CN102564352B - 偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置和测量方法。该偏振分光棱镜测量装置包括一个用于放置待测偏振分光棱镜的载物平台、一个与载物平台连接的第一转台、一个与第一转台连接的第二转台、一个反射镜、至少两个光阑和一个激光光源。该第一转台和第二转台均在平面内旋转，该载物平台所在平面、第一转台的旋转平面和第二转台的旋转平面互相交叉。该反射镜设置在该第二转台。该激光光源产生的激光束依次通过该至少两个光阑后进入待测偏振分光棱镜。该反射镜用于反射自该偏振分光棱镜内出射的光束。本发明具有测量装置结构简单，在工业化生产中会大大提高生产效率。

Description

偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，尤其涉及一种针对PBS镀膜面角度的测量方法。

本发明还涉及一种测量方法，尤其涉及一种针对PBS镀膜面角度的测量装置。

背景技术

PBS是偏振分光棱镜的简称，PBS本身是由两个直角三角棱镜组合起来，并在胶合面上镀特定波长的偏振膜。当入射光射入时，PBS可将光分为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°。如果胶合面和底面有所偏差，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，必然会大大降低通过晶体后P光和S光的比值，当通过PBS晶体后P光中掺杂有大量S光时，晶体本身作用就降低了，在使用时会出现较大误差。比如在激光器量化生产中，相应PBS的位置是由机架件固定好的，如果PBS镀膜面偏向角度超过公差，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，必然会对工程化的生产产生很大的不便。所以测量PBS偏振膜面和底面角度(或者水平面)的问题就显得尤为重要。

现有测量装置是在两个三角棱镜没有就胶合之前，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，这样就会对偏向角度有所改变，实有待改善。同时，镀膜面和设定偏向角相差很多的话，会造成偏振光偏振态不纯的现象，这样大大影响激光器的出光质量。同时如果偏向角相差很大的话，也会引起指向的偏差，在工业化激光器生产中会大大降低生产效率。

现有技术的使用中的不便与不足，实有待改善。

发明内容

有鉴于此，有必要将所有的加工误差考虑进去，从而提出一种能够从整体测量PBS晶体偏振膜与水平面偏向角度的方法与装置。

本发明的另一目的是测量一些不易拆卸，且内部具有反射面的透明物体的偏向角方法与装置。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置，包括一个用于放置待测偏振分光棱镜的载物平台、一个与载物平台连接的第一转台、一个与第一转台连接的第二转台、一个反射镜、至少两个光阑和一个激光光源。该第一转台和第二转台均在平面内旋转，该载物平台所在平面、第一转台的旋转平面和第二转台的旋转平面互相交叉。该反射镜设置在该第二转台。该激光光源产生的激光束依次通过该至少两个光阑后进入待测偏振分光棱镜。该反射镜用于反射自该偏振分光棱镜内出射的光束。

进一步地，该至少两个光阑包括一个第一光阑和一个第二光阑，该激光光源产生的激光束依次通过该第一光阑和该第二光阑后进入待测偏振分光棱镜。

进一步地，第一光阑和该第二光阑的孔径中心在该载物平台所在平面的同一侧，且距该载物平台所在平面的垂直距离相同；该第一光阑和第二光阑之间的间距大于或者等于500毫米。

进一步地，定义该待测偏振分光棱镜的高度为H，该第一光阑和第二光阑的孔径中心距离该载物平台所在平面的距离为0.4H至0.6H。

进一步地，该第一转台的旋转平面与该载物平台所在平面垂直；该第二转台的旋转平面与第一转台的旋转平面垂直，同时也与载物平台所在平面垂直。

进一步地，该反射镜反射面与该载物平台所在平面平行；该反射镜活动设置于该第二转台。

进一步地，该反射镜反射面与载物平台所在平面的距离大于或者等于100毫米。

进一步地，该第一转台包括一个第一角度测量器，用于记录该第一转台的旋转角度位置；该第二转台包括一个第二角度测量器，用于记录该第二转台的旋转角度位置。

进一步地，该载物平台包括一个通孔，该通孔的尺寸小于该待测偏振分光棱镜的尺寸；该待测偏振分光棱镜设置在该通孔处，该待测偏振分光棱镜与该载物平台接触的面覆盖该通孔；自该至少两个光阑方向进入该待测偏振分光棱镜，并经该待测偏振分光棱镜镀膜面反射的光通过该通孔向该反射镜方向出射。

一种偏振分光棱镜镀膜面角度测量方法，包括：提供一个载物平台、一个与载物平台连接的中间转台和一个与中间转台连接的终端转台组，该终端转台组包括至少一个终端转台，该中间转台和每一终端转台在平面内旋转，载物平台所在平面、中间转台的旋转平面和每一终端转台的旋转平面互相交叉。设置一个反射镜于该终端转台组的与该载物平台转台相隔最多转台的终端转台，调节该中间转台、终端转台组和该反射镜中的一个或者多个，使该反射镜反射面与该载物平台所在平面平行，记录每一个转台的初始位置。将待测偏振分光棱镜设置在该载物平台。设置至少两个光阑，使激光束依次通过该至少两个光阑形成入射光束并使入射光束射入该待测偏振分光棱镜，该入射光经待测偏振分光棱镜的镀膜面反射形成第一出射光向该反射镜方向出射。调节中间转台和终端转台组，使该反射镜反射该第一出射光形成反射光，使该反射光经过该待测偏振分光棱镜的镀膜面反射形成第二出射光，使该第二出射光依次通过该至少两个光阑。记录每一个转台的当前位置。

通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、测量装置结构简单，是一个直接测量结果，包括了所有的加工误差问题，具有精准全面测量的优点；

2、能够为工业化生产中每个PBS的安装提供相应的参考信息，角度的测量能够在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，这样在后续的工业化生产中会大大提高生产效率。

附图说明

图1为本发明偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的测量装置主要是测量偏振分光棱镜晶体偏振膜和水平面偏向角度。此外本测量装置也可以测量那些不易拆卸，且内部具有反射面的透明物体。本发明的基本思想是：巧妙的利用光路可逆性原理，从而能够方便快捷的测量偏振分光棱镜相对于入射面的偏向角，这样能够为工业化生产中每个偏振分光棱镜的安装提供相应的参考信息。

通常光在通过偏振分光棱镜后，S光的出射方向是可以控制的(可以是水平的也可以是竖直的)，为了使工装设计紧凑，并且让各部分重心在竖直方向，本实施例中的可以使测量时通过偏振分光棱镜后S光的出射方向向下。

图1是本发明偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置的结构示意图。建立XYZ直角坐标系，定义在纸面为XY平面、X轴水平向右、Y轴书桌向上、Z轴垂直于纸面向内。本发明的偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置100包括一个载物台101、一个YZ转台103、一个XY转台105、一个反射镜107、一个第一光阑109、一个第二光阑111和一个激光器113。

该载物平台101水平设置，用来承载待测偏振分光棱镜115、该第一光阑109和该第二光阑111。

该YZ转台103成“L”型，包括一YZ转轴103和一第一刻度盘(图未示)，该YZ转台103通过该YZ转轴123固定于该载物平台上；且该YZ转台103围绕该YZ转轴123的轴线O1在YZ平面内左右旋转，该第一刻度盘用于记载该YZ转台围绕该轴线O1旋转的角度位置，其角度精度为0.05度，记录范围为-10度至+10度；在该第一刻度盘角度为0度时，该YZ转台103与该载物平台101相垂直。

该“L”型的YZ转台103与该载物平台101相配合整体上成“ㄈ”型。该YZ转台103还包括一个凸台(未标示)，该凸台自该YZ转台103本体向该载物平台101方向延伸。该XY转台105包括一个XY转轴125、一个承接面(未标示)和一个第二刻度盘(图未示)。该XY转台105通过该XY转轴125与该凸台相连接。该转轴125具有一轴线O2，该轴线O2与Z轴平行。该XY转台可以围绕该轴线O2在XY平面内左右旋转。该承接面用于固定该反射镜107，该反射镜107为银镜，其反射面面向该载物平台101。该第二刻度盘与该第一刻度盘参数相同，用来记录该XY转台105围绕轴线O2旋转的角度位置。在该YZ转台103与该载物平台101垂直时，调节该XY转台105，使反射镜107的反射面与载物平台101平行即使反射镜107的反射面处于水平平面，此时定义该第二刻度盘的度数为0，此时反射面距离该载物平台101的垂直距离为100毫米。

该第一光阑109和该第二光阑111设置在该载物平台101上，两者的中心小孔109位于处于同一高度，即两者的中心小孔109距离载物平台101的垂直距离L相同。该第一光阑109和第二光阑111的中心小孔109的连线与X轴平行。两个中心小孔109尺寸相同，均为1.5毫米，且两者的直线距离为500毫米。该激光器113发射出的光束依次通过该第一光阑109和该第二光阑111。该激光器113可以采用He-Ne激光器，其发出的光线的波长与待测偏振分光棱镜115的产生线偏振作用的波长不同时效果更好。

该载物平台101上设置有一个方孔117。该方孔117贯穿该载物平台101，其尺寸小于待测偏振分光棱镜121。一般情况下，该方孔117的尺寸可以为7.5mm×7.5mm。

在使用时，按照以下步骤操作：

步骤S101，将载物平台101调节到水平状态；将YZ状态103调节到竖直状态，使第一刻度盘的读数为0；将反射镜107的反射面调整到水平状态，使第二刻度盘的读数为0；本步骤可以使用水平仪作为辅助工具来调剂；

步骤S103，将待测偏振分光棱镜115设置在该载物平台101上；调节该待测偏振分光棱镜115的位置，使该待测偏振分光棱镜115与该载物平台101相接触的面(定义为底面)覆盖该方孔117，使方孔117处于该底面的中心，使该待测偏振分光棱镜115的一个侧面与YZ平面尽量平行，使激光光束从该待测偏振分光棱镜115的一个侧面入射时，该待测偏振分光棱镜115的镀膜面121会将该激光光束反射从底面穿过该方孔117向反射镜107的方向出射；

步骤S105，调节该第一光阑109和第二光阑111的中心小孔109的高度L和位置，使得两个中心小孔109的连线与X轴平行；L的值等于该待测偏振分光棱镜115的高度H的一半；该第一光阑109和第二光阑111之间的距离为500毫米；定义该待测偏振分光棱镜115面向该第二光阑111的侧面为入射面(未标示)；

步骤S107，使激光器113输出激光光束，调节激光器113位置和高度，使得激光器113输出的光束依次经过该第一光阑109和该第二光阑111，射向该待测偏振分光棱镜115并射向该镀膜面121；激光光束经过镀膜面121反射后自该待测偏振分光棱镜115与的底面出射，定义此时的激光光束为第一出射光；该第一出射光穿过该方孔117射向该反射镜107的反射面；

步骤S109，粗调节该YZ转台103，使其围绕轴线O1旋转，同时粗调节XZ转台105，使其围绕轴线O2旋转，使得第一出射光在该反射镜107的反射面处反射、射向该方孔117；该被反射面反射的光束光经过该待测偏振分光棱镜115的镀膜面121反射后，从该待测偏振分光棱镜115的入射面出射，定义自该入射面出射的光为第二出射光；

步骤S109，精细地调节该YZ转台103使其围绕轴线O1旋转，同时精细地调节XZ转台105，使其围绕轴线O2旋转，使得该第二出射光依次穿过该第二光阑111和该第一光阑109；

步骤S111，记录该YZ转台转过的角度A和该XY转台转过的角度B。

在完成以上步骤后，根据光线的折射定律和反射定律，即可以对该待测偏振分光棱镜115的镀膜面121的误差角度进行计算。

由于本发明利用光路的反射原理，通过调节反射镜107的位置，使激光器113输出入射进入该待测偏振分光棱镜115并出射至该反射镜107的光与该反射镜107反射且重新进入该待测偏振分光棱镜115并出射的光完全重合，从而使该待测偏振分光棱镜115的镀膜面121的位置、角度信息与该反射镜107的位置、角度信息产生可以计算的关系，从而依据测量该反射镜107的位置、角度信息计算出该镀膜面121的位置、角度信息。

同时，本发明巧妙设计YZ转台103和XY转台105，使得反射镜107的位置、角度信息便于测量，使得前述计算尽可能的得到简化，使得镀膜面121的测量和计算更简单方便。

同时，本发明仅包括两个光阑、一个平台、两个转台和一个反射镜，结构非常简便，制作方面、操作简易。

以上为本发明的发明构思的一个实施例体现，本发明还可以有以下变更实施方式：

一、该载物平台101不包括方孔117，该第一光阑109、该第二光阑111、该激光器113位于该载物平台101的朝向该反射镜107的一侧，即，使用时该待测偏振分光棱镜115设置在该反射镜107和该载物平台101之间。

二、该激光器113出射的光并非直接射向该第一光阑109，而是通过两个45度反射镜在射向该第一光阑109，此时可以减小整个测量系统的长度。

三、增设多个光阑，用来更好的准直激光器113出射的激光束和检验自待测偏振分光棱镜115入射面出射的第二出射光。

四、第一光阑109和第二光阑111的距离不是500毫米，可以是400毫米、600毫米、700毫米等任何可以确定一条直线的距离。该反射镜107距离该载物平台101可以不是100毫米，例如还可以为200毫米，理论上，距离越大精度越高，本发明中，该距离控制在1米以下较佳。该反射镜107也可以不是银镜，而是采用高反膜镀在该XY转台105上，后者采用其他高反器件安装在该XY转台105上。

五、光阑的中心小孔尺寸可以不是1.5毫米，也可是1毫米、2毫米等能够明确无误进行辨认的光束的尺寸；具体尺寸以小于3毫米为佳。第一刻度盘和第二刻度盘也可以是全角度测量，即360度角度测量；同时该第一刻度盘和第二刻度盘也可不是人工读数装置，可以是电子角度计量系统；光阑中心小孔119到该载物平台101的垂直距离L可以不是待测偏振分光棱镜115高度H的一半，为便于测量，L的值可以是0.4H至0.6H。

六、方孔117的尺寸可以为其他尺寸，只要小于该待测偏振分光棱镜115的尺寸，能使的该待测偏振分光棱镜115能够平稳的安置在该载物平台上即可。

七、该载物平台103可以不处于水平方向，此时设置一个固定器件，使得该待测偏振分光棱镜115在该检测系统使用时不发生位移即可。

八、该YZ转台103的旋转平面可以不与该载物平台101所在平面垂直，例如其旋转平面与该载物平台101所在平面成角度C，C小于180度，且C不等于90度，此时，只需要将YZ转台的最终角度A、XY转台的最终角度B结合该角度C进行直角坐标系换算，换算成A1和B1，之后再进行光的折射和反射计算，从而得出该镀膜面121的偏移角度。所谓角度C实际上是该YZ转台103初始位置的方向与该第一光阑109和该第二光阑113的中心小孔119形成的直线的夹角。

九、同第八种情况类似，该XY转台105的旋转平面也可以不与该载物平台所在平面垂直，同时也可以不与该YZ转台103的旋转平面垂直，例如与该载物平台101成角度D，D小于180度，且不等于90度，此时，只需要将YZ转台的最终角度A、XY转台的最终角度B结合该角度D进行直角坐标系换算，换算成A2和B2，之后再进行光的折射和反射计算，从而得出该镀膜面121的偏移角度。所谓角度D实际上是该XY转台105初始位置的方向与该第一光阑109和该第二光阑113的中心小孔119形成的直线的夹角。

十、结合第八和第九种情况，该YZ转台103的旋转平面与该载物平台101成角度C，C小于180度，且C不等于90度；该XY转台105的旋转平面也可与该载物平台101成角度D，D小于180度，且不等于90度；该载物平台101所在平面、该YZ转台103的旋转平面、该XY转台105的旋转平面相互交叉；此时，只需要结合角度C和角度D，将YZ转台的最终角度A、XY转台的最终角度B结合该角度D进行直角坐标系换算，换算成A3和B3，之后再进行光的折射和反射计算，从而得出该镀膜面121的偏移角度。所谓角度C实际上是该YZ转台103初始位置的方向与该第一光阑109和该第二光阑113的中心小孔119形成的直线的夹角。所谓角度D实际上是该XY转台初始105位置的方向与该第一光阑109和该第二光阑113的中心小孔119形成的直线的夹角。

十一、在第八、九、十的基础上，可以包括多个依次连接且旋转平面交叉的转台，处于终点的一个转台上设置反射镜。记录多个平台的测量前的初始角度和和测量后的最总角度等信息，从而计算出镀膜面的角度信息。

十二、所有的器件上均设置有自动调节高度、位置和角度的搞精度电动步进器件，实现从而实现高精度调节。

本发明不仅可以应用到偏振分光棱镜镀膜面角度的测量，还可以用用到其他晶体中有反射面的角度的测量。

当然，随着使用待测偏振分光棱镜115尺寸的不同，本测量方法与装置中的一些步骤与参数也会有一定改变，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种偏振分光棱镜镀膜面角度测量装置，其特征在于，该测量装置包括：一个用于放置待测偏振分光棱镜的载物平台、一个与载物平台连接的第一转台、一个与第一转台连接的第二转台、一个反射镜、至少两个光阑和一个激光光源；该第一转台和第二转台均在平面内旋转，该载物平台所在平面、第一转台的旋转平面和第二转台的旋转平面互相交叉；该反射镜设置在该第二转台；该激光光源产生的激光束依次通过该至少两个光阑后进入待测偏振分光棱镜；该反射镜用于反射自该偏振分光棱镜内出射的光束；该至少两个光阑包括一个第一光阑和一个第二光阑，该激光光源产生的激光束依次通过该第一光阑和该第二光阑后进入待测偏振分光棱镜；第一光阑和该第二光阑的孔径中心在该载物平台所在平面的同一侧，且距该载物平台所在平面的垂直距离相同；该第一光阑和第二光阑之间的间距大于或者等于500毫米。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，定义该待测偏振分光棱镜的高度为H，该第一光阑和第二光阑的孔径中心距离该载物平台所在平面的距离为0.4H至0.6H。

3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该第一转台的旋转平面与该载物平台所在平面垂直；该第二转台的旋转平面与第一转台的旋转平面垂直，同时也与载物平台所在平面垂直。

4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该反射镜反射面与该载物平台所在平面平行；该反射镜活动设置于该第二转台。

5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，该反射镜反射面与载物平台所在平面的距离大于或者等于100毫米。

6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该第一转台包括一个第一角度测量器，用于记录该第一转台的旋转角度位置；该第二转台包括一个第二角度测量器，用于记录该第二转台的旋转角度位置。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，该载物平台包括一个通孔，该通孔的尺寸小于该待测偏振分光棱镜的尺寸；该待测偏振分光棱镜设置在该通孔处，该待测偏振分光棱镜与该载物平台接触的面覆盖该通孔；自该至少两个光阑方向进入该待测偏振分光棱镜，并经该待测偏振分光棱镜镀膜面反射的光通过该通孔向该反射镜方向出射。

8.一种偏振分光棱镜镀膜面角度测量方法，其特征在于，该测量方法包括：

提供一个载物平台、一个与载物平台连接的中间转台和一个与中间转台连接的终端转台组，该终端转台组包括至少一个终端转台，该中间转台和每一终端转台在平面内旋转，载物平台所在平面、中间转台的旋转平面和每一终端转台的旋转平面互相交叉；

设置一个反射镜于该终端转台组的与该载物平台转台相隔最多转台的终端转台，调节该中间转台、终端转台组和该反射镜中的一个或者多个，使该反射镜反射面与该载物平台所在平面平行，记录每一个转台的初始位置；

将待测偏振分光棱镜设置在该载物平台；

设置至少两个光阑，使激光束依次通过该至少两个光阑形成入射光束并使入射光束射入该待测偏振分光棱镜，该入射光经待测偏振分光棱镜的镀膜面反射形成第一出射光向该反射镜方向出射；

调节中间转台和终端转台组，使该反射镜反射该第一出射光形成反射光，使该反射光经过该待测偏振分光棱镜的镀膜面反射形成第二出射光，使该第二出射光依次通过该至少两个光阑；

记录每一个转台的当前位置；

根据光线的折射定律和反射定律对待测偏振分光棱镜的镀膜面的误差角度进行计算。