基于扫频干涉的光学镜片厚度与折射率测量

发布时间：2020-08-01 12:47

【摘要】：扫频干涉测量方法是一种性能优异的测量方法,相对于其他的测量手段它具有精度较高、不存在测距盲区和能够测量绝对距离以及非合作目标等优势。在使用较大的扫频带宽的情况下,此方法即使在测量目标回光强度较低的情况下依旧可以获得较高的测量精度,这使得它在测量透明光学元件的折射率和厚度上拥有了独特的优势。本文主要研究了基于线性扫频干涉测量系统的光学元件折射率和厚度测量技术,设计单扫频干涉和双扫频干涉两种测量系统对目标折射率和厚度进行测量,并通过理论分析和仿真验证了这两种测量方案的特性和可行性,最后搭建了对目标光学元件的折射率和厚度测量系统,证明这两种系统都能以的较高的精度对目标元件的折射率和厚度进行测量。在理论分析部分中,分析了单扫频干涉测量技术和双扫频干涉测量技术的基本原理,并分析了激光器调频非线性、辅助干涉仪光纤色散和目标振动导致的多普勒效应对于这两种扫频干涉测量系统的测量带来的影响,并对应这些影响因素各自的特性给出了消除的方法。并根据实际情况和文献资料对折射率和厚度的测量方案进行了基本的设计。在测量系统搭建以及性能测试部分中,分别搭建了单扫频干涉测量系统和双扫频干涉测量系统的测距光路并编写了自动控制程序用于进行快速的测量和对焦。通过实验分别测试两者的合作和非合作目标的测量能力。通过仿真和实验对这两种系统的多目标测量能力进行验证。并对这两个系统的单目标和多目标测量能力进行不确定度分析。在之前仿真和实验的基础上搭建了用于测量光学元件折射率和厚度的测量装置,经过实验测得单扫频干涉测量系统的折射率测量重复性为4.32×10~(-4)(k=2,折射率无量纲)厚度测量重复性为2.4μm(k=2),双扫频干涉测量系统的折射率测量重复性为6.80×10~(-4)(k=2,折射率无量纲)厚度测量重复性为3.2μm(k=2)。通过之前的不确定度分析和实验结果导出了折射率和厚度测量的相对不确定度的公式,经验证其与实际情况相符。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH74
【图文】：

光路图,干涉仪

图 2-1 双波长干涉仪的光路图[16]，德国的 Karl Meiners-Hagen 等人提出了一种使用双波锥棱镜）运动路径中折射率的方法，在这个系统所使类似于单频激光干涉仪[16]。如图 2-1 所示，倍频的 YV532nm 和 1064nm 的激光经分光后进入之后的干涉光路两个不同位置的探测器所接收，最终依靠经过改进的 E果就可以推导处目标运动距离的真实值和这个运动径个方法的优势在于可以在尽量少的使用空气参数传感器折射率，但这种方法在享受了单频激光干涉测量原理易受闲区误差干扰的劣势[17]。年，在欧洲计量研究计划的资助下 J. Guillory 等人将相激光测遥仪中，由于这个项目中所研究的测遥仪使用可以获得真正的绝对距离[18]，从而避免了被闲区误差（近似无水蒸气分压）的情况下不需要任何额外传感要一些湿度和温度传感器来辅助测量[19]。

示意图,频域,示意图,路径

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文不将被测物放入光路的情况下测量一下整个参考路径的光程长传感器测量整个路径中的空气参数；然后将被测物移动到光路个路径的光程长度和被测物的厚度对应光程，并测量这时路径后就可以用之前测量到的参数和空气折射率（由路径中的空气出）计算出物体的厚度和折射率。线性扫频干涉测量系统在两果的示意图（这里测量结果已经都转换为测量干涉仪光程差 2-2 所示。其中反射峰 τ0对应于单扫频测量系统的光纤端面， τ1而后表面对应 τ2，参考镜在前后两次测量对应的反射峰不同里假定端面对应的延迟为 0。

实物,实验装置,测距系统

6 647.93334 647.93811 4.8 3.97 768.26280 768.26136 -1.4 5.08 908.35200 908.34783 -4.2 3.09 1044.33068 1044.33007 0.6 3.7由表中数据可知在各位置目标的测量标准差可以控制在 5μm 以内，与真值差可以控制在 4.8μm 以内，造成这些偏差的主要原因是滑块的振动。4.2 非合作目标的测量实验在之前与单频激光干涉仪的比对实验中，目标角锥镜头与双扫频测距系统头固定在同一导轨上，这时的目标可以看作是几乎没有相对振动的合作目标是在实际情况中如果目标所在的环境没有那么理想，目标与扫频测距系统之会存在相对振动，为了观测这种振动对于单扫频测距系统的影响，进行了非目标的测距实验。实验光路由单扫频测距光路、聚焦镜头和距离镜头 10m 左台面的目标金属板组成。实验装置的各部分如图 3-9 所示：

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