CN102538711B - 测量pbs偏振膜面偏向角度的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，其中装置包括带有PBS托架的工装支架、反射镜、成像单元、显像单元、角度调节单元、动力单元，以及用于控制角度调节单元与动力单元的控制单元。本发明通过承载于计算机程序的控制单元控制动力单元以及角度调节单元对显像单元、反射镜、待测PBS等进行调整，并结合承载于计算机程序的分析单元对显像单元的结果进行分析，自动实现对入射光通过反射镜、待测PBS、成像单元在显像单元上成像的结果进行比较与位置调整。本发明在测量时将所有的加工误差考虑进去，从整体上方便、快捷、准确的测量得到PBS偏振膜面的偏向角度，极大提高工业化生产效率。

Description

测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法。

背景技术

PBS是偏振分光棱镜的简称，PBS由两个直角三角棱镜组合构成，其中在两个直角三角棱镜的胶合面上镀有特定波长的偏振膜，以便能够使入射光分为P光和S光分别进行传播。

在通常情况下，胶合面和棱镜底面之间成45°，如果胶合面与棱镜底面之间的实际夹角有所偏差，则入射光相对于胶合面的入射角就不在偏振膜的布儒斯特角上，由此必然会大大降低通过晶体后P光和S光的比值，在通常情况下，当掺杂有大量S光的P光通过PBS晶体后，晶体本身作用就降低了。此外，在激光器量化生产中，相应的PBS的位置由机架件固定，如果PBS镀膜面偏向角度超过公差，则会引起S光偏转出激光器设计孔位的问题，如果传播距离较长，必然会产生光偏出镜架所能调节范围的情况，由此将对工业化生产产生很大的不便，因此，准确测量PBS偏振膜面和底面(或者水平面)之间的角度显得尤为重要。

目前还没有测量成品PBS晶体内部胶合面偏向角的方案。其最原始的测量方法是在两个三角棱镜没有胶合之前，测量每个三角棱镜的角度，这样斜面和底面之间的夹角可以近似的认为是晶体内部胶合面的偏向角。但是，晶体在镀膜胶合后，可能由于工艺等问题，胶合缝之间会引起误差，使得偏向角度有所改变，由此测量得到的PBS偏振膜面与底面之间的偏向角度并不准确。当偏向角相差很大时，会造成偏振光偏振态不纯的现象，大大影响激光器的出光质量，同时，还会引起指向的偏差，大大降低工业化激光器生产中的生产效率。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，旨在提高PBS偏振膜面偏向角度的测量精度，进一步提高工业化生成效率。

为了达到上述目的，本发明提出一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置，包括：

带有PBS托架的工装支架，所述PBS托架用于放置PBS；

反射镜，设置在工装支架底部且位于PBS正下方；

成像单元，与PBS对应设置；

显像单元，与成像单元对应设置；

角度调节单元，设置在工装支架上，包括分别对反射镜及PBS托架进行角度调节的第一二维俯仰调节架和第二二维俯仰调节架；

动力单元，包括设置在工装支架上用于调节PBS托架高度的升降步进电机以及与显像单元连接用于调整显像单元位置的成像步进电机；

控制单元，用于连接和控制角度调节单元与动力单元，当入射光射向成像单元时，入射光通过在成像单元、PBS以及反射镜中不同的光传播方向而在显像单元上显示出若干亮点，控制单元调整所述反射镜对应的第一二维俯仰调节架的二维角度使所述亮点中最亮的两个亮点重合，得到PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

优选地，所述成像单元包括第一分束镜、第二分束镜和凸透镜，入射光的其中一部分依次通过第一分束镜、第二分束镜和凸透镜并在显像单元上形成最亮点。

优选地，所述显像单元包括CCD相机。

优选地，所述反射镜采用银镜，所述第一二维俯仰调节架位于所述银镜下方。

优选地，所述装置还包括分析单元，所述分析单元用于分析亮点重合状态。

优选地，所述PBS托架上位于所述PBS正下方设有通光孔。

优选地，所述第一分束镜为1∶1分束镜；所述第二分束镜为1∶9分束镜。

优选地，所述凸透镜焦距f＝150mm；所述银镜的表面形变小于1/6λ。

优选地，所述CCD相机前放置有衰减片。

优选地，所述反射镜和PBS托架采用电子水平仪反馈其水平状态，并由控制单元依靠反馈信号控制第一二维俯仰调节架和第二二维俯仰调节架分别对所述反射镜和PBS托架进行调整。

本发明还提出一种测量PBS偏振膜面偏向角度的方法，包括以下步骤：

启动控制单元，由控制单元控制升降步进电机将PBS托架调节至预定高度；

根据电子水平仪反馈的信号由控制单元控制第一二维俯仰调节架以及第二二维俯仰调节架分别使反射镜和PBS托架保持水平；

将入射光照射于成像单元的第一分束镜，所述入射光通过在第一分束镜、第二分束镜、凸透镜、PBS以及反射镜中不同的光传播方向而在CCD相机上成像多个亮点，所述各亮点显示在分析单元上；

分析单元计算各亮点的灰度值，选取灰度值最大和次大的两个亮点；

以灰度值最大的亮点为参考点，由控制单元控制反射镜所对应的第一二维俯仰调节架的二维角度，使灰度值最大和次大的两个亮点重合，所述第一二维俯仰调节架在X，Y方向上的相对偏移角即为PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

优选地，所述入射光照射于成像机构的第一分束镜时，入射光的一部分依序经过第一分束镜、第二分束镜以及凸透镜并在CCD相机上成像一个亮点，这时调节凸透镜与CCD相机的距离，使该亮点成像最小。

本发明提出的一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，通过承载于计算机程序的控制单元控制升降步进电机、成像步进电机以及第一、第二二维俯仰调节架对CCD相机、反射镜、待测PBS等进行调整，并结合控制单元所属计算机系统中的分析单元对亮点重合状态进行分析，自动实现对入射光在CCD相机上成像的多个亮点中最亮与次亮的两个亮点进行比较与位置调整。本发明在测量时将所有的加工误差考虑进去，从整体上方便快捷、准确的测量得到PBS偏振膜面的偏向角度，提高了PBS偏振膜面偏向角度的测量精度；而且本发明能够检测出已经成品的PBS镀膜面相对于其入射面的偏向角度，能够在激光器生产中提出其量化指标，对于公差范围以外的晶体不予以使用，这样能够极大地提高激光器量化生产的效率。同时为PBS厂家提供了一种新的出厂检测方法和途径，为工业化生产中每个PBS的安装提供相应的参考信息，有利于PBS生产过程的管理和控制。另外，本发明装置也可以测量那些不易拆卸的内部具有反射面的透明物体的相对角度。

附图说明

图1是本发明测量PBS偏振膜面偏向角度的装置的结构示意图；

图2是本发明测量PBS偏振膜面偏向角度的装置的结构框图；

图3是本发明测量PBS偏振膜面偏向角度的方法的流程示意图。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

本发明实施例解决方案主要是基于光路可逆性原理所实现。如图1及图2所示，本发明一个实施例提出一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置，包括：带有PBS托架5的L型工装支架6，PBS托架5用于放置PBS 4、设置在工装支架6底部且位于PBS 4正下方的反射镜8、与PBS 4处于同一光路的成像单元101、对应成像单元101设置的显像单元106、设置在工装支架6上的角度调节单元103、动力单元102、用于控制角度调节单元103与动力单元102的控制单元104，以及与控制单元104同属一个计算机系统用于分析显像单元106的显像结果的分析单元105。其中：

角度调节单元103，设置在工装支架6上，包括分别对反射镜8及PBS托架5进行角度调节的第一二维俯仰调节架7和第二二维俯仰调节架11；

动力单元102，包括设置在PBS托架5下方用于调节PBS托架5高度的升降步进电机10以及连接显像单元106并可驱动显像单元106的成像步进电机(图中未示出)。

当入射光射向成像单元101时，入射光通过在成像单元101、PBS 4以及反射镜8中不同的光传播方向而在显像单元106上显示出若干亮点，控制单元104调整第一二维俯仰调节架7的二维角度，并结合分析单元105使上述各亮点中最亮的两个亮点重合，得到PBS 4的偏振膜面相对于水平面的偏向角；该PBS 4的偏振膜面相对于水平面的偏向角即为第一二维俯仰调节架7在X，Y方向上的相对偏移角度。

具体地，在本实施例中，成像单元101包括第一分束镜1、与第一分束镜1处于同一光路的第二分束镜9和凸透镜3，入射光的其中一部分依次通过第一分束镜1、第二分束镜9和凸透镜3并在显像单元106上形成最亮点。

本实施例中，显像单元106包括CCD相机2，CCD相机2由计算机系统中控制单元104控制，并采用计算机系统中分析单元105来分析上述各亮点的位置。CCD相机2放置于凸透镜3的焦点上；凸透镜3位于第二分束镜9与CCD相机2之间，入射光的其中一部分依次通过第一分束镜1、第二分束镜9和凸透镜3并在显像单元106上形成最亮点；另一部分入射光线经过第一分束镜1、第二分束镜9透射至PBS 4的偏振膜面上，经PBS 4的偏振膜面的光垂直反射进入反射镜8，根据光路的可逆性，进入反射镜8的光线经过反射镜8的反射，通过PBS 4以及第二分束镜9等照射到第一分束镜1上，在第一分束镜1上部分光反射，部分光透射，其中反射回来的光，传播到第二分束镜9上然后会反射进CCD相机2上，此时在CCD相机2上会形成多个亮点，通过计算各个亮点的灰度值，选取灰度值最大和次大的两个亮点，以最大的亮点为参考点，通过控制单元104调整第一二维俯仰调节架7的二维角度，使最大和次大的两个亮点重合；第一二维俯仰调节架7在X，Y方向上的相对偏移角即为PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

在本实施例中，第二分束镜9为1∶9分束镜，即为10％反射，90％透射的分束镜，并按相应工作角度放置；第一分束镜1为1∶1分束镜或者50％反射的镜片；凸透镜3可以采用焦距f＝150mm的透镜；CCD相机2为阵列CCD，其中像素间距越小越好，在设计时可以采用分辨率为1024×1024，像素间距为13um的CCD。CCD相机2可以通过成像步进电机驱动，该成像步进电机精度可以为0.1mm，同时CCD配有相应软件连接到计算机，CCD相机2采集到的数据可以通过计算机系统中的控制单元104控制显示在计算机中，便于分析采集到的图像。在计算机上可以显示CCD相机2象元采集到的灰度值。在实际测量时，由于使用的是连续激光，所以CCD相机2的采集频率可以设为10Hz，CCD相机2的数据采集可以设定为内触模式。其中为了防止CCD相机2被打坏，在使用CCD相机2的时候，其前面需放置衰减片(图中未示出)。

具体地，反射镜8和PBS托架5采用电子水平仪(图中未示出)反馈其水平状态，并由控制单元104依靠反馈信号控制第一二维俯仰调节架7和第二二维俯仰调节架11分别对反射镜8和PBS托架5进行调整，虽然图2显示的是调整待测PBS 4，但实际中待测PBS 4通过PBS托架5水平。本实施例中反射镜8可采用银镜，第一二维俯仰调节架7位于反射镜8下方；反射镜8下方设置有由控制单元104控制和用于调节反射镜8水平位置的电子水平仪。反射镜8的表面形变小于1/6λ。

在本实施例中，PBS托架5上位于PBS 4正下方设有通光孔51，PBS 4通过PBS托架5(PBS托架5是由升降步进电机10来调节高度)可相对工装支架6上下滑动进行高度调节。PBS托架5上放置电子水平仪，并通过控制单元104控制第二二维俯仰调节架11来调节PBS托架5的水平位置。上述通光孔51的大小可以根据PBS 4的大小来改变，比如可以设计为7.5mm×7.5mm。所述电子水平仪在使用后可以去掉，也可以不用去掉，电子水平仪本身可以固化到反射镜8和PBS托架5上。

理论上，工装支架6与PBS托架5之间的距离越远测量结果越精确，本实施例中，通过控制单元104驱动升降步进电机10来调节PBS托架5的高度，在实际设计时，工装支架6与PBS托架5之间的距离可以为150mm。

由程序控制，当启动控制单元104时，控制单元104控制升降步进电机10将PBS托架5调节至预定高度，并可根据相应的电子水平仪反馈的信号分别调整第一二维俯仰调节架7以及第二二维俯仰调节架11的二维角度，使PBS托架5与反射镜8保持水平。

通常PBS 4具有各种尺寸，下面以30mm×30mm×30mm的PBS为例对本发明技术方案进行详细说明。在测量时，为了更真实的模拟实际应用情景，使用PBS 4本身的工作波长(1064nm或者1053nm)，具体以波长为1053nm为例说明PBS偏振膜面偏向角的测量原理：

首先，调节激光器出射的1053nm光使其严格的平行于光学平台。其中出射光线的中心高可以根据不同的PBS 4来进行调节，在本实例中，PBS 4为30mm×30mm×30mm，可以采用中心高为215mm。在测量时，使用水平偏振方光进行测量。其中，本发明测量PBS 4偏振膜面偏向角的装置通过计算机程序自动控制，可以在装有相应程序软件的计算机的操作界面中输入相应的高度值，通过控制单元104驱动升降步进电机10调整PBS 4托架5的高度来调整PBS 4的高度。同时根据PBS托架5和反射镜8上的电子水平仪分别反馈信号，通过控制单元104驱动各自的二维俯仰调节架使PBS托架5和反射镜8保持水平。

之后，1053nm的入射光通过第一分束镜1后，一部分被反射回去，其余部分透射。透射部分的光通过第二分束镜9后，小部分反射到凸透镜3上，大部分透射过第二分束镜9。将CCD相机2放置到凸透镜3的焦点上，适当的调节CCD相机2和凸透镜3的相对位置，使其成像最小。

通过第二分束镜9后的线偏振光入射到PBS 4上面，由于入射光的偏振方向相对于偏振膜为S光方向，所以大部分光均垂直向下传播。向下传播的光照射到银镜8上，然后会反射回来，根据光路的可逆性，反射回来的光通过PBS 4，第二分束镜9等照射到第一分束镜1上。在第一分束镜1上部分光反射，部分光透射，其中反射回来的光，传播到第二分束镜9上，然后会反射进CCD相机2上，这时在CCD相机2上面会形成两个主要的亮点。

具体地，在所述计算机的操作界面中可能会出现多个亮点，因此需要通过分析单元105分别计算各自的灰度值，然后选择出灰度值最大的两个亮点。其中，以灰度值最大的亮点为参考点，然后通过控制单元104驱动第一二维俯仰调节架7，让次亮点向该参考点靠近，最终使两个亮点重合。重合的条件为两个灰度值的最值间距小于2个像素间距即可(或不动的灰度最大值增加)。

观察与CCD相机2连接的计算机，当最亮的两个亮点重合时，在显示屏上将显示出第一二维俯仰调节架7在X，Y方向的相对偏移角，该偏向角即为PBS 4偏振膜面相对于水平面的偏向角。

本实施例利用光路可逆性原理，配合使用高精度阵列CCD相机2，通过承载于计算机程序的控制单元104控制升降步进电机10、成像步进电机以及第一、第二二维俯仰调节架7、11对CCD相机2、PBS托架5、反射镜8、PBS 4等进行调整，将PBS 4考虑成一个黑盒子，不管其中间过程，而使用实际光线测量其偏向，并利用控制单元104所属计算机系统中的分析单元105对亮点重合状态进行分析，得到的测量结果将所有的加工误差考虑进去，即为PBS偏振膜面实际偏向角度的结果。通过本发明能够检测出已经成品PBS镀膜面相对于入射面的偏向角度，能够在激光器生产中提出其量化指标，对于公差范围以外的晶体不予以使用，这样能够极大地提高激光器量化生产的效率。同时为PBS厂家提供了一种新的出厂检测方法和途径，有利于PBS生产过程的管理和控制。同时，本发明装置也可以测量那些不易拆卸的、内部具有反射面的透明物体的相对角度。

如图3所示，本发明实施例提出一种采用上述装置测量PBS偏振膜面偏向角度的方法，包括：

步骤S201，启动控制单元，由控制单元控制升降步进电机将PBS托架调节至预定高度；

步骤S202，根据电子水平仪反馈的信号由控制单元控制第一二维俯仰调节架以及第二二维俯仰调节架分别使反射镜和PBS托架保持水平；

步骤S203，将入射光照射于成像单元的第一分束镜，入射光通过在第一分束镜、第二分束镜、凸透镜、PBS以及反射镜内形成的不同的光传播方向而在CCD相机上成像多个亮点，上述各亮点均显示在分析单元上；

步骤S204，分析单元计算各亮点的灰度值，选取灰度值最大和次大的两个亮点；

步骤S205，以灰度值最大的亮点为参考点，由控制单元控制反射镜所对应的第一二维俯仰调节架的二维角度，使灰度值最大和次大的两个亮点重合；第一二维俯仰调节架在X，Y方向上的相对偏移角即为PBS偏振膜面相对于水平面的偏向角。

本发明实施例测量PBS偏振膜面偏向角度的装置及方法，通过承载于计算机程序的控制单元控制升降步进电机、成像步进电机以及第一、第二二维俯仰调节架对CCD阵列、PBS托架、反射镜、PBS等进行调整，并结合控制单元所属计算机系统中的分析单元对亮点重合状态进行分析，在测量时将所有的加工误差考虑进去，从整体上方便快捷、准确的测量得到PBS偏振膜面的偏向角度，提高了PBS偏振膜面偏向角度的测量精度；而且本发明能够检测出已经成品的PBS镀膜面相对于其入射面的偏向角度，能够在激光器生产中提出其量化指标，对于公差范围以外的晶体不予以使用，这样能够极大地提高激光器量化生产的效率。同时为PBS厂家提供了一种新的出厂检测方法和途径，为工业化生产中每个PBS的安装提供相应的参考信息，有利于PBS生产过程的管理和控制。另外，本发明装置也可以测量那些不易拆卸的内部具有反射面的透明物体的相对角度。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (14)

1.一种测量PBS偏振膜面偏向角度的装置，其特征在于，包括：

带有PBS托架的工装支架，所述PBS托架用于放置PBS；

反射镜，设置在工装支架底部且位于PBS正下方；

成像单元，与PBS对应设置；

显像单元，与成像单元对应设置；

角度调节单元，设置在工装支架上，包括分别对反射镜及PBS托架进行角度调节的第一二维俯仰调节架和第二二维俯仰调节架；

动力单元，包括设置在工装支架上用于调节PBS托架高度的升降步进电机以及与显像单元连接用于调整显像单元位置的成像步进电机；

控制单元，用于连接和控制角度调节单元与动力单元，当入射光射向成像单元时，入射光通过在成像单元、PBS以及反射镜中不同的光传播方向而在显像单元上显示出若干亮点，控制单元调整所述反射镜对应的第一二维俯仰调节架的二维角度使所述亮点中最亮的两个亮点重合，得到PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像单元包括第一分束镜、第二分束镜和凸透镜，入射光的其中一部分依次通过第一分束镜、第二分束镜和凸透镜并在显像单元上形成最亮点。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述显像单元包括CCD相机。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述反射镜采用银镜，所述第一二维俯仰调节架位于所述银镜下方。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述反射镜采用银镜，所述第一二维俯仰调节架位于所述银镜下方。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括分析单元，所述分析单元用于分析亮点重合状态。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述PBS托架上位于所述PBS正下方设有通光孔。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一分束镜为1：1分束镜；所述第二分束镜为1：9分束镜。

9.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述凸透镜焦距f=150mm；所述银镜的表面形变小于1/6λ。

10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述凸透镜焦距f=150mm；所述银镜的表面形变小于1/6λ。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述CCD相机前放置有衰减片。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反射镜和PBS托架采用电子水平仪反馈其水平状态，并由控制单元依靠反馈信号控制第一二维俯仰调节架和第二二维俯仰调节架分别对所述反射镜和PBS托架进行调整。

13.一种测量PBS偏振膜面偏向角度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

启动控制单元，由控制单元控制升降步进电机将PBS托架调节至预定高度；

根据电子水平仪反馈的信号由控制单元控制第一二维俯仰调节架以及第二二维俯仰调节架分别使反射镜和PBS托架保持水平；

将入射光照射于成像单元的第一分束镜，所述入射光通过在第一分束镜、第二分束镜、凸透镜、PBS以及反射镜中不同的光传播方向而在CCD相机上成像多个亮点，所述各亮点显示在分析单元上；

分析单元计算各亮点的灰度值，选取灰度值最大和次大的两个亮点；

以灰度值最大的亮点为参考点，由控制单元控制反射镜所对应的第一二维俯仰调节架的二维角度，使灰度值最大和次大的两个亮点重合，所述第一二维俯仰调节架在X，Y方向上的相对偏移角即为PBS偏振膜面相对于入射面的偏向角。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述入射光照射于成像机构的第一分束镜时，入射光的一部分依序经过第一分束镜、第二分束镜以及凸透镜并在CCD相机上成像一个亮点，这时调节凸透镜与CCD相机的距离，使该亮点成像最小。

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