CN102393555B - 一种复合波片光轴对准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合波片光轴对准方法及装置。将待对准复合波片的两片晶片装在支架上之后分别安装在固定、旋转波片卡盘上；从光源发出的光经过起偏器后形成线偏振光；通过待对准的复合波片后，线偏振光偏振态发生变化；根据探测器探测到的透射光强信号可进一步获得待对准复合波片相位延迟波动量的变化幅值；比较相位延迟波动量的变化幅值的相对大小；通过电控旋转台控制旋转波片卡盘转动，直至将复合波片的光轴对准到所要求的精度范围内。装置包括光源，起偏器，固定波片卡盘，旋转波片卡盘，旋转检偏器，探测器，电控旋转台，计算机，步进电机和电控旋转台控制器。该方法可以实现对复合波片光轴进行高精度对准，装置简易，操作简单。

Description

一种复合波片光轴对准方法及装置

技术领域

本发明属于光学仪器元件设计制造领域，具体涉及一种复合波片光轴对准方法及装置，它适用于对复合波片中两片或多片晶片的光轴进行精确对准与标定。

背景技术

波片(也可以称为晶片。本发明中我们称由两片或多片晶片组成的波片为复合波片，而称组成复合波片的单片波片为晶片，以示区别。在不做特别区别时，将复合波片和晶片统称为波片。)是光学仪器设计与光学测量领域中常用的光学元件，它能够使得偏振光的两个垂直分量产生附加光程差(或相位差)，从而可用于改变光波的偏振态(例如从线偏振光变成圆偏振光，从椭圆偏振光变成线偏振光等)，或者检查光波的偏振态。制作波片的材料通常有云母、石膏、氟化镁、蓝宝石、结晶石英等单轴或双轴晶体。复合波片是由若干片晶片组合而成，且各片晶片的光轴互成一定的角度。其中，由两片或多片相同材料的晶片构成的复合波片可用于改善波片的精度，称为非消色差复合波片；而由不同种材料的两片或多片晶片组合而成的复合波片可用于消除波片本身的色差，称为消色差复合波片。复合波片的这种改善波片精度及消除波片本身色差的性能是单片晶片所不能达到的，因此使得复合波片在光学仪器设计与光学测量中获得了广泛的应用，如用于制作旋转补偿器等。在实际应用中，为了保证复合波片的总相位延迟精度以及仪器测量的精度，往往要求组成复合波片的各片晶片的光轴严格对准标定。

从一些晶片生产公司来看，实际生产应用中对于复合波片的对准多采用手动方式凭经验进行对准，即首先固定其中的一片晶片，然后手动转动另外一片晶片，通过肉眼比较复合波片的实际相位延迟与理想相位延迟之间的差别。当复合波片的实际相位延迟与理想相位延迟之间的差别达到可以接受的程度即认为复合波片已经对准完毕。对于由多片晶片组成的复合波片，可以首先将组成复合波片中的两片晶片进行对准，然后将已对准的由两片晶片组成的复合波片看作一片晶片再与其他晶片依次进行对准。这种手动对准方式，虽然操作过程相对简单，但是对准精度难以保证，对于一些对复合波片对准精度要求较高的应用场合往往难以满足测量的精度要求。国外方面，美国宾夕法尼亚州立大学的柯林斯等人(R.W.Collins et al.，J.Opt.Soc.Am.A，Vol.18，pp.1980-1985，2001)将待对准复合波片安装在一高精度旋转台上，然后将高精度旋转台置于旋转检偏器式椭偏仪的样品台上，并将旋转检偏器式椭偏仪的起偏臂和检偏臂对打以测量偏振光透过复合波片之后的振幅比值。在对准过程中，由高精度旋转台来控制晶片的转动，通过观察椭偏仪所测得的偏振光透过复合波片之后振幅比值高频振动幅值的大小来实现复合波片的对准。柯林斯等人所提的对准方法尽管较传统手动对准方式的对准精度要高，但是复合波片的对准过程相对复杂，且最终的对准精度与操作人员的经验有较大的相关性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合波片光轴对准装置，该装置可以实现对复合波片中两片或多片晶片的光轴进行高精确对准，且结构简易，操作简单。

本发明提供的一种复合波片光轴对准方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步将线偏振光垂直投射到待对准复合波片的一片晶片上，并从复合波片的另一片晶片垂直出射；

第2步利用探测器接受从所述另一片晶片垂直出射的透射光强信号，线偏振光经过待对准复合波片后偏振态会发生变化，所述透射光强信号中包含有待对准复合波片的实际相位延迟信息；

第3步由第2步得到的透射光强信号可进一步获得待对准复合波片的实际相位延迟；

第4步将第3步得到的复合波片的实际相位延迟与理想相位延迟比较，得到在存在对准误差α时复合波片的相位延迟波动量；

第5步计算在要求的对准精度α₀下复合波片相位延迟波动量的变化幅值A(α₀)；

第6步固定复合波片的一片晶片，根据实时得到的复合波片相位延迟波动量变化幅值A(α)与A(α₀)的相对大小转动另外一片晶片，直至满足：

A(α)≤A(α₀)

这样将两片晶片光轴的对准误差控制到α≤α₀。

本发明提供的一种复合波片光轴对准装置，其特征在于，该装置包括光源，起偏器，固定波片卡盘，旋转波片卡盘，旋转检偏器，探测器，电控旋转台，计算机，步进电机和电控旋转台控制器；光源，起偏器，电控旋转台，旋转检偏器和探测器依次位于同一光路上；电控旋转台位于起偏器和旋转检偏器之间，且固定波片卡盘与旋转波片卡盘的晶片装载平面相互平行，二者垂直于入射光束；探测器和计算机相连。

与现有复合波片的对准方法相比，本发明所提供的对准方法及装置以电控旋转台为控制核心，通过简易的光学检测与分析系统，可以实现对复合波片光轴的高精度对准，在光学仪器设计及光学测量领域中将会有广泛的应用前景。

附图说明

图1是组成复合波片的两晶片之间存在对准误差α时的示意图。其中图1(a)用于表示入射偏振光电场矢量方向与第一片晶片快轴夹角，图1(b)用于表示第一片晶片快轴与第二片晶片慢轴之间的夹角；

图2是复合波片对准过程中的数据分析流程图；

图3是本发明提供的复合波片光轴对准装置的结构示意图；

图4是波片支架的结构示意图。其中，图(a)为其主视图，图(b)为其左视图；

图5是电控旋转台结构示意图。其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图；

图6是固定波片卡盘结构示意图。其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图；

图7是旋转波片卡盘结构示意图。其中，图(a)为其主视图，图(b)为其俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明方法的原理和工作过程作进一步详细说明。

(1)将线偏振光垂直投射到待对准复合波片的一片晶片上，并从复合波片的另一片晶片垂直出射；

(2)线偏振光经过待对准复合波片后偏振态会发生变化(由线偏振光变为椭圆偏振光)。探测器接受到的透射光强信号中包含了待对准复合波片的实际相位延迟信息；

(3)由第(2)步中得到的透射光强信号可以进一步获得待对准复合波片的实际相位延迟δ；

图1为组成复合波片的两晶片之间存在对准误差α时的示意图，其中θ表示入射到复合波片上的线偏振光电场矢量5与第一片晶片快轴1之间的夹角，对准误差α由第一片晶片快轴1与第二片晶片慢轴4之间的夹角标示。当组成复合波片的两片晶片之间存在对准误差α时，复合波片的实际相位延迟δ与α和θ的之间满足：

$\mathrm{\δ}=\arctan \left[\frac{(\sin {\mathrm{\δ}}_1\cos {\mathrm{\δ}}_2-\cos {\mathrm{\δ}}_1\sin {\mathrm{\δ}}_2\cos 2\mathrm{\α})\sin 2\mathrm{\θ}+\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\sin {\mathrm{\δ}}_2}{(\sin {\mathrm{\δ}}_1\sin {\mathrm{\δ}}_2+\cos {\mathrm{\δ}}_1\cos {\mathrm{\δ}}_2\cos 2\mathrm{\α})\sin 2\mathrm{\θ}-\sin 2\mathrm{\α}\cos 2\mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\δ}}_2}\right]---\left(1\right)$

其中，δ₁和δ₂分别表示第一片晶片和第二片晶片的相位延迟量；

(4)根据组成复合波片两片晶片的材料及其厚度可以计算出当组成复合波片的两片晶片之间不存在对准误差α时，复合波片的理想相位延迟δ₀：

δ₀＝δ₁-δ₂           (2)

(5)根据第(3)步和第(4)步得到的复合波片的理想和实际相位延迟，可以进一步得到在存在对准误差α时复合波片的相位延迟波动量Δδ，即：

Δδ＝δ-δ₀           (3)

通过理论推导和仿真分析可以得知，当θ＞α时，Δδ是一随波长λ变化的波动量，且波动的振幅A满足关系式：

$A=\mathrm{arccot}(\sqrt{\frac{{\tan }^{2}2\mathrm{\θ}}{4{\mathrm{\α}}^2}}-1)---\left(4\right)$

由公式(4)可知：当给定θ时，振幅A是一个只与对准误差α相关的量，即A＝A(α)；

(6)根据公式(4)计算出在要求的对准精度α₀下复合波片相位延迟波动量的变化幅值A(α₀)；

(7)固定复合波片的一片晶片，根据实时得到的复合波片相位延迟波动量变化幅值A(α)与A(α₀)的相对大小转动另外一片晶片，直至满足：

A(α)≤A(α₀)                (4)

这样便可将两片晶片光轴的对准误差控制到α≤α₀。

对准过程的流程如图2所示，其中6表示实时获得的复合波片相位延迟波动量Δδ(λ)的变化幅值A(α)，7表示根据所要求的对准精度α₀计算出来的相位延迟变动量的变化幅值A(α₀)。

如图3所示，本发明装置包括光源11，起偏器12，固定波片卡盘13，旋转波片卡盘14，旋转检偏器15，探测器16，电控旋转台17，分析用计算机18，步进电机19和电控旋转台控制器20。

光源11，起偏器12，电控旋转台17，旋转检偏器15和探测器16依次位于同一光路上；电控旋转台17处于起偏器12和旋转检偏器15之间；固定波片卡盘13和旋转波片卡盘14分别安装在电控旋转台17的基座和转盘上，保持固定波片卡盘13与旋转波片卡盘14的晶片装载平面相互平行，二者垂直于入射光束；探测器16和计算机18相连。

对准装置操作步骤如下：

第1步：将待对准复合波片的两片晶片装在波片支架(波片支架结构如图4所示)上之后分别安装在固定波片卡盘13和旋转波片卡盘14上，保证晶片与卡盘间不发生相对运动；

第2步：从光源11发出的光束经过起偏器12之后变为线偏振光。线偏振光从固定波片卡盘13上的晶片垂直入射，然后从旋转波片卡盘14上的晶片出射至旋转检偏器15。偏振光经过旋转检偏器15后被探测器16接受；

第3步：探测器16将接受到的透射光强信号传递给计算机18，经过处理后可以获得复合波片的实际相位延迟δ(λ)，将其与复合波片的理想相位延迟δ₀(λ)相比较即可计算出相位延迟变动量Δδ(λ)；

第4步：事先根据公式(4)计算出在要求的对准精度α₀下，复合波片的相位延迟波动量所对应的振幅A(α₀)。比较实际得到的波动量Δδ(λ)的幅值A(α)与A(α₀)的关系：如果A(α)≤A(α₀)，则说明此时复合波片两片晶片光轴之间已经达到所要求的对准精度α≤α₀；如果A(α)＞A(α₀)，则给控制电控旋转台的步进电机脉冲，使电控旋转台带动旋转波片卡盘14相对固定波片卡盘13旋转一定的角度；

第5步：重复进行第3步和第4步，直至组成复合波片的两片晶片的光轴达到对准精度要求α＜α₀，对准过程结束。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图4所示，波片支架包括支架主体21、垫圈22和波片定位孔24，其中23为安装在支架上的晶片。

支架主体21可用轻质金属或硬质塑料制作，对晶片起支撑和保护作用；垫圈22，对晶片起保护作用；经过加工后的晶片23，满足设计厚度要求，并已进行光轴的初步标定；波片定位孔24，根据实际情况可选择用定位螺丝或定位销将晶片与晶片卡盘连接在一起，对晶片进行定位和夹紧。整个支架能够实现对晶片的支撑保护作用，支架主体和垫圈的尺寸不影响晶片的通光孔径及其光学性能。

如图5所示，电控旋转台17包括步进电机19、控制器20、转盘25和旋转台基座26。

转盘25上开有用于固定工件的工件定位孔28，中间还开有用于透光的通孔。旋转台基座26内装有传动装置，是旋转台的主体部分。旋转台基座26上开有台阶孔27，用于连接固定波片卡盘13。转盘25与旋转台基座26相连。控制器20与步进电机19相连。当控制器20控制步进电机19工作时，旋转台基座26本身不转动，转盘25可带动与之通过定位孔28固定在一起的工件产生高精度和高分辨率地转动。

如图6所示，固定波片卡盘13包括支柱29、固定波片定位孔30和固定波片放置台31。

支柱29用于将固定波片卡盘13与旋转台基座26相连；固定波片定位孔30与支架上的波片定位孔24相对应，通过此定位孔，使支架与固定波片卡盘13连接在一起；将安装有支架的晶片放在晶片放置台31上，并用销钉或螺钉将支架与固定波片卡盘连接在一起。整个固定波片卡盘与旋转台基座26连在一起，对晶片及其支架其支撑和定位作用，对准时不发生转动，并与旋转波片卡盘14之间配合使得对准过程两晶片间高精度高分辨率的旋转运动得以实现。

如图7所示，旋转波片卡盘14包括旋转波片定位孔32、转盘定位孔33和旋转波片放置台34。

旋转波片定位孔32与支架上的波片定位孔24相对应，通过此定位孔，使晶片与旋转波片卡盘固定；转盘定位孔32使卡盘14与转盘25连在一起，使之与转盘一起运动；将安装由支架的晶片放在晶片放置台34上，并用销钉或螺钉将支架与旋转波片卡盘连接在一起。整个旋转波片卡盘与电控旋转台连在一起，对晶片及其支架其支撑和定位作用，对准时与转盘25一起做高精度和高分辨率地旋转运动，与固定波片卡盘13之间配合使得对准过程两晶片间高精度高分辨率的旋转运动得以实现。

电控旋转台17、步进电机19和控制器20配套使用，可从市场上购买得到；固定波片卡盘13与旋转台基座26相连，两者之间精确定位夹紧，对准时两者不发生相对运动；旋转波片卡盘14与旋转台转盘25相连，两者之间精确定位夹紧，对准时随转盘一起做高精度高分辨率的旋转运动，两者之间不发生相对运动；组成复合波片的各晶片及其支架与波片卡盘13和14之间精确定位夹紧，对准时支架与卡盘之间不发生相对运动；固定波片卡盘13与旋转波片卡盘14的相对位置保证固定晶片和旋转晶片之间保持较高的同轴度和平行度。

本发明所提对准方法和装置的关键在于电控旋转台的旋转精度，而电控旋转台的旋转精度很大程度上取决于控制其旋转的步进电机的分辨率。目前步进电机可以通过细分达到很高的分辨率，所以本发明所提对准方法理论上可以将复合波片的光轴对准到很高的精度。

上文在叙述具体的操作步骤时仅以由两片晶片组成的复合波片为例。对于由多片晶片组成的复合波片，可以首先将组成复合波片中的两片晶片进行对准，然后将已对准的由两片晶片组成的复合波片看作一片晶片再与其他晶片依次进行对准。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种复合波片光轴对准方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

第1步将线偏振光垂直投射到待对准复合波片的一片晶片上，并从复合波片的另一片晶片垂直出射；

第2步利用探测器接受从所述另一片晶片垂直出射的透射光强信号，线偏振光经过待对准复合波片后偏振态会发生变化，所述透射光强信号中包含有待对准复合波片的实际相位延迟信息；

第3步由第2步得到的透射光强信号可进一步获得待对准复合波片的实际相位延迟；

第4步将第3步得到的复合波片的实际相位延迟与理想相位延迟比较，得到在存在对准误差α时复合波片的相位延迟波动量；

第5步计算在要求的对准精度α₀下复合波片相位延迟波动量的变化幅值A(α₀)；

第6步固定复合波片的一片晶片，根据实时得到的复合波片相位延迟波动量变化幅值A(α)与A(α₀)的相对大小转动另外一片晶片，直至满足：

A(α)≤A(α₀)

这样将两片晶片光轴的对准误差控制到α≤α₀。

2.一种实现权利要求1所述复合波片光轴对准方法的装置，其特征在于，该装置包括光源（11），起偏器（12），固定波片卡盘（13），旋转波片卡盘（14），旋转检偏器（15），探测器（16），电控旋转台（17），计算机（18），步进电机（19）和电控旋转台控制器（20）；光源（11），起偏器（12），电控旋转台（17），旋转检偏器（15）和探测器（16）依次位于同一光路上；电控旋转台（17）位于起偏器（12）和旋转检偏器（15）之间，且固定波片卡盘（13）与旋转波片卡盘（14）的晶片装载平面相互平行，二者垂直于入射光束；探测器（16）和计算机（18）相连。 

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