CN103353390B - 一种空气隙型偏光棱镜胶合误差的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气隙型偏光棱镜胶合误差的测量方法，借助于4f光学信息处理系统，包括以下步骤：a在系统的输入平面上放置待测棱镜；b在频谱面上放置一低通振幅型滤波器，用于消弱零级频谱和滤除二级及以上频谱；c在系统的输出平面上放置CCD探测器，并把CCD探测器与计算机相连；d通过上述计算机采集输出平面上的干涉光场的光强分布图样，根据光强分布图样计算得出条纹间距，并利用条纹间距与胶合误差之间的关系计算得出胶合误差。本发明借助4f光学信息处理系统，通过在频谱面加入合适的滤波器大幅度提高偏光棱镜透射光强的干涉条纹的可见度，并准确的测量干涉条纹间距；再借助胶合误差与偏光棱镜透射光强之间的关系计算出胶合误差。

Description

一种空气隙型偏光棱镜胶合误差的测量方法

技术领域

本发明涉及一类晶体偏光棱镜设计参量的测量方法，尤其是涉及一种偏光棱镜胶合误差的测量方法。

背景技术

空气隙型偏光棱镜，如格兰-泰勒棱镜和格兰-傅科棱镜，一般是由两块三角形晶体由中间开孔的垫片胶合而成，在两晶体之间形成一个空气隙。现有有关文献记载表明，空气隙是否平行，对偏光棱镜光强透射比会产生比较大的影响。人们把不平行的空气隙所形成的劈尖角叫做胶合误差。胶合误差在有些应用环境中是需要避免的，但有些情况下则需要借助胶合误差来实现某些特殊的光学现象。在利用胶合误差的环境中，虽然可以通过人为的设计厚度连续变化的中孔垫片来实现，但由于胶合过程还是需要借助胶来实现，所以实际胶合误差角与理论值还是有一定的差距。

因此，很有必要提供一种偏光棱镜胶合误差的定量测量方法。

发明内容

本发明的任务在于提供一种空气隙型偏光棱镜胶合误差的测量方法。

其技术解决方案是：

一种空气隙型偏光棱镜胶合误差的测量方法，包括提供一种4f光学信息处理系统，该4f光学信息处理系统包括照明点光源、准直透镜、系统的输入平面、第一傅立叶变换透镜、频谱面、第二傅立叶变换透镜与系统的输出平面，其中输入平面与相邻傅立叶变换透镜之间的距离、频谱面与相邻傅立叶变换透镜之间的距离，以及输出平面与相邻傅立叶变换透镜之间的距离均为f；上述测量方法包括以下步骤：

a在系统的输入平面上放置待测棱镜；

b在频谱面上放置一低通振幅型滤波器，用于消弱零级频谱和滤除二级及以上频谱；

c在系统的输出平面上放置CCD探测器，并把CCD探测器与计算机相连；

d通过上述CCD探测器和计算机采集输出平面上的干涉光场的光强分布图样，根据光强分布图样计算得出条纹间距，并利用条纹间距与胶合误差之间的关系计算得出胶合误差。

上述步骤b中，低通振幅型滤波器只允许零级和一级频谱分量通过，并且对一级频谱分量的振幅透射比为1，对零级频谱分量的透射比为光束在空气隙上的光强反射比的平方。

上述步骤d中，光强分布图样若存在条纹比较密集的情形，则采取用多个条纹的总宽度除以条纹个数的方式得出条纹间距。

上述步骤d中，包括以下算式：

$f=\frac{2\tan \mathrm{\ω}\cos j}{\mathrm{\λ}}$

$\mathrm{\ω}=\arctan \frac{\mathrm{f\λ}}{2\cos j}=\arctan \frac{\mathrm{\λ}}{2D\cos j}$

其中，f为条纹的空间频率，λ为入射光的波长，ω为胶合误差角，j是光束在空气隙上表面的折射角，由棱镜的切割角S确定，D=1/f是输出平面上干涉条纹的宽度。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明借助4f光学信息处理系统，通过在频谱面加入合适的滤波器，使本来无法分辨的干涉条纹成为清晰可见，从而大幅度提高偏光棱镜透射光强的干涉条纹的可见度，并可准确地测量干涉条纹间距；再借助胶合误差与偏光棱镜透射光强之间的关系定量计算出胶合误差。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作更进一步的说明：

图1为本发明中的光学信息处理系统的结构原理示意简图。

图2为本发明的具体应用情形示意图。

图3为格兰-泰勒棱镜的结构示意图。

图4为本发明中的低通振幅型滤波器一种实施方式的结构原理示意图。

具体实施方式

结合图1、图2与图3，一种空气隙型偏光棱镜胶合误差的测量方法，包括提供一种4f光学信息处理系统，该4f光学信息处理系统包括照明点光源S、准直透镜L₁、系统的输入平面P₁、第一傅立叶变换透镜L₂、频谱面P₂、第二傅立叶变换透镜L₃与系统的输出平面P₃，其中输入平面与相邻傅立叶变换透镜之间的距离、频谱面与相邻傅立叶变换透镜之间的距离，以及输出平面与相邻傅立叶变换透镜之间的距离均为f；上述测量方法包括以下步骤：

a在系统的输入平面上放置待测棱镜1；

b在频谱面上放置一低通振幅型滤波器2，用于消弱零级频谱和滤除二级及以上频谱；

c在系统的输出平面上放置CCD探测器3，并把CCD探测器与计算机相连；

d通过上述CCD探测器和计算机采集输出平面上的干涉光场的光强分布图样，根据光强分布图样计算得出条纹间距，并利用条纹间距与胶合误差之间的关系计算得出胶合误差。

上述步骤b中，低通振幅型滤波器只允许零级和一级频谱分量通过，并且对一级频谱分量的振幅透射比为1，对零级频谱分量的透射比为光束在空气隙上的光强反射比的平方。

上述步骤d中，对于条纹比较密集的情况，条纹间距的计算可以用过测量多个条纹的总宽度除以条纹个数的方式提高测量的精确度。

本发明所依据的光学原理如下：

既然空气隙型偏光棱镜的光强透射比随空间入射角的变化主要由空气隙决定，相关内容参见文献【格兰-泰勒棱镜光强透射比波动的成因及抑制方法精确分析，激光与光电子学进展，2013,50,052302-1～10】，其复振幅可表示为：

其中，R为光束在空气隙上的光强反射比，λ为入射光的波长，x为空气隙上建立的入射光束在空气隙上的中心位置为坐标原点，沿劈尖方向建立的坐标系的坐标，如图3所示，h₀为坐标原点对应的空气隙的厚度，ω为胶合误差角，j是光束在空气隙上表面的折射角，由几何关系与棱镜的切割角S有关

将待测棱镜置于光学信息处理系统的输入平面P₁，将一个振幅型滤波器置于频谱平面P₂，低通振幅型滤波器对零级分量的透过率为R²，并滤除二级及二级以上的项，这样，在输出平面上的复振幅变为

输出光强分布为

（3）

其中是初相位，不会影响条纹的宽度。这样在输出平面上得到的是衬度为1的条纹分布。由(3)式得条纹的空间频率f为

$f=\frac{2\tan \mathrm{\ω}\cos j}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

因此

$\mathrm{\ω}=\arctan \frac{\mathrm{f\λ}}{2\cos j}=\arctan \frac{\mathrm{\λ}}{2D\cos j}---\left(5\right)$

其中D=1/f是输出平面上干涉条纹的宽度。通过测量输出平面上的条纹宽度，可以方便的求解出胶合误差角的大小。

上述方式中，低通振幅型滤波器2可以这样实现，即：结合图4，其包括中部开有透口的第一薄片201、中部开有透口的第二薄片202、垫片203、振幅型滤光片204与黑纸片205；第一薄片201和第二薄片202由垫片203隔开并固定，在第一薄片与第二薄片之间形成置入腔，使用隔条将置入腔分隔成第一置入腔与第二置入腔，对应第一置入腔的薄片上透口区域小于对应第二置入腔的薄片上透口区域，振幅型滤光片插入第一置入腔，黑纸片插入第二置入腔。振幅型滤光片的振幅透过率为R²，使用中可令零级光谱通过该滤光片；黑纸片用于滤除二级及二级以上的光谱。上述黑纸片以小于第二置入腔为佳，这样可以根据频谱面上零级和一级光谱的位置关系进行方便地调整黑纸片在第二置入腔内的插入位置。

此外，还可根据需要测量的棱镜的几种类型，提前准备好相应透过率的滤光片，以便根据测量对象的不同方便选择。

实验例

以格兰-泰勒偏光棱镜为例，文献【格兰-泰勒棱镜光强透射比波动的成因及抑制方法精确分析，激光与光电子学进展，2013,50,052302-1～10】中借助人为给定胶合误差抑制棱镜光强透射比的波动，利用本发明实测的干涉条纹分布图，得出输出光强分布的条纹宽度为D=0.10mm，利用(5)式计算可得胶合误差角为ω=0.5043°，与需要用于光强透射比抑制所需要的胶合误差角ω≥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还可以作出这样或那样的容易变化方式，诸如等同方式，或明显变形方式。上述的变化方式均应在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种空气隙型偏光棱镜胶合误差的测量方法，其特征在于包括提供一种4f光学信息处理系统，该4f光学信息处理系统包括照明点光源、准直透镜、系统的输入平面、第一傅立叶变换透镜、频谱面、第二傅立叶变换透镜与系统的输出平面，其中输入平面与第一傅立叶变换透镜之间的距离、频谱面与第一傅立叶变换透镜及第二傅立叶变换透镜之间的距离，以及输出平面与第二傅立叶变换透镜之间的距离均为f；上述测量方法还包括以下步骤：

a在系统的输入平面上放置待测棱镜；

b在频谱面上放置一低通振幅型滤波器，用于消弱零级频谱和滤除二级及以上频谱；

c在系统的输出平面上放置CCD探测器，并把CCD探测器与计算机相连；

d通过上述CCD探测器和计算机采集输出平面上的干涉光场的光强分布图样，根据光强分布图样计算得出条纹间距，并利用条纹间距与胶合误差之间的关系计算得出胶合误差；

上述步骤b中，低通振幅型滤波器只允许零级和一级频谱分量通过，并且对一级频谱分量的振幅透射比为1，对零级频谱分量的透射比为光束在空气隙上的光强反射比的平方；

上述步骤d中，光强分布图样若存在条纹比较密集的情形，则采取用多个条纹的总宽度除以条纹个数的方式得出条纹间距；

上述步骤d中，包括以下算式：

$f=\frac{2tan\mathrm{\ω}\cos j}{\mathrm{\λ}}$

$\mathrm{\ω}=arctan\frac{f\mathrm{\λ}}{2\cos j}=arctan\frac{\mathrm{\λ}}{2D\cos j}$

其中，f为条纹的空间频率，λ为入射光的波长，ω为胶合误差角，j是光束在空气隙上表面的折射角，D＝1/f是输出平面上干涉条纹的宽度。