测量光学玻璃折射率的方法与技巧

作为成像光学系统的介质材料，光学玻璃对折射率的要求是很严格的。在光学玻璃的整个熔制过程中，需要不断地进行折射率测量，以便控制折射率的变化和及时纠正偏差，保证成品玻璃的折射率在严格的质量指标范围内。

众所周知，折射率是以光在真空中的传播速度与在介质中的传播速度之比来定义的。但要通过测量光的速度来测量折射率显然是很难办到的。光学玻璃折射率的测量主要借助于折射定律，即通过测量光线在不同介质中传播时偏折的角度来实现的。测角技术是测量光学玻璃折射率的基础。下面将详细介绍常用的V棱镜法测量光学玻璃的折射率。

1.测量原理

图4−7为测量原理图。V棱镜是一块带有“V”形缺口的长方形棱镜。它是由两块材料完全相同、折射率均为n0的直角棱镜胶合而成。V形缺口的张角为∠AED =90°，两个尖棱的角度为∠BAE=∠CDE=45°。

图4−7　V棱镜法测量折射率

1—V形棱镜；2—被测样品

将被测玻璃样品磨出构成90°的两个平面，放在V形缺口内。由于样品角度加工的误差，被测样品的两个面和V形缺口的两个面之间会有空隙，需要在中间填充一些折射率和被测样品折射率接近的液体，这种液体称为折射液。其作用一是防止光线在界面上发生全反射；二是即使样品加工90°角不准确，加上折射液之后，近似于一个准确的90°角；三是样品表面只需细磨，免去抛光的麻烦。

以单色平行光垂直射入V棱镜的AB面。如果被测样品的折射率n和已知的V棱镜折射率n0相同，则整个V棱镜加上被测玻璃样品就像一块平行平板玻璃一样，光线在两接触面上不发生偏折，所以最后的出射光线也将不发生任何偏折。如果两者折射率不相等，则光线在接触面上发生偏折，最后的出射光线相对于入射光线就要产生一偏折角θ，如图4−7所示。很明显，偏折角θ的大小和被测玻璃样品的折射率n有关。V棱镜法就是通过测量偏折角θ的准确值，计算出被测玻璃的折射率n。

如图4−7（a）所示为被测玻璃折射率大于已知的V棱镜材料折射率（n＞n0）情况下，垂直入射面的光线通过各分界面时光线偏折的方向。在各界面上，依次应用折射定律可写出下列公式：

式中，ω1为光线在AE界面上的折射方向和最初入射光线方向的夹角；ω2为光线在ED界面上的折射方向和最初入射光线方向的夹角。

在方程组（4−2）中，消去ω1和ω2，就得到被测玻璃折射率n和光线偏折角θ之间的关系式：

如果n＜n0，则光线通过时的偏折方向如图4−7（b）所示。此时可写出下列方程组：

同样方法消去ω1和ω2，可得到如下关系式：

将式（4−3）和式（4−5）合写成一个式子

式（4−6）是V棱镜法的原理公式。测得出射光线相对于最初入射光线方向的偏折角θ，根据已知的V棱镜材料折射率n0，就可以计算出被测玻璃的折射率n。(www.xing528.com)

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（4−6）中的正负号可根据出射光线的偏折方向来确定。如图4−7（a）所示方向偏折时，取正号；如图4−7（b）所示方向偏折时，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的情况，度盘上θ角的读数是在0°～30°范围内；对于n＜n0的情况，θ角的读数是在360°～330°范围内。

2.V棱镜折光仪

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，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。目前，国内外生产多种型号的V棱镜折光仪。分析和比较国内生产的几种仪器以后，在光学玻璃测试方法的国家标准中，采用了国产JCZ−l型V棱镜折光仪作为普通光学玻璃折射率测量的标准仪器。

图4−8是其光学系统图，它主要由平行光管、V棱镜、对准望远镜、度盘和读数显微镜等组成。

平行光管给出一束单色平行光，其视轴应和V棱镜入射面垂直。分划板4上刻有一条和V棱镜的V形缺口底棱相平行的细线作为目标线。为了减少杂散光，分划板上透光部分只有中间一条窄带，其余部分不透光。分划板由单色光源通过聚光镜2和滤光片3照亮。

对准望远镜用于对准平行光管的目标线经过V棱镜和被测玻璃的像。它由望远物镜8、分划板9和目镜10组成。对准望远镜和度盘14连在一起绕水平主轴0—0旋转，使它对准出射光线的方向。它的分划板上是一对短双线，如图4−9所示，用它作为目标线像的瞄准线。图中还给出了在对准望远镜视场中所看到的正好对准目标线像时的图像。为了保证在可见光范围内用各波长单色光照明时，目标线像与短双线之间都看不出视差，准直物镜5和望远物镜8都应采用复消色差物镜。

读数显微镜是用来读出度盘转角的读数的。它由读数显微物镜15、梯形棱镜16和测微目镜组成。这里采用的是阿基米德螺旋线式测微目镜。仪器度盘的分划格值为1°，利用测微目镜细分，可以读到0.001°。图4−9是读数显微镜的视场情况，图中读数为14.815 4°，最后一位是估读的。

图4−8　JCZ−1型V棱镜折光仪光学系统

1—光源棱镜；2—聚光镜；3—滤光片；4，9—分划板；5，11—准直物镜；6—V棱镜；7—直角棱镜；8—望远物镜；10，19—目镜；11—准直物镜；12—毛玻璃；13，16—棱镜；14—度盘；15—读数显微物镜；17—螺旋线分划板；18—固定分划板

图4−9　读数视场

3.测量方法

光线的偏折角θ按下列步骤进行测量（图4−8）：

（1）首先要调节仪器的零位，即当对准望远镜直接瞄准来自平行光管的没有偏折的光线时，读数应是0°。本仪器带有一块校正零位用的标准玻璃块，它是从制造V棱镜的同一块玻璃上切割下来加工而成的。调整零位时，将它放在V棱镜的缺口内，中间加上少许折射率与已知的n0接近的折射液。由于V棱镜与标准块的折射率完全相同，光线通过时不发生偏折。用对准望远镜的瞄准双线对准平行光管的目标线像，此时读数应为。如有偏差应校正好，或者记下零位读数，在以后的读数中减去。

（2）在被测玻璃样品的两直角面上涂上少许与样品折射率接近的折射液，然后将它放在V棱镜的缺口内。并注意排除其间的气泡。

（3）转动对准望远镜，找到平行光管目标线的像，并用瞄准双线与之对准。

（4）用读数显微镜的测微目镜读出此时度盘位置的准确读数。经零位修正后就是所要测量的偏折角θ。

（5）利用式（4−6）就可计算出被测玻璃的折射率n。为了适应快速测量的需要，通常采用事先编制好的θ与δn=（n−n0）的表格。根据测得的θ值，使用表格数据进行插值计算就可得到n值。表格及其使用方法可参考有关资料。