郭寶會(huì)

摘 要： 本文提出了非接觸式激光測量玻璃厚度和折射率的方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法能夠測量未知玻璃片的厚度和折射率，且誤差較小，將來可用于光學(xué)儀器的測量中。

關(guān)鍵詞：非接觸；激光測量；厚度；折射率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.23.208

非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。這是因?yàn)樵趯?shí)際測量中，由于接觸測量會(huì)導(dǎo)致被測件表面被污染以及形變，加之在生產(chǎn)生活中某些接觸測量會(huì)對(duì)人或儀器有傷害，非接觸測量成為了一種新的測量手段[1]。非接觸測量方法包括等傾干涉法[2]、等厚干涉[3]、CCD測量像素標(biāo)定法[4]等，其中等傾干涉法獲得的光斑條紋不易讀數(shù)，誤差較大；等厚干涉法需要在被測表面鍍上反射薄膜，影響了被測物體的后續(xù)使用；CCD測量像素標(biāo)定法對(duì)儀器精度要求比較高，而且激光照射過來并不是一個(gè)點(diǎn)，而是在一定范圍內(nèi)分散的，影響了測量精度。本文提出了一種高精度的非接觸式激光測量的方法，以未知參數(shù)的玻璃儀器為被測對(duì)象，研究該方法的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)原理及過程

眾所周知，光通過物質(zhì)時(shí)，光波的電矢量使物質(zhì)結(jié)構(gòu)中的帶電粒子做受迫振動(dòng)，光的一部分能量用來供給這種受迫振動(dòng)所消耗的能量，即穿過物質(zhì)會(huì)發(fā)生能量損耗，結(jié)果在理論上滿足郎伯比定律：

其中I透為透射光的強(qiáng)度，I入為入射光的強(qiáng)度，為吸收系數(shù)，只與材料的性質(zhì)有關(guān)與厚度無關(guān)，在單色光照射時(shí)，可認(rèn)為不變。若已知，只要測出入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，可求出玻璃片的厚度d；若未知，可用同種材質(zhì)不同厚度的玻璃通過測量入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，先解得吸收系數(shù)，再利用（2）式解出要測玻璃片的厚度d。若要得到折射率n，利用菲涅爾公式，測出入射角和折射角及入射和反射時(shí)光的強(qiáng)度，再用MatLab進(jìn)行編成，求出n。

其中和分別為反射光和入射光的振幅，i1和i2分別為入射角和折射角，和分別為入射光矢量和折射光矢量。

2 試驗(yàn)方法和儀器

實(shí)驗(yàn)儀器：激光筆（功率P=5mv/cm2）、偏振片、分光計(jì)（精度0.0167度）、SGN-1型光功率測試儀、白屏、不同厚度普通玻璃片、未知玻璃儀器、游標(biāo)卡尺。接通光功率測試儀進(jìn)行預(yù)熱，調(diào)整好分光計(jì)，使各個(gè)光學(xué)器件共軸。通過測量不同厚度玻璃的反射光強(qiáng)及對(duì)應(yīng)的入射光強(qiáng)，用origin做圖軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得出玻璃的吸收系數(shù)，再利用得到的玻璃吸收系數(shù)結(jié)合（2）式，得出未知玻璃儀器的厚度。再利用分光計(jì)和偏振片測量入射光和折射光的振幅，利用菲涅爾公式推算出折射率。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于玻璃的吸收系數(shù)未知，首先通過測量不同厚度的玻璃片的入射光強(qiáng)和反射光強(qiáng)，擬合出玻璃的吸收系數(shù)。

3.1 吸收系數(shù)

表1為不同厚度玻璃片所獲得的測量結(jié)果。不同厚度普通玻璃片反射光強(qiáng)和入射光強(qiáng)之比與普通玻璃片厚度的線性擬合曲線，直線斜率的絕對(duì)值為玻璃的吸收系數(shù)，即ɑ=0.0854cm-1。

3.2 非接觸激光法測量的未知玻璃的厚度

反復(fù)測量得到未知玻璃片的入射光強(qiáng)度和反射光強(qiáng)度分別為I透=1.135mw，I入=1.370mw，利用（2）式計(jì)算出未知玻璃片的厚度為2.203cm。

3.3 折射率的測量

經(jīng)Matlab編程計(jì)算后未知玻璃儀器折射率的平均值為n=1.55，玻璃的標(biāo)準(zhǔn)折射率n0=1.51，絕對(duì)誤差，相對(duì)誤差，由此可看出本方法測出的折射率與玻璃的標(biāo)準(zhǔn)折射率誤差很小，說明本方法的可行性。

產(chǎn)生誤差的原因主要有：

（1）偏振片不能做到完全遮擋；

（2）光功率測試儀的精度及不穩(wěn)定性都會(huì)造成誤差；

（3）玻璃片的表面污染程度會(huì)影響光的透射；

（4）玻璃的平整度產(chǎn)生的誤差；

（5）激光筆耗電導(dǎo)致光強(qiáng)的改變。

4 結(jié)論和展望

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，在一定范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)的測量方法的精度可達(dá)到千分尺的精度，可替代千分尺接觸式測量，而且簡單易行； 另外，利用此方法還可以測量非透明物體的厚度， 擴(kuò)大了非接觸測量的范圍，該方法將來在非接觸測量場合會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]羅勝彬，宋春華，李興平，李航.非接觸測量技術(shù)發(fā)展研究綜述[J].機(jī)床與液壓，2013，41（23）：150-153.

[2]周國全，張斯磊.基于等傾干涉的二維微位移光學(xué)傳感器測距系統(tǒng)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（理學(xué)版），2010，56（05）：609-613.

[3]左則文.等厚干涉法測量薄膜厚度的兩種方法[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012，35（01）：32-34.

[4]王和順，陳次昌，黃惟公.CCD測量誤差的研究[J].光學(xué)技術(shù)，2009， 35（03）：42-45.endprint