光学玻璃主要光学性能测量
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5
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
一．测量原理
n0 sin 45 o n sin(45 0 ) n sin(45 0 ) n0 sin(45 0 ) n0 sin sin
A
D
450
E
解得
B
2 2 n (n0 sin n0 sin 2 )1 2
光学测量
第二章 光学玻璃主要光学性能测量
前言
光学玻璃按折射率、色散系数对标准数值的允差 分6类，同类玻璃中按折射率及色散的最大差值、一 致性分4级。 此外影响光学玻璃质量的指标还有: 光学均匀性 双折射 条纹度
气泡度
光吸收系数 耐辐射性能等。 最重要的是折射率及色散、双折射。
2
前言
3
V 棱 镜 法
10.望远镜；11.望远镜分划板；12.望
远镜瞄准目镜；13.度盘读数目镜； 14.度盘视准分划板；15.金属度盘； 16.测微手轮；17.刹车手轮；18.微动
手轮；19.读数照明开关；20.读数照
明灯
9
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
V 棱 镜 法
10
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
一、测量原理 单色平行光PM经被测棱镜AB面入射后，从AC面沿 M 方 P 向射出，入射光线与出射光线间的夹角 称为偏向角。当 i1 i2 , i1 i2 时， 值最小，称为最小偏向角 。在最小偏 向角情况下，有公式：
100cm3 volume of glass
0 1 2 3 4 5
0 – 0.029mm2 0.03 – 0.10mm2 0.11 – 0.25mm2 0.26 – 0.50mm2 0.51 – 1.00mm2 1.01 – 2.00mm2
Index uniformity
(A) Normal Quality (N) tested for striae and birefringence in one direction. Normal quality ⇒ variation of nd ≤ ± 1x10-4, within one melt. NH1 - ∆ nd ≤ ± 2x10-5 within one melt NH2 - ∆ nd ≤ ± 5x10-6 within one blank (B) Precision Quality (P) tested in one or more directions ∆nd ≤ ± 5x10-6 within one blank
V 棱 镜 法
C
6
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
当 n n0时，式中取正号；当 n n0 时，式中取负号。 由于在测量前并不知道是n n0 还是 n n0，式中的正 负号可根据出射光线的偏折方向来确定。如图所示 方向偏折时取正号；取负号。对于应用这种原理的 专用测量仪器----V棱镜折光仪。则利用度盘上的度 数来区分正负号。对于 n n0 ，度盘上的 角的读数 是在0°～30°范围内；对于 n n0 的情况， 角 的读数是在360°～330°范围内。
这种液体称为折射液。其作用:
防止光线在界面上发生全反射， 即使样品加工90°角不准确，加上折射液之后，近似于一 个准确的90°角。 样品表面只需要细磨，免去抛光的麻烦。
V 棱 镜 法
12
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
因V棱镜法具有测量精度高，测量速度快和测量范围广等
特点，所以光学玻璃的生产和使用单位广泛采用这种方法，
V1 n2 n L V2 n L n1
4.零位要求平行光管光轴对于V棱镜入射面垂直度 0.3
测量时应保证度盘 零位误差小于 0.3
V 棱 镜 法
19
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
5.样品折射率受温度影响空气折射率受温度、气压、湿度等影响如果不是在 0 标准条件下必须对其进行修正 测量时要求温度 20 0 2，气压p0=101325 500 Pa湿度f0=1.333KPa如超出要进行修正 (1)样品折射率的修正 n0t (t 20) n 0t 样品折射率随温度变化的修正量
V棱镜材料折射率的测量标准不确定度
偏折角的测量标准不确定度
可求得
n n0 sin2 1 2 n0 n 2(n 2 n0 )
2 n sin 2 (n0 2 sin2 ) 2 4n(n 2 n0 )
V 棱 镜 法
14
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
31
500 500 6 0.4 58 125
考虑上述误差因素，偏折角的测量标准不确定度
( ) 为：
2 2 12 2 2 32 2 12 3 2 2 0.4 2 3.4 1.6 10 5 (rad )
n 1.64750 sin2 (6.26080) 1 1.00065 2 2 n0 1.701038 2(1.701038 1.64750 ) n sin(2 6.26080) 1.647502 2 sin2 (6.26808) 0.4782 2 2 4 1.701038 (1.701038 1.64750 )
V 棱 镜 法
18
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
注意事项（其他影响精度的因素） 1.平行光管光束高于V棱镜槽下尖端，平行光管光轴通过度盘 转轴。 2.V棱镜角度要求
45 0 1, 90 0 10
3.浸液和被测试样直角误差 90 0 1, n 0.015 按体积比法配置浸液
折射率温度系数：温度射率的修正
P(n 1)15 1 10 8 (0.601 0.00972 t ) P (n 1) tp 96095 .43 1 0.00366610 t
V 棱 镜 法
P气压Pa，t空气温度 0 C 压强101325Pa、温度15摄氏度时
了国产JCZ-1型V棱镜折光仪做为普通光学玻璃折射率测量 的标准仪器。
13
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
4.测量误差 根据间接测量的标准不确定度传播公式，折射率的测量标准 不确定度 (n) 可写为：
2 n 2 n 2 n n (n0 ) ( ) 0 2
n
2 2 n0 sin2 2 sin2 2 (n0 2 sin2 ) 2 ( ) 1 (n0 ) 2 2 2 2 2 2 n 2(n n0 ) 16n (n n0 )
这就是V棱镜法折射率测量标准不确定度 n的计算公式。 V棱镜材料的折射率在制造时必须经过精密测量，当要求 (n) 2 10 5 时，要求 (n0 ) 不大于 2 10 6。(精密测角法） 偏折角 的测量误差包括下列因素： （1）度盘的刻线误差，用 1 表示它的标准不确定度。 3 （2）对准望远镜的对准误差，用 2表示其标准不确定度。并 且有 2 / ，其中 是人眼直接观察时的对准误差， 是望远镜的放大率。
(n 1)15 [8343 .05 2406294 (130 2 ) 1 15999 (38.9 2 ) 1 ] 10 8
空气折射率与湿度的关系
20
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
ntpf ntp f (5.722 0.457 2 ) 10 8
(n 1) x [1 0.540 ( X 0.0003 ]( n 1)
空气折射率和CO2含量的关系
真空中波数 1 / 0 单位 1 / m f 水蒸气气压 X CO2在空气中含量
五．优缺点
优点 缺点 精度高 (1 ~ 2) 10 5 浸液要求高配 置周期长 零件不用抛光
测量范围广 n 2.0
仪器较贵重
V 棱 镜 法
5 0 作业：已知V棱镜折射率 n0 1.64750, n0 1 10 , 9 , 3
求 n, n ?
n 1.69866,
n
1.2 10 5
21
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
前言
Table 1. Schott Bubble and index uniformity specifications
Bubble classification (includes all bubbles and inclusions ≥ 0.06mm)
Bubble Group Total bubble cross-section per
V 棱 镜 法
代入式（3-7）可得：
(n) 1.00065 2 (5 10 6 ) 2 0.47582 2 (30 10 6 ) 2 1.5 10 5
17
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
(n) 1.00065 2 (5 10 6 ) 2 0.47582 2 (30 10 6 ) 2 1.5 10 5
所用仪器称为V棱镜折光仪。 这种仪器实际上是一台立式精密测角仪。它除了作为角度
测量仪器要求有较高精度的底盘和轴系外，对光学系统还要
求较小的二级光谱，并要求杂散光少和成像清晰等。 国内外生产多种型号的V棱镜折光仪。分析和比较国内生
V 棱 镜 法
产的几种仪器后，在光学玻璃测试方法的国家标准中，采用
1
6 1 6
V 棱 镜 法
15
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
（3）读数显微镜的读数标准不确定度，用 3表示，这里包括 了显微镜的对准误差和测微目镜的测量误差。
3
2a x 2 0.073 500 3438
0.073 ax
方法
①定零位 在和V块折射率相同的标准块上涂上相近浸液然后放入V 块，转动望远系统使之瞄准平行光管狭缝的像， 此时读数显微镜的读数应为零，如不为零记下读数
②换上被测试样（上面也涂浸液），转动望远系统使之 重新瞄准平行光管狭缝象记下读数两次读数之差为 ③根据 值查表求n
V 棱 镜 法
11
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
4
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
一．折射率的定义:光在真空中传播的速度与在介 质中的传播速度之比 二、测量折射率的方法 测量光学玻璃常用的方法主要是V棱镜法、 最小偏向角法、全反射临界角法、自准直法、 直角照射法等 三．色散 色散系数 n D 1 n F nC 部分色散 nD nC , nF nD
V 棱 镜 法
因为每测量一次 角。必须包括两次对准望远镜的对准过程 和两次读数显微镜的读数过程，所以上式中有系数2。当要求 (n) 2 105 时， ( ) 应不大于6″。
16
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
例 现有一次测量，得到 6.2608 0，已知 n0 1.64750 。 计算得到 n 1.701038 ，设： ( ) 6 30 10 6 rad 则根据（3-8）有：
这样的测量不确定度已不能满足大多数光学仪器对光学玻 璃的折射率测量要求。 上面讨论的是影响测量不确定度的一些主要因素，此外， 还有：
V棱镜的形状误差、 被测玻璃样品的角度误差、 折射液的折射率误差、 仪器的调整误差、 测量环境误差等等。 但只要按一定要求控制这些误差，就能使V棱镜折光仪的测量不确 定度不大于 2 10 5 。
V 棱 镜 法
7
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
V 棱 镜 法
8
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
二、测量装置及方法
V棱镜 折射仪
2º 43.45′
1.光源；2聚光镜；3.滤色镜；4.平行 光管分划板；5.平行光管分划板上的 透光狭缝(中心有一根单丝)；6.平行 光管；7.V棱镜；8.样品；9.转向棱镜；
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
一．测量原理
n0 sin 45 o n sin(45 0 ) n sin(45 0 ) n0 sin(45 0 ) n0 sin sin
A
D
450
E
解得
B
2 2 n (n0 sin n0 sin 2 )1 2
光学测量
第二章 光学玻璃主要光学性能测量
前言
光学玻璃按折射率、色散系数对标准数值的允差 分6类，同类玻璃中按折射率及色散的最大差值、一 致性分4级。 此外影响光学玻璃质量的指标还有: 光学均匀性 双折射 条纹度
气泡度
光吸收系数 耐辐射性能等。 最重要的是折射率及色散、双折射。
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前言
3
V 棱 镜 法
10.望远镜；11.望远镜分划板；12.望
远镜瞄准目镜；13.度盘读数目镜； 14.度盘视准分划板；15.金属度盘； 16.测微手轮；17.刹车手轮；18.微动
手轮；19.读数照明开关；20.读数照
明灯
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
一、测量原理 单色平行光PM经被测棱镜AB面入射后，从AC面沿 M 方 P 向射出，入射光线与出射光线间的夹角 称为偏向角。当 i1 i2 , i1 i2 时， 值最小，称为最小偏向角 。在最小偏 向角情况下，有公式：
100cm3 volume of glass
0 1 2 3 4 5
0 – 0.029mm2 0.03 – 0.10mm2 0.11 – 0.25mm2 0.26 – 0.50mm2 0.51 – 1.00mm2 1.01 – 2.00mm2
Index uniformity
(A) Normal Quality (N) tested for striae and birefringence in one direction. Normal quality ⇒ variation of nd ≤ ± 1x10-4, within one melt. NH1 - ∆ nd ≤ ± 2x10-5 within one melt NH2 - ∆ nd ≤ ± 5x10-6 within one blank (B) Precision Quality (P) tested in one or more directions ∆nd ≤ ± 5x10-6 within one blank
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
当 n n0时，式中取正号；当 n n0 时，式中取负号。 由于在测量前并不知道是n n0 还是 n n0，式中的正 负号可根据出射光线的偏折方向来确定。如图所示 方向偏折时取正号；取负号。对于应用这种原理的 专用测量仪器----V棱镜折光仪。则利用度盘上的度 数来区分正负号。对于 n n0 ，度盘上的 角的读数 是在0°～30°范围内；对于 n n0 的情况， 角 的读数是在360°～330°范围内。
这种液体称为折射液。其作用:
防止光线在界面上发生全反射， 即使样品加工90°角不准确，加上折射液之后，近似于一 个准确的90°角。 样品表面只需要细磨，免去抛光的麻烦。
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
因V棱镜法具有测量精度高，测量速度快和测量范围广等
特点，所以光学玻璃的生产和使用单位广泛采用这种方法，
V1 n2 n L V2 n L n1
4.零位要求平行光管光轴对于V棱镜入射面垂直度 0.3
测量时应保证度盘 零位误差小于 0.3
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
5.样品折射率受温度影响空气折射率受温度、气压、湿度等影响如果不是在 0 标准条件下必须对其进行修正 测量时要求温度 20 0 2，气压p0=101325 500 Pa湿度f0=1.333KPa如超出要进行修正 (1)样品折射率的修正 n0t (t 20) n 0t 样品折射率随温度变化的修正量
V棱镜材料折射率的测量标准不确定度
偏折角的测量标准不确定度
可求得
n n0 sin2 1 2 n0 n 2(n 2 n0 )
2 n sin 2 (n0 2 sin2 ) 2 4n(n 2 n0 )
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
31
500 500 6 0.4 58 125
考虑上述误差因素，偏折角的测量标准不确定度
( ) 为：
2 2 12 2 2 32 2 12 3 2 2 0.4 2 3.4 1.6 10 5 (rad )
n 1.64750 sin2 (6.26080) 1 1.00065 2 2 n0 1.701038 2(1.701038 1.64750 ) n sin(2 6.26080) 1.647502 2 sin2 (6.26808) 0.4782 2 2 4 1.701038 (1.701038 1.64750 )
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
注意事项（其他影响精度的因素） 1.平行光管光束高于V棱镜槽下尖端，平行光管光轴通过度盘 转轴。 2.V棱镜角度要求
45 0 1, 90 0 10
3.浸液和被测试样直角误差 90 0 1, n 0.015 按体积比法配置浸液
折射率温度系数：温度射率的修正
P(n 1)15 1 10 8 (0.601 0.00972 t ) P (n 1) tp 96095 .43 1 0.00366610 t
V 棱 镜 法
P气压Pa，t空气温度 0 C 压强101325Pa、温度15摄氏度时
了国产JCZ-1型V棱镜折光仪做为普通光学玻璃折射率测量 的标准仪器。
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
4.测量误差 根据间接测量的标准不确定度传播公式，折射率的测量标准 不确定度 (n) 可写为：
2 n 2 n 2 n n (n0 ) ( ) 0 2
n
2 2 n0 sin2 2 sin2 2 (n0 2 sin2 ) 2 ( ) 1 (n0 ) 2 2 2 2 2 2 n 2(n n0 ) 16n (n n0 )
这就是V棱镜法折射率测量标准不确定度 n的计算公式。 V棱镜材料的折射率在制造时必须经过精密测量，当要求 (n) 2 10 5 时，要求 (n0 ) 不大于 2 10 6。(精密测角法） 偏折角 的测量误差包括下列因素： （1）度盘的刻线误差，用 1 表示它的标准不确定度。 3 （2）对准望远镜的对准误差，用 2表示其标准不确定度。并 且有 2 / ，其中 是人眼直接观察时的对准误差， 是望远镜的放大率。
(n 1)15 [8343 .05 2406294 (130 2 ) 1 15999 (38.9 2 ) 1 ] 10 8
空气折射率与湿度的关系
20
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
ntpf ntp f (5.722 0.457 2 ) 10 8
(n 1) x [1 0.540 ( X 0.0003 ]( n 1)
空气折射率和CO2含量的关系
真空中波数 1 / 0 单位 1 / m f 水蒸气气压 X CO2在空气中含量
五．优缺点
优点 缺点 精度高 (1 ~ 2) 10 5 浸液要求高配 置周期长 零件不用抛光
测量范围广 n 2.0
仪器较贵重
V 棱 镜 法
5 0 作业：已知V棱镜折射率 n0 1.64750, n0 1 10 , 9 , 3
求 n, n ?
n 1.69866,
n
1.2 10 5
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
前言
Table 1. Schott Bubble and index uniformity specifications
Bubble classification (includes all bubbles and inclusions ≥ 0.06mm)
Bubble Group Total bubble cross-section per
V 棱 镜 法
代入式（3-7）可得：
(n) 1.00065 2 (5 10 6 ) 2 0.47582 2 (30 10 6 ) 2 1.5 10 5
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
(n) 1.00065 2 (5 10 6 ) 2 0.47582 2 (30 10 6 ) 2 1.5 10 5
所用仪器称为V棱镜折光仪。 这种仪器实际上是一台立式精密测角仪。它除了作为角度
测量仪器要求有较高精度的底盘和轴系外，对光学系统还要
求较小的二级光谱，并要求杂散光少和成像清晰等。 国内外生产多种型号的V棱镜折光仪。分析和比较国内生
V 棱 镜 法
产的几种仪器后，在光学玻璃测试方法的国家标准中，采用
1
6 1 6
V 棱 镜 法
15
第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
（3）读数显微镜的读数标准不确定度，用 3表示，这里包括 了显微镜的对准误差和测微目镜的测量误差。
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2a x 2 0.073 500 3438
0.073 ax
方法
①定零位 在和V块折射率相同的标准块上涂上相近浸液然后放入V 块，转动望远系统使之瞄准平行光管狭缝的像， 此时读数显微镜的读数应为零，如不为零记下读数
②换上被测试样（上面也涂浸液），转动望远系统使之 重新瞄准平行光管狭缝象记下读数两次读数之差为 ③根据 值查表求n
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
一．折射率的定义:光在真空中传播的速度与在介 质中的传播速度之比 二、测量折射率的方法 测量光学玻璃常用的方法主要是V棱镜法、 最小偏向角法、全反射临界角法、自准直法、 直角照射法等 三．色散 色散系数 n D 1 n F nC 部分色散 nD nC , nF nD
V 棱 镜 法
因为每测量一次 角。必须包括两次对准望远镜的对准过程 和两次读数显微镜的读数过程，所以上式中有系数2。当要求 (n) 2 105 时， ( ) 应不大于6″。
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
例 现有一次测量，得到 6.2608 0，已知 n0 1.64750 。 计算得到 n 1.701038 ，设： ( ) 6 30 10 6 rad 则根据（3-8）有：
这样的测量不确定度已不能满足大多数光学仪器对光学玻 璃的折射率测量要求。 上面讨论的是影响测量不确定度的一些主要因素，此外， 还有：
V棱镜的形状误差、 被测玻璃样品的角度误差、 折射液的折射率误差、 仪器的调整误差、 测量环境误差等等。 但只要按一定要求控制这些误差，就能使V棱镜折光仪的测量不确 定度不大于 2 10 5 。
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
V 棱 镜 法
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第一节 光学玻璃折射率与色散的测量
二、测量装置及方法
V棱镜 折射仪
2º 43.45′
1.光源；2聚光镜；3.滤色镜；4.平行 光管分划板；5.平行光管分划板上的 透光狭缝(中心有一根单丝)；6.平行 光管；7.V棱镜；8.样品；9.转向棱镜；