测量厚度和折射率的双共焦方法及测量装置

摘要

本发明涉及测量厚度和折射率的双共焦方法及装置。由同轴且对称布置的两个带光电探测器的共焦滤波光组构成双共焦系统，两个共焦光组可以沿公共轴线相对移动。当两个共焦滤波光组的前焦点重合时，光电探测器的响应为一极大值，而离焦时响应值迅速下降；将被测物垂直置于二共焦滤波光组之间，把任一光组的前焦点调至被测物表面时，光电探测器的响应亦为一极大值，离焦时则响应值急剧减小。利用这两个特性，可以对二共焦滤波光组的前焦点进行精确定位，并测定被测物的几何厚度；对于透明材料，可以同时测定几何厚度和折射率。本发明适用于材料力学实验及其它场合的厚度和折射率测量。

主权项

1.测量厚度和折射率的双共焦方法，其特征是，采用构造相同且同轴、对称布置的两个共焦滤波光组I和II构成双共焦光路系统；两个共焦滤波光组分别安装在两个三维移动台(22、23)顶部的基座板(19、20)上，沿双共焦光路系统的公共水平轴线x相对移动；共焦滤波光组I包括沿公共轴线x从右向左依次设置的第一探测物镜(10)、第一部分反射镜(9)、遮挡主光线的第一光栏(17)、第一共焦透镜(8)、第一针孔滤波器(7)和第一光电探测器(6)，第一部分反射镜(9)与轴线x成45°角，第一针孔滤波器(7)的通光孔位于第一共焦透镜(8)的后焦点处；共焦滤波光组II由沿公共轴线x从左向右依次设置的第二探测物镜(12)、第二部分反射镜(13)、遮挡主光线的第二光栏(18)、第二共焦透镜(14)、第二针孔滤波器(15)和第二光电探测器(16)，第二部分反射镜(13)与轴线x成45°角，第二针孔滤波器(15)的通光孔位于第二共焦透镜(14)的后焦点处；光源系统设置在双共焦光路系统的一侧；光源系统包括光源(1)、分束镜(2)、第一平面反射镜(3)、第二平面反射镜(4)和第三平面反射镜(5)，光源(1)、分束镜(2)和第二平面反射镜(4)固定在底板(21)上，其中分束镜(2)与水平方向呈45°角斜置，第二平面反射镜(4)位于双共焦光路系统和分束镜(2)之间且与分束镜(2)垂直，第一平面反射镜(3)与水平方向呈45°角斜置固定在第一基座板(19)上，第三平面反射镜(5)与水平方向呈45°角斜置固定在第二基座板(20)上；光源(1)产生垂直于双共焦滤波系统的轴线x的平行光束，此平行光束以45°角入射分束镜(2)，被分束镜(2)分解为反射光R和透射光T；反射光R以45°角入射第一平面反射镜(3)，被第一平面反射镜(3)反射后以45°角入射第一部分反射镜(9)，成为共焦滤波光组I的探测光束；透射光T以45°角入射第二平面反射镜(4)，被第二平面反射镜(4)反射后以45°角入射第三平面反射镜(5)，被第三平面反射镜(5)反射后以45°角入射第二部分反射镜(13)，成为共焦滤波光组II的探测光束；测量步骤如下：(1)、设定测量基准点：对光路系统进行初始调整，用两个三维移动台(22、23)分别移动共焦滤波光组I和共焦滤波光组II，当第一光电探测器(6)的响应值R1或第二光电探测器(16)的响应值R2达到最大值时，共焦滤波光组I的前焦点O与共焦滤波光组II的前焦点O′重合，此重合点即为测量基准点；(2)、测定几何移程：将被测物(11)垂直放置于共焦滤波光组I和共焦滤波光组II之间，并固定在底板(21)上，用两个三维移动台(22、23)使共焦滤波光组I和共焦滤波光组II分别沿轴线x方向移动，将共焦滤波光组I的前焦点O由基准点移向被测物(11)的前表面q，当第一光电探测器(6)的响应R1达到极大值时，共焦滤波光组I的前焦点O刚好处在被测物(11)的前表面q上，用第一三维移动台(22)测出共焦滤波光组I的移动距离，得几何移程d1；将共焦滤波光组II的前焦点O′由基准点移向被测物(11)的后表面h，当第二光电探测器(16)的响应R2达到极大值时，共焦滤波光组II的前焦点O′刚好处在被测物(11)的后表面h上，用第二三维移动台(23)测出共焦滤波光组II的移动距离，得几何移程d2；测量几何移程时，规定向右移动共焦滤波光组I和共焦滤波光组II，测得的几何移程d1和d2为正值，而向左移动共焦滤波光组I和共焦滤波光组II，测得的几何移程d1和d2为负值；(3)、测定光学移程：用第一三维移动台(22)使共焦滤波光组I沿系统轴线x由被测物(11)的前表面q移动到后表面h，或者由被测物(11)的后表面h移动到前表面q，当共焦滤波光组I的前焦点O通过被测物(11)的前表面q和后表面h时，第一光电探测器(6)的响应R1各出现一次极大值，用第一三维移动台(22)测出共焦滤波光组I与第一光电探测器(6)前后两次极大响应值对应的的移动距离，得光学移程Δd；或者用第二三维移动台(23)使共焦滤波光组II沿系统轴线x由被测物(11)的前表面q移动到后表面h，或者由被测物(11)的后表面h移动到前表面q，当共焦滤波光组II的前焦点O′通过被测物(11)的前表面q和后表面h时，第二光电探测器(16)的响应R2各出现一次极大值，用第二三维移动台(23)测出共焦滤波光组II与第二光电探测器(16)前后两次极大响应值对应的的移动距离，得到光学移程Δd；(4)、按公式(1)计算被测物(11)的几何厚度δ，δ＝d2-d1 (1)；(5)、按公式(2)计算被测物(11)的折射率n，$n=\frac{{\Delta }_d}{\delta }---\left(2\right).$