一种偏光棱镜胶合误差的测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种偏光棱镜胶合误差的测量装置及方法，该装置包括照明点光源、扩束准直系统与CCD探测器，扩束准直系统位于照明点光源与偏光棱镜之间，照明点光源发出的自然光经扩束准直系统扩束准直后垂直入射到偏光棱镜，所述CCD探测器位于偏光棱镜反射光的出射方向，CCD探测器与计算机相连。该方法通过上述CCD探测器和计算机采集获得反射光干涉条纹光强的分布图样，根据干涉条纹光强的分布图样得出条纹间距，并利用以下算式计算得出胶合误差：

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶体偏光棱镜设计参量的测量装置及方法，尤其是涉及一种偏光棱镜胶 合误差的测量装置及方法。

背景技术

振动方向相对于传播方向是不对称的，这种现象叫做偏振，偏振是横波所特有的，也是 横波区别于纵波的一个最明显的标志。而光波作为一种横波，因此也具有偏振性。光按照偏 振性可以分为自然光，偏振光和部分偏振光。自然界中的光束，其振动方向相对于传播方向 都是对称的，称为自然光。偏振光可以分为线偏振光，椭圆偏振光等等。而将自然光转化为 偏振光，就需要借助偏光器件。例如，偏振片，玻璃堆等，偏光棱镜在其中扮演着很重要的 角色。

空气隙型棱镜一般是由两块三角形晶体胶合而成。利用偏光晶体的双折射现象，实现将 自然光转化为偏振光。而在胶合的过程中，空气隙是否平行，对于棱镜光强的透射比有着很 大的影响。把不平行的空气隙两界面之间的夹角称为胶合误差。受到实际环境和生产技术的 限制，胶合误差的存在不可避免。在一般的应用中，应当避免胶合误差的影响，然而，在一 些特殊的情况，可以借助胶合误差来实现某种特殊的光学现象。因此，测量棱镜胶合误差具 有很强的实际应用意义。

现有技术中，专利申请号为201310257381.7的中国专利公开了一种空气隙型偏光棱镜胶 合误差的测量方法，该方法利用出射光形成的干涉条纹，建立其与胶合误差的关系，来测量 胶合误差。但是，此种方法的装置结构较为复杂，实验过程中光路的调节难度较大。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种偏光棱镜胶合误差的测量装置及方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种偏光棱镜胶合误差的测量装置，包括照明点光源、扩束准直系统与CCD探测器，扩 束准直系统位于照明点光源与偏光棱镜之间，照明点光源发出的自然光经扩束准直系统扩束 准直后垂直入射到偏光棱镜，所述CCD探测器位于偏光棱镜反射光的出射方向，CCD探测器 与计算机相连。

优选的，所述偏光棱镜为格兰型偏光棱镜，如泰勒棱镜、格兰付科棱镜等。

一种偏光棱镜胶合误差的测量方法，包括以下步骤：

a在照明点光源与偏光棱镜之间放置扩束准直系统，照明点光源发出的自然光经扩束准 直系统扩束准直后垂直入射到偏光棱镜；

b在偏光棱镜反射光的出射方向放置CCD探测器，并把CCD探测器与计算机相连；

c通过上述CCD探测器和计算机采集获得反射光干涉条纹光强的分布图样，根据干涉条 纹光强的分布图样得出条纹间距，并利用以下算式计算得出胶合误差；

$\mathrm{\alpha =arccot}(\frac{2\mathrm{\Delta x}\sqrt{{n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^2}s}{\mathrm{ϵ\lambda }}+\tan r)$

$r=\arcsin \left(\frac{n_e\sin s}{n_o}\right)$

式中，α为待测胶合误差角，λ为光波波长，s为棱镜的结构角，ε为与棱镜结构有关的 比例系数，计算公式为r为光束在棱镜胶合层中的折射角，n_o为空气的 折射率，n_e为棱镜对应入射光束的折射率，Δx为测得条纹间隔。

本发明的有益技术效果是：

本发明在理论推导出反射光形成的干涉条纹的间距与待测胶合误差的关系基础上，通过 CCD探测器及计算机采集获得反射光干涉条纹光强的分布图样及随空间位置的关系曲线，从 而准确得到条纹的宽度，再利用算式计算出胶合误差；该方法形成的反射光干涉条纹非常明 显，便于观察，而且相比于测量出射光形成的干涉条纹，该测量方法更加简单方便，装置更 为简易；经实验验证本发明能够实现棱镜胶合误差的准确测量。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为光在胶合层的干涉原理示意简图；

图3为本发明实验例实测得出的反射光干涉条纹分布图样。

图中：1-光束扩束准直系统，2-CCD探测器，3-偏光棱镜，4-胶合层，Ⅰ、Ⅱ-晶体。

具体实施方式

如图1所示，一种偏光棱镜胶合误差的测量装置，包括照明点光源S、光束扩束准直系 统1与CCD探测器2。光束扩束准直系统1位于照明点光源S与偏光棱镜3之间，照明点光 源S发出的自然光经扩束准直系统1扩束准直后垂直入射到偏光棱镜3，所述CCD探测器2 位于偏光棱镜3反射光的出射方向，CCD探测器2与计算机相连。

上述偏光棱镜3为泰勒棱镜或格兰付科棱镜。

利用上述装置进行偏光棱镜胶合误差测量的方法，具体包括以下步骤：

a在照明点光源S与偏光棱镜3之间放置光束扩束准直系统1，照明点光源发出的自然光 经光束扩束准直系统1扩束准直后垂直入射到偏光棱镜。

b在偏光棱镜反射光的出射方向放置CCD探测器2，并把CCD探测器2与计算机相连。

c通过上述CCD探测器和计算机采集获得反射光干涉条纹光强的分布图样，根据干涉条 纹光强的分布图样得出条纹间距，并利用以下算式计算得出胶合误差；

$\mathrm{\alpha =arccot}(\frac{2\mathrm{\Delta x}\sqrt{{n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^2}s}{\mathrm{ϵ\lambda }}+\tan r)$

$r=\arcsin \left(\frac{n_e\sin s}{n_o}\right)$

式中，α为待测胶合误差角，λ为光波波长，s为棱镜的结构角，ε为与棱镜结构有关的 比例系数，计算公式为r为光束在棱镜胶合层中的折射角，n_o为空气的 折射率，n_e为棱镜对应入射光束的折射率，Δx为测得条纹间隔。

本发明利用反射光形成的干涉条纹，建立明条纹或暗条纹间距Δx与胶合误差α之间的数 值关系。下面对本发明的理论基础进行简要说明。

如图2所示，光束由晶体Ⅰ传入胶合层中，在A点发生折射，满足折射定律：

n_e sini＝n_o sin r

光在传播的过程中，反射光线与折射光线产生的光程差为：

δ＝n_o(AB+BC)-n_eAD+λ/2

假设在B处胶合层的厚度为e，由于胶合层的厚度非常小，基本可以看做该位置附近 胶合层的厚度一致，很显然AB，BC，AD均可以由e来表示，于是得到的简化公式，即

$\delta =2e\sqrt{({n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^{2}i)}+\lambda /2$

这里的λ/2是光由光疏介质进入光密介质时产生的半波损失。

光束垂直入射晶体时，胶合层上是入射角i等于结构角s。沿着胶合层建立一个坐标系x， 在坐标x位置处的光程差为

$\delta \left(x\right)=2(e+\frac{x}{\cot \alpha -\tan r})\sqrt{({n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^{2}s)}+\lambda /2$

其中α为胶合层的胶合误差，r为光束在棱镜胶合层的折射角。

当光程差δ(x)＝kλ时，满足k阶明条纹产生的条件。

转化后得到k阶明条纹的位置：

$x=(\frac{\mathrm{k\lambda }-\lambda /2}{2\sqrt{({n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^{2}s)}}-e)(\cot \alpha -\tan r)$

用k+1阶明条纹位置减去k阶明条纹位置，即得到了明条纹间隔：

$\Delta x^{\prime }=\frac{\lambda (\cot \alpha -\tan r)}{2\sqrt{({n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^{2}s)}}$

如图1所示，考虑到光束在棱镜的侧面出射的时候还有一个折射，实际出射的条纹间隔 Δx′与在晶体内部的条纹间隔Δx之间有一个转换关系

$\mathrm{\Delta x}=\frac{\cos {\theta }_2}{\cos {\theta }_1}\Delta x^{\prime }=\frac{\sqrt{1-{n_o}^2\mathrm{co}{s}^2\left(2s\right)}}{\sin \left(2s\right)}\Delta x^{\prime }$

令$\frac{\sqrt{1-{n_o}^2\mathrm{co}{s}^2\left(2s\right)}}{\sin \left(2s\right)}=ϵ,$则上式变为

$\mathrm{\Delta x}=\frac{\mathrm{ϵ\lambda }(\cot \alpha -\tan r)}{2\sqrt{({n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^{2}s)}}$

则误差角可表述为

$\mathrm{\alpha =arccot}(\frac{2\mathrm{\Delta x}\sqrt{{n_o}^2-{n_e}^2\mathrm{si}{n}^2}s}{\mathrm{ϵ\lambda }}+\tan r)$

$r=\arcsin \left(\frac{n_e\sin s}{n_o}\right)$

其中，α为待测胶合误差角，λ为光波波长，s为棱镜的结构角，为与棱镜结构有关的比例系数，r为光束在棱镜胶合层中的折射角，n₀为空气的折射率，n_e为 棱镜对应入射光束的折射率，Δx为测得明条纹间隔。因此，通过CCD探测器和计算机测量 出反射光干涉条纹明条纹间隔，即可以方便地求解出胶合误差角的大小。

具体实验例

以格兰-泰勒偏光棱镜为例，当可以实现棱镜的光强透射比稳定输出时所需的误差角为 α≥0.5°，利用本发明实测的反射光干涉条纹分布图样如图3所示，从图3中可得出输出光强 分布的明条纹间隔为Δx＝0.10mm，并利用上式计算可得胶合误差角为α＝0.6825°，与需要用 于光强透射比波动抑制所需要的胶合误差角α≥0.5°相一致。

上述实验表明，本发明能够实现棱镜胶合误差的准确测量。

上述方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或 明显变型方式，均应在本发明的保护范围之内。