低温下光学材料折射率的测量方法，可以实现对光学材料在30K～300K温度范围内的折射率进行高精度测量，测量精度可以达到10-4’。为了解决现有技术存在的问题，本专利技术通过以下技术手段进行解决：针对测量过程中由于温度变化引起的样品形变对测量精度的影响问题，本专利技术提出了低温下样品顶角的测量方法和最小偏向角位置的调整方法，有效提升了折射率测量结果的精度。针对测量装置真空室窗口在温度变化时会发生形变，引起光线偏转的问题，本专利技术提出了一种温度变化时窗口形变引起的光线偏转量的测量方法，并利用测量得到的光线偏转数据对折射率分析计算过程进行修正，有效提升了折射率测量结果的精度。具体的技术方案是：一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：测量需要以下步骤：a.测量在温度T下，真空温控室的窗口相对于常温下对光线产生的偏折角Δw；b.测量温度T下待测棱镜的顶角α；c.确定温度T下待测棱镜对光线产生最小偏向角，并测出最小偏向角δ；d.算出棱镜在温度T下的低温折射率n。所测光学材料在温度T下的低温折射率为其中低温窗口对光线的偏折角Δw的测量步骤包括：所用设备包括有真空温控室，真空温控室上开有窗口一、窗口二、窗口三，真空温控室内部设有转台一，转台一上设有平面反射镜，垂直窗口一进入真空温控室的光线能经窗口三射出，垂直窗口二进入的光线能经转台一上的平面反射镜一从窗口三射出，步骤a包括以下步骤：a.1常温下，将光线穿过真空温控室上的窗口二，经转台一上的平面反射镜一后从窗口三穿出，再经读数系统中的转台二上的平面反射镜二最后在观察板上成像，记录成像的光斑位置为O1；a.2.将真空温控室温度调至T，记录光线穿过真空温控室上的窗口二和窗口后，最后在读数系统的观察板上成像的光斑位置，记录成像光斑位置为O2；a.3.调节读数系统中的转台二上的平面反射镜二，使a.2步骤中的光斑位置O2与a.1步骤中的光斑位置O1重合，记录平面反射镜二转过的角度β1；a.4.算出光线穿过真空温控室的窗口二和窗口三相对于常温下的偏折角ΔwΔw＝2β1本方案中步骤b中测量温度T下的待测棱镜的顶角α包括的步骤有：b.1.调节真空温控室内的转台一，使得穿过窗口一的平行光能够避开转台一上的待测棱镜穿过窗口三在读数系统上的观察板成像，记录成像的光斑位置O3；b.2.调节转台一使待测棱镜的一个面与X轴平行，光源发出光线穿过窗口一，经待测棱镜的反射再穿过窗口三被转台二上的平面反射镜二最后在读数系统上的观察板上成像成光斑，记录光斑的位置O4；b.3.调节转台二的平面反射镜二，使光斑O4与O3重合，记录平面反射镜二转过的角度β2；b.4.计算出待测棱镜的顶角α为：α＝45°-β2-Δw作为对本方案的进一步阐述，在步骤b的基础上，步骤c中确定待测棱镜对光线产生最小偏向角的位置和测量最小偏向角包括以下步骤：c.1.在真空温控室的温度为T时，调节转台一使光线能穿过窗口一，再经转台一上的待测棱镜折射到达窗口三、再经转台二上的平面反射镜二的反射，最后在读数系统上的观察板成像成光斑，光斑的位置,设为O5，调节转台一，使光线经过待测棱镜的不同位置折射，找到光斑位置O5最接近光线未经待测棱镜折射形成的光斑位置O3的点O51，此时待测棱镜处在最小偏向角的位置；c.2.调节转台二上的平面反射镜二，使最接近O3位置的O5与O3重合，记录平面反射镜二转过的角度β3；c.3.计算得出光线经待测棱镜偏转的最小角度，即最小偏向角δ，满足：δ＝2β3步骤d中针对步骤a、b、c所得数据，结合相关关系得出待测棱镜在所测温度和所测光线波长环境下的低温折射率n：作为本专利技术的进一步改进，读数系统使基于CCD探测器的光线偏转角测量方法的系统，用CCD代替人眼测量中利用探测器成像点位置计算光线偏转的角度。将光线方向转动的角位置转化为探测器上成像的点位置，提高了测角的对准精度，实现了光线偏向角的高精度测量。为了提高测量精确度，所述步骤b中的待测棱镜应在真空温控室的温度设置完成后，等待待测棱镜在其中达到晶体热平衡后，再开始后续测量；并且每次改变温度，需重新测量各自温度下的待测棱镜顶角和最小偏向角，避免因温度变化引起的样品形变对测量精度的影响问题。作为优选，步骤b.2中对光线进行反射的面上镀有高反膜，能够使反射光的能量足够强。本专利技术的优点在于：克服了低温环境对光学材料和测量装置造成的影响；能够实现光学材料在30K～300K温度范围内折射率的测量，克服了窗口对低温下对光线偏折角的影响，测量精度高，利用自动CCD代替人眼提高了测量精度。附图说明图1为光学材料低温折射率的测量方案流程；图2为最小偏向角法测定折射率的光路原理图；图3为实验测量装置示意图；图4为对真空室窗口形变的补偿方法示意图；图5为温度变化引起晶体几何形状变化的示意图；图6为一折射面镀高反膜的棱镜示意图；图7为测量过程中CCD成像过程的示意图一；图8为测量过程中CCD成像过程的示意图二；图9为测量最小偏向角的方法示意图。附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—光源、2—真空温控室、3—读数系统、21—窗口一、22—窗口二、23—窗口三、24—待测棱镜、25—平面反射镜一、31—观察板、32—平面反射镜二、241—高反膜、242—待测棱镜的最小偏向角位置。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明：如图1和2所示，本专利技术提出了一种低温下光学材料折射率的测量方法，本方法的测量原理为最小偏向角法。最小偏向角法测定材料折射率技术，原理如图2所示，当光线以入射角i入射到三棱镜的AB面后相继经过棱镜两个光学面AB与AC折射后，以φ角从AC面射出。出射光线和入射光线的夹角δ称为偏向角。对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：测量需要以下步骤：a.测量温度在T下，真空温控室的测量窗口相对于常温下对光线产生的偏折角Δw，温度T的范围为30K‑300K；b.测量在温度T下待测棱镜(24)的顶角α；c.确定温度在T下待测棱镜(24)对光线产生的最小偏向角，并测出最小偏向角δ；d.算出棱镜(24)在温度T下的低温折射率n。

【技术特征摘要】
1.一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：测量需要以下步骤：a.测量温度在T下，真空温控室的测量窗口相对于常温下对光线产生的偏折角Δw，温度T的范围为30K-300K；b.测量在温度T下待测棱镜(24)的顶角α；c.确定温度在T下待测棱镜(24)对光线产生的最小偏向角，并测出最小偏向角δ；d.算出棱镜(24)在温度T下的低温折射率n。2.根据权利要求1所述的一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：所用设备为读数系统(3)和真空温控室(2)，真空温控室(2)上开有窗口一(21)、窗口二(22)、窗口三(23)，真空温控室(2)内部设有转台一，转台一上设有平面反射镜(25)，垂直窗口一(21)进入真空温控室(2)的光线能经窗口三(23)射出，垂直窗口二(22)进入的光线能经转台一上的平面反射镜一(25)从窗口三(23)射出，步骤a包括以下步骤：a.1真空温控室(2)温度在300K时，将光线穿过真空温控室(2)上的窗口二(22)，经转台一上的平面反射镜一(25)后从窗口三(23)穿出，再经读数系统(3)中的转台二上的平面反射镜二(32)最后在观察板(31)上成像，记录成像的光斑位置为O1；a.2.将真空温控室(2)温度调至T，记录光线穿过真空温控室(2)上的窗口二(22)和窗口(23)后，最后在读数系统(3)的观察板(31)上成像的光斑位置，记录成像光斑位置为O2；a.3.调节读数系统(3)中的转台二上的平面反射镜二(25)，使a.2步骤中的光斑位置O2与a.1步骤中的光斑位置O1重合，记录平面反射镜二(32)转过的角度β1；a.4.算出光线穿过真空温控室(2)的窗口二(22)和窗口三(23)相对于常温下的偏折角ΔwΔw＝2β1。3.根据权利要求2所述的一种低温下光学材料折射率的测量方法，其特征在于：将平面反射镜一(25)替换为待测棱镜(24)，步骤b包括以下步骤：b.1.将真空温控室(2)内的温度设为T，调节真空温控室(2)内的转台一，使得穿过窗口一(21)的平行光能够避开转台一上的待测棱镜(24)穿过窗口三(23)在读数系统(3)上的观察板(31)成像，记录成像的光斑位置为O...

【专利技术属性】
技术研发人员：智喜洋，胡建明，王达伟，
申请(专利权)人：浙江荣智博智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33