光电微课堂 |光学玻璃均匀性测量

光学均匀性指同一块玻璃中各点折射率的不一致性，通常由退火炉内各处温度不均等引起；可用玻璃中各部分折射率偏差最大值Δn max来表示，按GB/T7962.2–2010中方法测量，分为4级。均匀性指标应根据其应用及光学元件的最终尺寸来确定。这通常与所需的测试孔径（例如物理尺寸的95％）内的最大折射率变化相对应。

折射率不均匀性 ：可采用透射干涉法测量切片或同炉试片（口径不大于 Φ250mm）的折射率不均匀性，检测波长 0.6328μm，测量值△ n/n ≤４×10 - ５，某些高质量光学玻璃折射率偏差在10-6或更高级别 。

光学玻璃均匀性测量方法较多，包括全息干涉法、干涉测量法、刀口仪阴影法、分辨率比值法等，其中干涉测量法最为常用——既能测量光学玻璃折射率的变化值，又能看清折射率变化的部位，精度高。刀口仪阴影法较适合光学车间大口径镜面毛坯的检测。

因是测定光学材料“内部”均匀性，在使用干涉仪测试时，就需要自透射结果中去掉被测样品前表面，后表面，以及标准镜和参考镜的影响，然后除以被测样品的长度，才最终得到内部光学均匀性结果。它的意义在于在单位长度上折射率变化的分布。使用机械移相式菲索式激光干涉仪，是通过四步完成测定光学均匀性的。

另外，采用干涉仪测试，要求样品前后表面都已光学抛光，且保持一定的楔角。如前后表面过于平行，在测试一个表面时，另一个表面的干涉条纹会同时出现，造成干扰。基于该限制，对于不同口径，建议样品前后表面的平行度范围为：

100mm: 5 to 25 弧分

150mm: 3.5 to 35弧分

300mm: 2 to 66 弧分

450mm: 1 to 85 弧分

这样测试片具有一定的楔角，测量多次，△ n/n 的算术平均值可满足要求。折射率不均匀性△ n 的测试原理如图 1 所示。

图 1 折射率不均匀性测试原理

其中：

1. 光源；2. 准直系统；3. 平面板；4. 被测样品；5. 标准反射镜；6. 精密调整台；7. 成像传感器；8. 数据采集和处理系统；

W i 为入射波面波像差分布函数；

W 1 为标准参考平面 AB 内反射面和样品前表面 CD 反射波面干涉后的波像差；

W 2 为标准参考平面 AB 内反射波面和样品后表面 EF 内反射波面干涉后的波像差；

W 3 为标准参考平面AB内反射波面和样品透射波面干涉后的波像差；

W 4 为移去样品后，标准参考平面 AB 内反射波面和测试反射镜 GH反射波面干涉后的波像差。

折射率不均匀性测试装置由 激光光源、准直系统、平面板、标准反射镜、摄像机及计算机处理系统组成，通过测试四幅干涉图像计算获得折射率差的分布。按照公式（1）和（2）计算折射率差分布的PV值和RMS值作为光学材料的折射率不均匀性的绝对值。

其中，折射率差分布 Δn （x，y）按照以下步骤获得，如图 2所示。按照图 2 所示步骤依次调试出四幅干涉图，分别由以下波面两两相干：

⑴标准参考平面内反射波面与样品前表面反射波面干涉，检测出波像差 W1 ；

⑵标准参考平面内反射波面与样品后表面内反射波面干涉，检测出波像差 W2 ；

⑶标准参考平面内反射波面与样品的透射波面干涉，检测出波像差 W3 ；

⑷移去样品，标准参考平面反射波面与测试反射镜反射波面干涉，检测出波像差W4。

图 2 干涉仪测试步骤

W i ：入射波面分布函数；

Z 1 ：被测光学材料前表面的面形偏差分布函数；

Z 2 ：被测光学材料后表面的面形偏差分布函数；

Z 3 ：测试平面反射镜的面形偏差分布函数。

W 1 ~W 4 分别用公式（3）~ 公式（6）表示 ：

式中， 

W1—待检样品前表面 Z1 反射的波前误差，单位μm ；

W2—经待检样品透射后表面Z2反射回的波前误差，单位μm；

W3—经待检样品透射，再经测试平面镜镜面Z3反射回的波前误差，单位μm ；

W4—移去待检样品后的干涉仪空腔波前误差，单位μm ；

n0—待检样品在该指定红外波长的折射率标称值 ；

t0—待检样品的平均厚度，单位㎜。

折射率不均匀性 Δn 与上述波像差满足如下关系 ：