双折射光学器件相位延迟量及快轴方向的测量方法及装置

摘要

本发明双折射光学器件相位延迟量及快轴方向的测量方法及装置，能较好解决测量过程中的测量精度差的问题，方法是：将激光器发出的一对正交双频激光进行分光分成反射光和透射光；反射光和透射光两路光中至少有一路经过改变偏振角后通过双折射被测样品测量点，然后折返再通过所述被测样品测量点，使光束中两个频率的偏振分量的相位发生不同的延迟，引起相位变化；然后使两路光在分别经过检偏器合成后，分别转化为具有不同相位差的参考拍频信号和测量拍频信号；至少获得两次相位差，就可计算出测量点相位延迟量及快轴方向；本发明方法和装置使两参数的测量变得简单并消除了原理误差和系统误差。

说明书

技术领域

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及应用激光进行双折射光学器件的相位延迟量及其快轴方向测量。

背景技术

双折射光学器件的双折射参数是衡量其性能的重要指标，包括相位延迟量及其快轴方向，可以应用在诸如光学材料的残余应力检测、光弹性测量、波片的相位延迟量测量、材料和液晶的特性检测等许多方面。

目前已有的检测方法有四分之一波片法和双频激光干涉方法。《无色光学玻璃测试方法边缘应力双折射测试方法GB7962.6-87》是基于四分之一波片测量的，采用白光光源，手工操作，目测读数，其测量精度和速度都比较低。

日本Uniopt公司采用基于双频激光的测量方法，该方法的实现装置构成如图1所示，包括：横向塞曼双频激光器101，依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的分光镜102、第一旋转台103及固定在上面的二分之一波片104、XY二维平移台105及固定在上面的被测样品106、第二旋转台107及固定在上面的测量检偏器108和测量光电探测器109，依次设置在分光镜反射光路轴线上的参考检偏器111和参考光电探测器112，与测量光电探测器109相连的测量前置放大器110、参考前置放大器113，以及相位测量单元114、模数转换器115、与旋转台和平移台相连的控制器116和计算机117。

该装置的工作原理说明如下：

1.采用横向赛曼双频激光器101做光源，该激光器输出两个正交的线偏振光，这两个线偏振光有一定的频差；

2.该相互正交的线偏振光通过一个分光镜102后分成反射和透射两部分光；

3.反射光经过参考检偏器111进行合成，由参考光电探测器112接收形成参考信号；

4.透射光为测量光，依次经过二分之一波片104、被测样品106和测量检偏器108，由测量光电探测器109接收形成测量信号；

5.调整第一旋转台103的零点方向、第二旋转台107的零点方向、二分之一波片104的快轴方向和测量检偏器108的偏振方向，令它们全部指向水平方向；

6.计算机117通过与其相连的控制器116操纵XY二维平移台105，使得透射光通过被测样品106上的被测位置；

7.计算机117通过与其相连的控制器116操纵第一旋转台103和第二旋转台107，使前者转动一定的角度α、后者转动两倍的角度2α；

8.将第4步骤所说的测量信号和第3步骤所说的参考信号被送入相位测量单元114进行相位比较，其输出结果送入模数转换器115进行转换，转换的结果即为单次测量的相位差，将它送入计算机117，和步骤7中提到的角度α一起保存；

9.重复步骤7和步骤8，得到一系列相位差和角度，对它们进行傅立叶变换，得到4倍频分量的幅值和相角，就得到了被测样品106上该被测位置处双折射的相位延迟量和快轴方向；

10.重复步骤6-9，可以得到被测样品106上不同位置处的双折射参数。

该装置的相位延迟量测量范围是0°-150°，分辨率0.006°，精度±0.2％；快轴方向的测量范围是±90°，分辨率0.1°，精度0.5°。

该装置的步骤7中要求两个旋转台必须同步旋转，而且角度是严格的两倍关系，但实际上难免存在偏差，这就会给测量结果带来误差。该装置的测量光在通过被测样品后，方向不能改变，否则就无法进入测量光电探测器，所以它只能用来测量平板玻璃类的样品。另外，该装置的数据处理采用傅立叶变换，这只是一种近似计算，当相位延迟量很小时才成立，相位延迟量较大时存在很大的原理误差。

发明内容

本发明克服已有技术测量精度差或测量存在装置误差和原理误差的不足之处，提出一种利用双频激光进行双折射相位延迟量及快轴方向测量的方法，该方法测量方便快捷，测量结果直接可采用解析表达式的计算方法计算出结果，因此不但可以使测量精度加倍，消除装置误差和原理误差，而且还使测量对象扩大到光楔和透镜等光学器件。

本发明还提供采用该方法的测量装置，相比现有测量装置，不但能方便快捷实现精确测量，而且结构简单。

本发明利用双频激光测量双折射相位延迟量及快轴方向的测量方法是这样的：将激光器发出的一对正交双频激光进行分光分成反射光和透射光；所述反射光和透射光两路光中至少有一路经过改变偏振角后通过双折射被测样品测量点，然后折返再通过所述被测样品测量点，使光束中两个频率的偏振分量的相位发生不同的延迟，引起相位变化；然后使两路光在分别经过检偏器合成后，分别转化为具有不同相位差的参考拍频信号和测量拍频信号；至少获得两次相位差，就可计算出测量点相位延迟量及快轴方向；记录下每个被测样品测量点参考拍频信号和测量拍频信号的相位差，通过计算即可得到被测样品的相位延迟量和快轴方向。

上述被测样品测量点可以是误差允许范围内的测量区域。

上述光的折返是在穿过被测样品的光路中被测样品之后依次设置会聚透镜和平面镜实现或者采用角锥棱镜实现或者采用空心角隅棱镜实现。

上述至少两次相位差是指在被测样品前的光路上设置二分之一波片，仅有透射部分光正向、反向经过该波片，使该波片主轴分别位于至少两个角度时获得至少两次相位变化从而得到参考拍频信号和测量拍频信号的至少两次相位差来实现的。

上述至少两次相位差的实现方法为：在被测样品前的光路上设置二分之一波片，且所述二分之一波片部分地位于光路中，使所述透射光的一部分经过该波片，则经过所述被测样品测量点的透射光包含有改变偏振角和未改变偏振角的两部分，然后在检偏器合成前将该路光的两部分分开，再分别经过检偏器，得到的两个测量拍频信号分别与参考拍频信号对比形成两次相位差。

采用上述测量方法的测量装置，包括在双频激光器发射光路上设置的一个分光镜，在所述分光镜透射方向上依次设置的二分之一波片、被测样品、会聚透镜和平面反射镜，及在该分光镜的反射光方向及其反方向上各设置的检偏器，所述检偏器分别与光电转换装置相连后再与计算装置相连；所述平面反射镜设置在会聚透镜的焦平面上。

上述装置中的会聚透镜和平面反射镜可置换为角锥棱镜或者空心角隅棱镜。

还可以使上述二分之一波片部分地位于光路中，使所述透射光的一部分经过该波片，并在所述分光镜的反射光方向的反方向设置一个楔形反射镜，把从分光镜返回的光束分为两半，分别为偏振角改变和未改变的光束，在分开的光束的光路上再分别设置一个检偏器。

技术效果：

本发明方法将现有双频激光测量法中的透射光一次经过被测样品变为透射光折返后再次通过被测样品，被测样品对光束的改变作用前后相反，二者互相抵消，等价于让光束直接通过一个等效器件，其相位延迟量是被测样品的两倍，作为等效器件的被测样品的双折射效应作用在光束中两个不同频率的偏振分量上，引起它们之间发生相位变化，经过检偏器合成后，转化为测量拍频信号的相位变化，因为参考拍频信号的相位为常数，即可得到测量拍频信号与参考拍频信号的相位差，通过解析表达式的计算就能得到被测样品的相位延迟量和快轴方向。由于数据处理不再采用只是近似计算的傅立叶变换，而是精确计算，因此测量精度加倍，消除了原理误差；又由于光线折返后会再通过改变偏振角的器件或所在的光路位置，因此该器件对两频率转角的影响互相抵消，省去了检偏器为消除该转角的影响而设置的部件和相关复杂的操作(即省去了至少一个旋转台和同步旋转)，不但使测量变得非常简单，而且消除了系统误差。又由于被测样品对光束的改变作用前后互相抵消，所以测量光束的方向不因被测样品的偏折作用而发生改变，不但使光的接收变得非常简单，而且使被测样品的种类不再仅仅限于平板玻璃，还扩大到光楔。

因此采用该方法的测量装置不但能方便快捷实现精确测量，而且结构简单。

将被测样品测量点限定为误差允许范围内的测量区域，可以使具体实现发明方法的手段有多种选择。

采用角锥棱镜或者采用空心角隅棱镜来实现会聚透镜和平面镜的。

所述透射光前后两次通过二分之一波片，无须旋转检偏器来配合其转动，和现有技术相比，省去了检偏器的旋转装置，不但简化了系统结构、降低了成本、提高了可靠性，而且避免了旋转角度不准确带来的误差，提高了测量精度。

当二分之一波片部分地位于光路中，使所述透射光的一部分经过该波片时，虽然该路光的任一部分只一次通过二分之一波片，但是由于在检偏器合成前已将两部分分开(采用楔形反射镜就可分开)，因此分别经过检偏器后就获得了具有不同相位变化的测量拍频信号，相当于二分之一波片位于不同角度所得到的两次相位变化，同样能得到与参考拍频信号相比的两次相位差。与两次通过二分之一波片的具体测量方法相比，虽然增加了一个检偏器和楔形反射镜，但不需要对二分之一波片旋转，省去了另一个旋转装置，同时由于没有旋转，节省了测量时间，也消除了因为旋转而带来的系统误差，并能实现自我校正，进一步提高了测量精度。

附图说明：

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为现有的双频激光双折射相位延迟量及快轴方向测量装置结构示意图。

图2为本发明的双频激光双折射相位延迟量及快轴方向测量方法一个实施例的原理示意图。

图3为实现图2所示方法实施例的测量装置结构示意图。

图4为本发明测量方法另一个实施例原理示意图。

具体实施方式：

实施例1：

本发明的测量方法原理如图2所示，203为分光镜，201和202为检偏器，204为二分之一波片，205为被测样品，206为会聚透镜，207为平面反射镜。分光镜203为中性非偏振分光镜。被测样品205具有一定的双折射特性，表征为相位延迟量和快轴方向，相位延迟量的大小记为Δ，快轴方向和X轴的夹角记为θ。二分之一波片204的快轴方向与X轴夹角记为。入射光中包含频率分别为f₁和f₂的两个线偏振分量，其方向分别平行于X轴和Y轴。

由激光器发出的正交双频激光作为入射光被分光镜203分为反射光和透射光两部分。反射光经过检偏器202进行合成，f₁和f₂发生干涉，形成为频率为|f₁-f₂|的参考拍频信号，是为参考信号，其相位在测量过程中不发生变化。这部分光路称为参考光路。

而透射光则依次通过二分之一波片204、被测样品205和会聚透镜206，随即被平面反射镜207反射，沿着原路返回，依次通过会聚透镜206、被测样品205和二分之一波片204，然后回到分光镜203，再次发生反射和透射，其透射部分略去不用，反射部分经过检偏器202进行合成，同上，f₁和f₂发生干涉，形成频率为|f₁-f₂|的测量拍频信号，是为测量信号，其相位包含了被测样品205的双折射参数的信息。这部分光路称为测量光路。

测量光路中光束第一次通过二分之一波片204后，当快轴转过一定的角度时，f₁和f₂的偏振方向随之发生转动，偏振角度大小是快轴转角的两倍，传播方向相同，然后经过被测样品205。而光束返回后，从相反的方向第二次经过二分之一波片，f₁和f₂的转动角度大小与第一次相同，方向相反。由此可见，二分之一波片的作用前后相反，互相抵消，作用相当于让被测样品205以光束为轴转动。又因为光束往返两次经过被测样品205，所以，测量光路等价于让光束直接通过一个等效器件，其相位延迟量是被测样品205的两倍，二分之一波片转动一周，其快轴转动两周。等效器件的双折射作用在光束中两个不同频率的偏振分量上，引起它们之间的相位变化，经过检偏器合成后，转化为测量拍频信号的相位变化。因为参考拍频信号的相位为常数，所以比较测量拍频信号和参考拍频信号之间的相位差，即可得到测量信号在测量点的相位变化。解析表达式如下：

从上面的分析可知，上述等效器件的相位延迟量是2Δ，快轴方向是θ-2。不失一般性，不妨设f₁＞f₂，则当θ-2＝0时，其快轴与X轴平行，f₁分量的相位超前f₂分量2Δ，此时测量拍频信号与参考拍频信号的相位差出现最大值，记为Ψ_max，二分之一波片的角度记为_max；同理可知，当θ-2＝π/2时，该快轴与Y轴平行，f₁分量的相位滞后f₂分量2Δ，相位差出现最小值，记为Ψ_min，二分之一波片的角度记为_min。由此我们可以得到待测器件的相位延迟量和快轴方向为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{\max }-{\mathrm{\Ψ}}_{\min }}{4}$

或

同样，如果f₁＜f₂，我们有：

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{\Ψ}}_{\max }-{\mathrm{\Ψ}}_{\min }}{4}$

或

即测得Ψ_max和Ψ_min，可得知相应的_max和_min，就可知道被测样品测量点的相位延迟量和快轴方向。

实施例2

图3显示了采用本发明方法实施例1的测量装置的结构示意图，包括：双频激光光源301、分光镜302、旋转台303、设置在旋转台303上的二分之一波片304、二维平移台305、被测样品306、会聚透镜307和平面反射镜308，分别设置在分光镜302两侧的参考检偏器311和参考光电探测器312、测量检偏器310和测量光电探测器309，与两个光电探测器相连的相位测量器313，与旋转台和平移台相连的控制器314，以及与相位测量器和控制器相连的计算机315。

所说的双频激光光源，其出射光包含两个不同频率的正交线偏振光分量，二者的频率相差数十千赫兹至数十兆赫兹；

本发明装置的工作过程为：双频激光光源301发出的正交偏振光先经过分光镜302，将入射光分为反射光和透射光两部分，反射光作为参考光，透射光作为测量光。参考光经过参考检偏器311进行合成，由参考光电探测器312接收，转换成交流电信号——参考拍频信号。测量光先依次通过二分之一波片304、被测样品306和会聚透镜307，然后被平面反射镜308反射，沿原路返回，再次经过分光镜302，透射光略去不用，反射光经过测量检偏器310进行合成，由测量光电探测器309接收，转换成交流电信号-测量拍频信号。二维平移台带动被测样品平移，使得测量光通过测量点。旋转台带动二分之一波片304转动，使测量光中两频率分量的偏振方向和被测样品306的快轴方向之间的夹角发生变化，从而改变两频率分量之间的相位关系，进而使测量拍频信号相对于参考拍频信号间的相位发生变化。用相位测量器将参考拍频信号和测量拍频信号进行相位比较，并同时记录下二分之一波片304的转角，将结果送到计算机进行数据处理，就可得到被测样品306的相位延迟量和快轴方向。

本发明装置的详细数据说明如下：其中，双频激光光源301采用PT-1105C型双频激光头，稳频精度10^-8，频差3.006MHz；二分之一波片304的通光口径10mm；旋转台的转角范围为360度，分辨率0.1度；二维平移台305的移动范围是100mm×100mm，分辨率0.1mm；两个光电接收器310、312采用PT-1303C型高速接收器，频率响应范围均为100kHz～10MHz；相位测量器313采用PT-1313B型多功能数字相位卡，相位分辨率0.01度，输出端和计算机315相连，其输入端与两个光电接收器的输出端相连。本实施例采用的旋转台、二分之一波片、二维平移台、控制器和计算机均为通用器件

其测量过程如下：

1、双频激光光源301输出两个正交的线偏振光，其频差为3.006MHz；

2.该相互正交的线偏振光通过一个分光镜302后分成反射和透射两部分光；

3.反射光经过参考检偏器311进行合成，由参考光电探测器312接收形成参考拍频信号；

4.透射光为测量光，依次经过二分之一波片304、被测样品306和会聚透镜307，被平面反射镜308反射回来，依次经过会聚透镜307、被测样品306和二分之一波片304，再次经过分光镜302，其反射光经过测量检偏器310进行合成，由测量光电探测器309接收形成测量拍频信号；

5.调整旋转台303的方向，使二分之一波片304的快轴方向和水平方向平行，把旋转台303的当前角度设置为零点；

6.计算机315通过与其相连的控制器314操纵二维平移台305，使得测量光通过被测样品306上的被测点；

7.将第3步骤所说的参考信号和第4步骤所说的测量拍频信号被送入相位测量器313，进行相位比较，结果由计算机315读出；

8.计算机315通过与其相连的控制器314操纵旋转台303，使之从零点开始旋转，转角的数值通过控制器314由计算机315读出；

9.重复步骤7和步骤8，记录下对应的相位差和角度，找出相位差的最大值和最小值及它们对应转角，即可按照前面的公式计算出被测样品306在该被测点的相位延迟量的大小以及快轴方向与水平方向的夹角；

10.重复步骤6-9，可以得到被测样品306上不同位置处的双折射参数。

本装置实施例可采用角锥棱镜或者采用空心角隅棱镜来实现会聚透镜307和平面镜308来实现光路的折返作用，为同样功效的猫眼装置。

实施例3：

见图4，是本发明方法的又一个实施例，与实施例1相比不同之处在于二分之一波片404部分地位于光路中，本实施例部分地置于分光镜403之后，被测样品405之前，其作用相当于改变其中半束光的偏振角，而另外一半保持不变；增加一个楔形反射镜，把从分光镜403返回的光束分为两半，分别为偏振角改变的和不变的；两个检偏器401、409分别置于被楔形反射镜408分开后的光束中。两个半束光分别通过检偏器401、409后，被接收形成两个测量拍频信号，并分别与经过检偏器402合成的参考拍频信号比相，从中得到两个相位差，由此计算出被测样品405的相位延迟量和快轴方向。举例来说，二分之一波片404快轴与X轴夹角22.5度，检偏器401、409的检偏方向与Y轴平行，从分别通过401和409的光束所得到相位差分别记为Ψ₁和Ψ₂，当被测样品405快轴与X轴夹角为一小角度时，我们有如下的简化公式：

相位延迟量：$\mathrm{\Δ}=\sqrt{{\mathrm{\Ψ}}_1^2+{\mathrm{\Ψ}}_2^2}$

快轴方向：θ＝arctan(Ψ₁，Ψ₂)

与实施例1所示的方法相比，这种方法无须转动二分之一波片，省去了旋转装置和旋转消耗的时间，可以快速地得出测量结果。

为了排除由于光路中其他器件以及电路引起的相位变化，采用本实施例的装置可以进行自我校正，过程如下：先将被测样品405移出光路，记下此时两个相位差分别为Ψ_1o和Ψ_2o；然后将被测样品405插入光路，得到两个相位差分别为Ψ₁′和Ψ₂′；所以，排除其他影响后，由被测样品405的双折射引起的相位差为：

Ψ₁＝Ψ₁′-Ψ_1o

Ψ₂＝Ψ₂′-Ψ_2o

把它们带入前面的公式计算，可得到更精确的结果。

同样，本采用本实施例方法的测量装置与实施例2相比的不同是，二分之一波片404设置的方式不同，且省去了固定二分之一波片404的旋转装置，同时在分光镜403与入射反射光方向的相反方向增加了一个楔形反射镜408和一个检偏器，测量装置同样可采用角锥棱镜或者采用空心角隅棱镜来实现会聚透镜406和平面镜407来实现光路的折返作用，为同样功效的猫眼装置。

本实施例的方法和装置中，二分之一波片404也可以部分地置于分光镜403之前的部分光路中。