低相干激光差动共焦干涉元件折射率及厚度测量方法

The refractive index and thickness of finished components is difficult to achieve the convenient, accurate and non-contact measurement is an international problem, To solve the problem we proposed the low-coherence interferometry and differential confocal measurement method for component refractive index and thickness, and it use the differential confocal technique to focus the sample to get the optical distance between the front and back surface of the sample, use the low-coherence interferometry technique to focus the sample to get the optical path difference between the front and back surface of the sample, and then use the ray-tracing algorithm to connect the refractive index, thickness to the optical distance and the optical path difference to compute the refractive index and thickness value of the sample.The research content include:1) low-coherence laser differential confocal and interferometry method and thory for component refractive index and thickness measurement; 2) the method to improve the contrast of the low-coherence interferometry and the differential confocal chromatography ability; 3) the method to optimize the measurement data dealing algorithm, the analysis of the affect of the measurement error on result; 4) build the low-coherence differential confocal and interferometry set up to verify the proposed method; Indicators to be achieved is: Axial focusing resolution is better than 5nm; the thickness of the test sample <30mm; the accuracy of the refractive index measurement is better than 5×10-4.This project will provide a new method to measure the refractive index and thickness of finished component, and the research content has important scientific significance and application prospects.

制造后球面元件的折射率与厚度的高精度、非接触测量仍然是国际性的测量难题，基于此，本项目提出研究元件折射率及厚度低相干激光差动共焦干涉测量新方法，其利用差动共焦技术实现对被测元件的高精度层析定焦，获得样品前后表面的光学距离，利用低相干干涉技术对样品进行层析定焦获得样品前后表面的光程差，然后通过光线追迹算法对样品的折射率、厚度和测量的光学距离、光程差进行关联并计算得到元件的折射率和厚度值。内容包括：1）低相干激光差动共焦干涉成品元件折射率和厚度测量方法；2）提高低相干干涉对比度和差动共焦层析定焦能力的方法；3）测量数据处理计算的优化方法；4）测量误差对结果的影响分析；5）实验系统构建及实验验证等。拟达到指标为：轴向定焦分辨力优于5nm；被测样品厚度<30mm；折射率测量精度5×10-4。本项目有望为元件的折射率和厚度提供一种全新的测量方法，研究内容具有重要的科学意义及应用前景。

球面光学元件由于其优良的加工性能仍被作为极其重要的基本光学元件广泛应用于现代光学仪器设备中，其性能参数的精确测量对于保证光学仪器精度具有重要作用。针对球面光学元件折射率的测量需求，课题组在国家自然科学基金科学青年基金项目“低相干差动共焦干涉元件折射率及厚度测量方法（编号：51405020）” 的资助下，开展了深入研究，取得如下研究成果：.1)提出了低相干激光差动共焦干涉元件折射率及厚度测量方法，其利用差动共焦光路对被测元件进行高精度层析定焦，结合光线追迹算法对建立起被测元件的折射率表征方程，继而实现了被测球面元件折射率的高精度非接触测量；.2)提出了激光差动共焦光瞳调制技术，改善了差动共焦光路层析定焦精度；提出了单光线表征技术，提高了光线追迹算法的效率，并减少了截断误差积累，提高了计算精度；基于上述技术构建了测试实验装置；.3)基于构建的测试实验装置，开展了元件折射率测量实验，验证了本项目提出技术的可行性，并利用研制的标准样品组开展了测试方法溯源标定研究；.4)建立了球面元件测量误差分析模型，分析了测量装置中的误差来源并进行了标定和补偿，基于蒙特卡洛方法对元件折射率测量结果进行了不确定度评定等。.上述研究为球面元件折射率测量提供了理论与技术基础。围绕激光差动共焦球面元件折射率测量方法和技术，共发表学术论文8篇，其中7篇发表在SCI检索国际期刊上，并有3篇发表在国际光学领域权威期刊Optics Express上，申请发明专利3项。参加国内会议4次。激光差动共焦球面元件折射率测量技术已在可见和红外透镜元件折射率的测量中得到应用，下一步计划开展本项目技术仪器化研究，以期拓展其应用领域。