本發(fā)明涉及光學干涉測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

聚合物薄膜目前被廣泛地應(yīng)用于高新工業(yè)的多項領(lǐng)域，例如微機電系統(tǒng)中的隔熱絕緣材料和航空航天設(shè)備中的力學涂層等。在使用過程中，聚合物薄膜通常處于溫度變化的環(huán)境當中，而聚合物薄膜的力學和光學特性與自身溫度有關(guān)，為了保證薄膜材料在溫度變化環(huán)境下的力學和光學性能，需要進行相關(guān)的測量。溫度變化下聚合物薄膜的力學和光學特性通常指溫度-應(yīng)變和溫度-折射率，而溫度-應(yīng)變的測量又需要預(yù)知材料的溫度-折射率，因此溫度-折射率的測量就顯得格外重要。

目前常用的聚合物薄膜折射率的測量方法主要有測角法和反射法兩大類。其中測角法主要利用光線在進入被測薄膜過程中入射角和折射角之間的關(guān)系對薄膜折射率進行測量，這種方法主要有最小偏向角法、直角照準法、自準直法和v棱鏡折射儀法等，但是這種方法通常需要對被測材料進行加工，不適合在線測量。另外，反射方法主要利用光的干涉現(xiàn)象對光程進行測量，再結(jié)合其與薄膜厚度、折射率的關(guān)系，解調(diào)出被測樣件的折射率。反射方法主要有法布里-珀羅干涉儀法、浸液法和光學相干層析法等，反射方法能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式的無損測量，不損壞被測薄膜，但測量精度較低，通常只能達到10^-4，且一些方法不能實現(xiàn)隨著溫度變化過程中薄膜自身結(jié)構(gòu)的變化，進行測量，故無法用于研究材料的溫度-折射率特性。

綜上所述，如何有效地提高薄膜溫度導致的薄膜折射率變化量的測量精度，是目前本領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的第一個目的在于提供一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法，該非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法的可以有效地提高薄膜溫度導致的薄膜折射率變化量，本發(fā)明的第二個目的是提供一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置。

為了達到上述第一個目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法，包括：

將來自光源的光分成強度相等的兩束光；

所述強度相等的兩束光中的一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在所述被測薄膜上，所述強度相等的兩束光中的另一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在參考板上；

所述被測薄膜和所述參考板所處的溫度為t1時，對從所述被測薄膜和參考板反射出的光進行光譜分析，計算得出被測薄膜的厚度d以及折射率n1；

改變所述被測薄膜所處的溫度，所述被測薄膜所處的溫度由t1變至t2；

計算得出所述被測薄膜所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

優(yōu)選地，上述非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法中，計算得出被測薄膜的厚度d以及折射率n1，具體為：

其中，n0為空氣處于溫度t1時的折射率，λ1為處于溫度t1的所述參考板前表面的光學長度，λ2為處于溫度t1的所述被測薄膜前表面的光學長度，λ3為處于溫度t1的所述被測薄膜后表面的光學長度。

優(yōu)選地，上述非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法中，λ1＝π·fk1,k1＝2π/λ1,λ1為從處于溫度t1的所述參考板前表面反射出的光的光譜的波長；

λ2＝π·fk2,k2＝2π/λ2,λ2為從處于溫度t1的所述被測薄膜前表面反射出的光的光譜的波長；

λ3＝π·fk3,k3＝2π/λ3,λ3為從處于溫度t1的所述被測薄膜后表面反射出的光的光譜的波長。

優(yōu)選地，上述非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法中，計算得出所述被測薄膜所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1，具體為：

其中，δλ1為溫度由t1變至t2后所述參考板前表面的光學長度變化量；δλ2為溫度由t1變至t2后所述被測薄膜前表面的光學長度變化量；δλ3為溫度由t1變至t2后所述被測薄膜后表面的光學長度變化量；δn0為溫度由t1變至t2后空氣折射率的變化量。

一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置，包括：

光源；

與所述光源的光輸出端連接的光纖耦合器，且所述光纖耦合器能夠?qū)碜怨庠吹墓夥殖蓮姸认嗟鹊膬墒猓?/p>

第一凸透鏡和第二凸透鏡，且所述第一凸透鏡和第二凸透鏡的主光軸重合設(shè)置；

參考板，所述強度相等的兩束光中的一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在所述被測薄膜上，所述強度相等的兩束光中的另一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在參考板上；

溫度加載器，所述參考板和被測薄膜均置于所述溫度加載器內(nèi)，所述溫度加載器能夠改變所述參考板和被測薄膜所處的溫度；

光譜儀，其能夠得到從所述被測薄膜的前表面反射出的光的光譜、從所述被測薄膜的后表面反射出的光的光譜以及從所述參考板反射出的光的光譜；

信號處理系統(tǒng)，其能夠根據(jù)所述光譜儀獲得的光譜計算得出所述被測薄膜所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

優(yōu)選地，上述非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置中，所述光源為低相干寬帶光源。

優(yōu)選地，上述非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置中，所述被測薄膜為環(huán)氧樹脂薄膜或硅膠薄膜。

本發(fā)明提供的非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法，包括步驟：

s1：將來自光源的光分成強度相等的兩束光；

即通過光源射出光，具體可以通過低相干寬帶光源射出一束光，并將來自光源的光分成強度相等的兩束光，具體可以通過光纖耦合器將來自光源的光分成強度相等的兩束光，該兩束光的強度均為光源射出的光強度的50％。

s2：所述強度相等的兩束光中的一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在所述被測薄膜上，所述強度相等的兩束光中的另一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在參考板上；

即步驟s1中得到的強度相等的兩束光均依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡，然后其中一束照射在被測薄膜上，另一束照射在參考板上。被測薄膜和參考板并排布置。

s3：所述被測薄膜和所述參考板所處的溫度為t1時，對從所述被測薄膜和參考板反射出的光進行光譜分析，計算得出被測薄膜的厚度d以及折射率n1；

當被測薄膜和參考板所處的溫度均為t1時，從被測薄膜反射出的光依次穿過第二凸透鏡和第一凸透鏡，對從被測薄膜反射出的且依次穿過第二凸透鏡和第一凸透鏡的光進行光譜分析；從參考板反射出的光依次穿過第二凸透鏡和第一凸透鏡，對從參考板反射出的且依次穿過第二凸透鏡和第一凸透鏡的光進行光譜分析；最終計算得出被測薄膜的厚度d以及被測薄膜所處溫度為t1時的折射率n1。具體可以使用光譜儀對從所述被測薄膜和參考板反射出的光進行光譜分析，從被測薄膜反射出的光依次穿過第二凸透鏡和第一凸透鏡后再經(jīng)過光纖耦合器進入光譜儀中，同樣地，從參考板反射出的光依次穿過第二凸透鏡和第一凸透鏡后再經(jīng)過光纖耦合器進入光譜儀中。

s4：改變所述被測薄膜所處的溫度，所述被測薄膜所處的溫度由t1變至t2；

具體地，可以將被測薄膜置于溫度加載器中，通過溫度加載器改變被測薄膜所處的溫度，使被測薄膜所處的溫度由t1變至t2。

s5：計算得出被測薄膜所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

最后，根據(jù)溫度由t1變至t2后，被測薄膜前表面光程差、被測薄膜后表面光程差、參考板前表面的光程差、被測薄膜的厚度以及空氣折射率計算得出被測薄膜所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

為了達到上述第二個目的，本發(fā)明還提供了一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置，該非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置包括光源、光纖耦合器、第一凸透鏡、第二凸透鏡、參考板、溫度加載器、光譜儀以及信號處理系統(tǒng)。其中，光纖耦合器的光輸入端與光源的光輸出端連接，光纖耦合器能夠?qū)碜怨庠吹墓夥殖蓮姸认嗟鹊膬墒?。第一凸透鏡和第二凸透鏡的主光軸重合設(shè)置，從光纖耦合器的光輸出端輸出的兩束光均依次經(jīng)過第一凸透鏡和第二凸透鏡。強度相等的兩束光中的一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在被測薄膜上，強度相等的兩束光中的另一束光依次穿過第一凸透鏡和第二凸透鏡后照射在參考板上。另外，參考板和被測薄膜均置于溫度加載器內(nèi)，溫度加載器能夠改變參考板和被測薄膜所處的溫度。光譜儀能夠得到被測薄膜前表面反射光、被測薄膜后表面反射光以及參考板反射光相互干涉的干涉光譜。其中，從被測薄膜的后表面反射出的光、從被測薄膜的前表面反射出的光以及從參考板反射出的光可以均依次穿過第二凸透鏡、第一凸透鏡和光纖耦合器后進入光譜儀，進而光譜儀得出對應(yīng)的光譜。信號處理系統(tǒng)能夠根據(jù)光譜儀獲得的光譜計算得出被測薄膜所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。具體地，信號處理系統(tǒng)對從被測薄膜的前表面反射出的光的光譜、從被測薄膜的后表面反射出的光的光譜以及從參考板反射出的光的光譜進行分析并計算得出被測薄膜所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

應(yīng)用本發(fā)明提供的非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法和裝置時，可以通過改變被測薄膜和參考板所處的溫度，得出被測薄膜隨著溫度變化折射率的變化值，具有動態(tài)測量能力。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實施例提供的非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的環(huán)氧樹脂薄膜的光程差隨溫度變化的曲線圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的環(huán)氧樹脂薄膜的折射率隨溫度變化的曲線圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的硅膠薄膜的光程差隨溫度變化的曲線圖；

圖5為本發(fā)明實施例提供的硅膠薄膜的折射率隨溫度變化的曲線圖。

在圖1-5中：

1-光纖耦合器、2-低相干寬帶光源、3-第一凸透鏡、4-第二凸透鏡、5-參考板、6-溫度加載器、7-被測薄膜、8-光譜儀、9-信號處理系統(tǒng)。

具體實施方式

本發(fā)明的第一個目的在于提供一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法，該非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法的可以有效地提高薄膜溫度導致的薄膜折射率變化量，本發(fā)明的第二個目的是提供一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置。

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

請參閱圖1-圖5，本發(fā)明提供的非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法，包括步驟：

s1：將來自光源的光分成強度相等的兩束光；

即通過光源射出光，具體可以通過低相干寬帶光源2射出一束光，并將來自光源的光分成強度相等的兩束光，具體可以通過光纖耦合器1將來自光源的光分成強度相等的兩束光，該兩束光的強度均為光源射出的光強度的50％。

s2：所述強度相等的兩束光中的一束光依次穿過第一凸透鏡3和第二凸透鏡4后照射在所述被測薄膜7上，所述強度相等的兩束光中的另一束光依次穿過第一凸透鏡3和第二凸透鏡4后照射在參考板5上；

即步驟s1中得到的強度相等的兩束光均依次穿過第一凸透鏡3和第二凸透鏡4，然后其中一束照射在被測薄膜7上，另一束照射在參考板5上。被測薄膜7和參考板5并排布置。

s3：所述被測薄膜7和所述參考板5所處的溫度為t1時，對從所述被測薄膜7和參考板5反射出的光進行光譜分析，計算得出被測薄膜7的厚度d以及折射率n1；

當被測薄膜7和參考板5所處的溫度均為t1時，從被測薄膜7反射出的光依次穿過第二凸透鏡4和第一凸透鏡3，對從被測薄膜7反射出的且依次穿過第二凸透鏡4和第一凸透鏡3的光進行光譜分析；從參考板5反射出的光依次穿過第二凸透鏡4和第一凸透鏡3，對從參考板5反射出的且依次穿過第二凸透鏡4和第一凸透鏡3的光進行光譜分析；最終計算得出被測薄膜7的厚度d以及被測薄膜7所處溫度為t1時的折射率n1。具體可以使用光譜儀8對從所述被測薄膜7和參考板5反射出的光進行光譜分析，從被測薄膜7反射出的光依次穿過第二凸透鏡4和第一凸透鏡3后再經(jīng)過光纖耦合器1進入光譜儀8中，同樣地，從參考板5反射出的光依次穿過第二凸透鏡4和第一凸透鏡3后再經(jīng)過光纖耦合器1進入光譜儀8中。

s4：改變所述被測薄膜7所處的溫度，所述被測薄膜7所處的溫度由t1變至t2；

具體地，可以將被測薄膜7和參考板5置于溫度加載器6中，通過溫度加載器6改變被測薄膜7所處的溫度，使被測薄膜7所處的溫度由t1變至t2。

s5：計算得出被測薄膜7所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

最后，根據(jù)溫度由t1變至t2后，被測薄膜7前表面光程差、被測薄膜7后表面光程差、參考板5前表面的光程差、被測薄膜7的厚度以及空氣折射率計算得出被測薄膜7所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

其中，被測薄膜7前表面是指其靠近第一凸透鏡3和第二凸透鏡4的表面，被測薄膜7后表面是指其靠近第一凸透鏡3和第二凸透鏡4的表面；從光纖耦合器1輸出的光穿過第一凸透鏡3和第二凸透鏡4后首先經(jīng)過被測薄膜7的前表面，然后經(jīng)過被測薄膜7后表面。同樣地，參考板5前表面是指其靠近第一凸透鏡3和第二凸透鏡4的表面。在圖1的實施例中被測薄膜7前表面即為其上表面，后表面即為其下表面。參考板5前表面即為其上表面。

優(yōu)選地，步驟s3中計算得出被測薄膜7的厚度d以及折射率n1，具體為：

其中，n0為空氣處于溫度t1時的折射率，λ1為處于溫度t1的參考板5前表面的光學長度，λ2為處于溫度t1的被測薄膜7前表面的光學長度，λ3為處于溫度t1的被測薄膜7后表面的光學長度。

其中，λ1＝π·fk1,k1＝2π/λ1,λ1為從處于溫度t1的參考板5前表面反射出的光的光譜的波長；具體從處于溫度t1的參考板5前表面反射出的光依次經(jīng)第二凸透鏡4、第一凸透鏡3和光纖耦合器1后進入光譜儀8，λ1為從處于溫度t1的參考板5前表面反射出的光最終進入光譜儀8的光譜的波長。fk1即由傅里葉變換得到。

λ2＝π·fk2,k2＝2π/λ2,λ2為從處于溫度t1的被測薄膜7前表面反射出的光的光譜的波長；具體從處于溫度t1的被測薄膜7前表面反射出的光依次經(jīng)第二凸透鏡4、第一凸透鏡3和光纖耦合器1后進入光譜儀8，λ2為從處于溫度t1的被測薄膜7前表面反射出的光最終進入光譜儀8的光譜的波長。fk2即由傅里葉變換得到。

λ3＝π·fk3,k3＝2π/λ3,λ3為從處于溫度t1的被測薄膜7后表面反射出的光的光譜的波長。具體從處于溫度t1的被測薄膜7后表面反射出的光依次經(jīng)第二凸透鏡4、第一凸透鏡3和光纖耦合器1后進入光譜儀8，λ3為從處于溫度t1的被測薄膜7后表面反射出的光最終進入光譜儀8的光譜的波長。fk3即由傅里葉變換得到。

進一步地，步驟s5中，計算得出被測薄膜7所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1，具體為：

其中，δλ1為溫度由t1變至t2后參考板5前表面的光學長度變化量即光程差；δλ2為溫度由t1變至t2后被測薄膜7前表面的光學長度變化量即光程差；δλ3為溫度由t1變至t2后薄膜后表面的光學長度變化量即光程差；δn0為溫度由t1變至t2后空氣折射率的變化量。δλ1、δλ2以及δλ3可以根據(jù)光譜中得到。

具體，當溫度為t2時，λ11為處于溫度t2的參考板5前表面的光學長度，λ22為處于溫度t2的被測薄膜7前表面的光學長度，λ33為處于溫度t2的被測薄膜7后表面的光學長度。δλ1即為λ1與λ11的差值，δλ2即為λ2與λ22的差值，δλ3即為λ3與λ33的差值，其中λ11、λ22和λ33與λ1、λ2和λ3的計算方式相同。

為了達到上述第二個目的，本發(fā)明還提供了一種非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置，該非接觸式薄膜溫度-折射率測量裝置包括光源、光纖耦合器1、第一凸透鏡3、第二凸透鏡4、參考板5、溫度加載器6、光譜儀8以及信號處理系統(tǒng)9。其中，光纖耦合器1的光輸入端與光源的光輸出端連接，光纖耦合器1能夠?qū)碜怨庠吹墓夥殖蓮姸认嗟鹊膬墒?。第一凸透鏡3和第二凸透鏡4的主光軸重合設(shè)置，從光纖耦合器1的光輸出端輸出的兩束光均依次經(jīng)過第一凸透鏡3和第二凸透鏡4。強度相等的兩束光中的一束光依次穿過第一凸透鏡3和第二凸透鏡4后照射在被測薄膜7上，強度相等的兩束光中的另一束光依次穿過第一凸透鏡3和第二凸透鏡4后照射在參考板5上。另外，參考板5和被測薄膜7均置于溫度加載器6內(nèi)，溫度加載器6能夠改變參考板5和被測薄膜7所處的溫度。光譜儀8能夠得到被測薄膜前表面反射光、被測薄膜后表面反射光以及參考板5反射光相互干涉的干涉光譜。其中，從被測薄膜的后表面反射出的光、從被測薄膜的前表面反射出的光以及從參考板反射出的光可以均依次穿過第二凸透鏡4、第一凸透鏡3和光纖耦合器1后進入光譜儀8，進而光譜儀8得出對應(yīng)的光譜。信號處理系統(tǒng)9能夠根據(jù)光譜儀8獲得的光譜計算得出被測薄膜7所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。具體地，信號處理系統(tǒng)9對從被測薄膜7的前表面反射出的光的光譜、從被測薄膜7的后表面反射出的光的光譜以及從參考板5反射出的光的光譜進行分析并計算得出被測薄膜7所處的溫度由t1變至t2后其折射率的變化量δn1。

應(yīng)用本發(fā)明提供的非接觸式薄膜溫度-折射率測量方法和裝置時，可以通過改變被測薄膜7和參考板5所處的溫度，得出被測薄膜7隨著溫度變化折射率的變化值，具有動態(tài)測量能力。

優(yōu)選地，光源為低相干寬帶光源2，在此不作限定。

被測薄膜7可以為環(huán)氧樹脂薄膜或硅膠薄膜。圖2-5為環(huán)氧樹脂薄膜和硅膠薄膜從40℃升溫至90℃時測量結(jié)果。圖2為參考板5前表面、環(huán)氧樹脂薄膜前表面以及環(huán)氧樹脂薄膜后表面的光程差隨溫度變化的曲線圖。圖3為環(huán)氧樹脂薄膜的折射率隨溫度變化的曲線圖。圖4為參考板5前表面、硅膠薄膜前表面以及硅膠薄膜后表面的光程差隨溫度變化的曲線圖。圖5為硅膠薄膜的折射率隨溫度變化的曲線圖。對比圖3-5可以看出，硅膠材料折射率隨溫度的變化量大于環(huán)氧樹脂材料，約為環(huán)氧樹脂材料折射率變化量的8倍。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。