CN103472556B

CN103472556B - 一种复合波片快轴垂直度调节装置及其调节方法

Info

Publication number: CN103472556B
Application number: CN201310462635.9A
Authority: CN
Inventors: 张璐; 胡强高; 罗勇; 王玥
Original assignee: Accelink Technologies Co Ltd
Current assignee: Accelink Technologies Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: WO2015043009A1; CN103472556A

Abstract

本发明公开一种复合波片快轴垂直度调节装置以及应用该装置的调节方法，调节装置包括偏振光源、反馈控制系统，偏振光源出射的平行线偏振光依次通过共传输轴放置的第一转盘、第二转盘、检偏器、光电探测器，第一转盘和第一电机连接，第二转盘和第二电机连接；反馈控制系统同光电探测器、第一电机、第二电机相连实现采集分析光电流数据并反馈控制第一电机和第二电机的旋转状态；所述第一转盘和第二转盘为中空结构，所述第一转盘中空结构内设置有固定第一波片的定位装置，所述第二转盘中空结构内设置有固定第二波片的定位装置；采用本发明装置针对复合波片快轴垂直度测量的精度高、测量速度快且简便易行。

Description

一种复合波片快轴垂直度调节装置及其调节方法

技术领域

本发明提出一种复合波片快轴调节装置及其调节方法，特别是一种用于调节复合波片中各单个波片之间的快轴垂直度的高精度反馈调节装置及其调节方法，属于偏振光学检测领域。

背景技术

波片常用作椭偏测量或光学测量中光信号偏振态的变换器件，它的特性常会对测量结果产生很大的影响。从组成结构和使用方法上看，波片可分为单个波片(以下简称单波片)和复合波片两大类；复合波片通常由两个或两个以上多级波片组成，其中相邻波片间的快轴相互垂直，即将一个波片的快轴与另一个相邻波片的慢轴相互平行，以得到所需的0～π相位延迟量的胶合波片。与单波片相比，复合波片具有更高的精度，甚至可以消除波片本身的色差，因此在光学仪器设计与光学测量中获得了广泛应用，例如基于旋转补偿器(即可旋转的复合双波片)的广义椭偏仪已经在薄膜和纳米材料测量领域大显身手。其中，两个旋转补偿器的工作性能对广义椭偏仪的整机特性有重要影响，其设计、对准及标定将直接影响到整个仪器的测量精度。期刊【Thin Solid Films,455-456,14–23(2004)】提到，在椭偏仪的设计制造过程中，必须保证所用到的每个旋转补偿器，即复合波片中两单波片的快轴严格垂直，否则会引起经过旋转补偿器的相位差产生高频振荡。

实际生产应用中，复合波片快轴垂直度的调节方式分手动调节和电动调节两种。手动调节高度依赖于操作人员的经验；以复合双波片为例，首先固定其中一个单波片，然后手动旋转另一单波片，当肉眼观察到复合波片的实际相位延迟接近理想值时，即认为调节完毕。这种方式虽然操作过程相对简单，但快轴垂直度的精度难以保证，在精度要求较高的场合往往难以满足实际精度要求。期刊【J.Opt.Soc.Am.A,18,1980(2001)】提到，电动对准方面，美国宾夕法尼亚州立大学的Collins等人借助于旋转检偏器式椭偏仪来实现复合双波片的快轴垂直度调节该方法将复合双波片看作特殊的测试样品并测量、计算其复合相位差，以此来指导调节双波片快轴的相对位置，尽管调节精度较高，但是调节过程相对复杂，且最终的调节精度与操作人员的经验有较大关系。此外，中国专利CN201110350098.X和CN201110349669.8中将复合双波片的两个单波片分别设置为固定和可旋转，利用旋转检偏器的方法(与旋转检偏器式椭偏仪的测量机理相似)测量、计算其复合相位差，以此指导第二个单波片的旋转，实现两个单波片间的快轴垂直度调节。如专利CN201110350098.X所述，电动调节方法和装置的关键在于所用控制电机(用于直接或间接带动波片或检偏器旋转)的旋转精度。可是，现有的电动对准方法均是建立在电机具有高旋转精度的假设之上，均未考虑电机自身的实际旋转精度所引入的误差，更没有考虑光源光强波动等客观因素引入的误差，这就导致实际调节结果与理想值之间总是存在一定的误差。所以，如何在充分考虑实际装置测量误差的条件下，实现复合波片快轴垂直度的快速、高精度对准，仍然是一个待解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种用于调节复合波片中各单个波片之间的快轴垂直度的高精度反馈调节装置及调节方法，该方法及装置能够在复合波片的若干个单波片快轴方向均未知的情况下，快速检测各单波片的快轴方向，并实现复合波片中相邻单波片间快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节。

本发明采用如下技术方案：

一种复合波片快轴垂直度调节装置，包括偏振光源、反馈控制系统，偏振光源出射的平行线偏振光依次通过共传输轴放置的第一转盘、第二转盘、检偏器、光电探测器，第一转盘和第一电机连接，第二转盘和第二电机连接；反馈控制系统同光电探测器、第一电机、第二电机相连实现采集分析光电流数据并反馈控制第一电机和第二电机的旋转状态；所述第一转盘和第二转盘为中空结构，所述第一转盘中空结构内设置有固定第一波片的定位装置，所述第二转盘中空结构内设置有固定第二波片的定位装置。

所述反馈控制系统设置有计算第一波片和第二波片快轴的垂直度误差Δθ的关系式：

Δ θ = \{\begin{matrix} \sqrt{\frac{{(1 + {cosδ}_{1})}^{2}}{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2}} \cdot {{[\frac{I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) - I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}{I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}]}^{2} - {σ_{F}}^{2}} - {Δα}^{2}} & I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) &GreaterEqual; I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) \\ - \sqrt{\frac{{(1 + {cosδ}_{1})}^{2}}{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2}} \cdot {{[\frac{I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) - I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}{I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}]}^{2} - {σ_{F}}^{2}} - {Δα}^{2}} & I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) < I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) \end{matrix}

其中，α为第一波片的快轴相对于起始位置的绝对旋转角度；θ为第一波片和第二波片快轴间的实际夹角；σ_F为调节装置中与α和θ无关的已知固定误差；δ₁、δ₂分别为第一波片和第二波片的相位延迟量；Δα为第一转盘和第二转盘的旋转精度；I_measure(kπ+π/2,θ)为反馈控制系统采集α＝kπ+π/2时的光电流数据，k为非负整数；I_ideal(kπ+π/2,π/2)为α＝kπ+π/2时的理想光电流值，其获得表达式如下：

I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) = \{\begin{matrix} I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot \frac{1 + {cosδ}_{1}}{1 + {cosδ}_{2}} \cdot [1 - \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot {Δα}^{2}}{{(1 + {cosδ}_{2})}^{2}}}] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) &GreaterEqual; \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot (1 + {cosδ}_{2}) \\ I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot \frac{1 + {cosδ}_{1}}{1 + {cosδ}_{2}} \cdot [1 + \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot {Δα}^{2}}{{(1 + {cosδ}_{2})}^{2}}}] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) < \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot (1 + {cosδ}_{2}) \end{matrix}

其中，K为光电探测器的量子效率、L为反馈调节装置的插入损耗、I_i为偏振光源的输入光强、I_measure(kπ,θ)为反馈控制系统采集α＝kπ的光电流数据。

所述偏振光源为输出特性稳定的线偏振光源或者是波长可调型偏振光源。

一种利用所述复合波片快轴垂直度调节装置的复合波片快轴垂直度调节方法，包括如下步骤：

步骤一：调节检偏器与偏振光源的偏振方向平行；

步骤二：将第一波片、第二波片分别固定于第一转盘、第二转盘的定位装置上，调节第一波片和第二波片的快轴，使两波片快轴方向基本相互垂直；

步骤三：同向、同速旋转第一转盘和第二转盘，反馈控制系统采集第一波片快轴相对于起始位置的绝对旋转角度α为α＝kπ和α＝kπ+π/2时的光电流数据I_measure(α,θ)，k为非负整数，由反馈控制系统中设置的计算第一波片和第二波片快轴垂直度误差Δθ的关系式获得Δθ；

步骤四：判断计算结果是否满足反馈控制系统中预设的Δθ误差容限Δθ_th；当满足设定误差容限时，反馈调节结束；当不满足设定误差容限时，根据Δθ计算值对第二转盘选择其旋转步长和旋转方向反馈调节第二波片的快轴角度，然后重复上步骤三的操作，直至Δθ计算结果满足反馈控制系统中对垂直度误差Δθ所设定的容限Δθ_th。

所述步骤一和步骤二之间还包括如下步骤：

步骤A：查找第二波片的快轴方位，做好标记后，将其从第二转盘上取下；

步骤B：查找第一波片的快轴方位，并做好标记，然后将第二波片放回第二转盘。

所述反馈控制系统在步骤三中采集k＝0，1，……，k时I_measure(0,θ)、I_measure(π/2,θ)、……I_measure(kπ,θ)和I_measure(kπ+π/2,θ)中的多组I_measure(α,θ)数据，由公式

\overset{&OverBar;}{I_{m e a s u r e}} (0, θ) = \sqrt{\frac{{[I_{m e a s r e} (0, θ)]}^{2} + {[I_{m e a s u r e} (π, θ)]}^{2} + ... + {[I_{m e a s u r e} (k π, θ)]}^{2}}{k}};

\overset{&OverBar;}{I_{m e a s u r e}} (\frac{π}{2}, θ) \sqrt{\frac{{[I_{m e a s u e} (\frac{π}{2}, θ)]}^{2} + {[I_{m e a s u e} (\frac{3 π}{2}, θ)]}^{2} + ... + {[I_{m e a s u e} (k π + \frac{π}{2}, θ)]}^{2}}{k}};

计算方均根和用其分别取代I_measure(kπ,θ)和I_measure(kπ+π/2,θ)，代入反馈控制系统中设置的关于Δθ和I_ideal(kπ+π/2,π/2)的表达式，计算出Δθ。

所述步骤A、步骤B中查找波片的快轴方位的具体实现方式为：将波片固定在转盘上，保证与光路器件共传输轴放置，旋转转盘直至光电探测器输出的光电流达到最大值。

本发明具有如下有益效果：

本发明的目的在于提供一种复合波片快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节装置及其调节方法，该方法及装置能够在复合波片的若干个单波片快轴方向均未知的情况下，快速检测各单波片的快轴方向，并实现复合波片中相邻单波片间快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节，其实际调节精度不会受测量装置中电机和转盘的实际旋转精度，以及装置中光源光强波动误差的影响，测量精度高、测量速度快且简便易行。

附图说明

图1为本发明所涉及的复合波片快轴垂直度反馈调节装置的基本结构示意图；

图2为本发明所涉及的复合波片快轴垂直度的快速检测与反馈调节方法的流程图；

其中：

1、偏振光源；

2、第一转盘；

3、第二转盘；

4、检偏器；

5、光电探测器；

6、反馈控制系统；

7、第一电机；

8、第二电机；

9、第一波片；

10、第二波片；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做出详细说明。

本发明所述的一种复合波片快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节装置的结构如图1所示，偏振光源1出射的平行线偏振光依次通过共传输轴放置的第一转盘2、第二转盘3和检偏器4，被共传输轴放置的光电探测器5接收并转变成光电流，反馈控制系统6采集分析光电流数据并反馈控制第一电机7和第二电机8的旋转状态；第一转盘2和第一电机7连接，第二转盘3和第二电机8连接，光电探测器5、第一电机7、第二电机8同反馈控制系统6相连接。所述第一转盘2和第二转盘3均为中空结构，第一转盘2和第二转盘3的中空结构内设置有定位装置，本实施例中采用中空结构的外围开有多个定位孔，通过此定位孔，将第一波片9和第二波片10分别固定在第一转盘2和第二转盘3的中空结构部分；并由第一电机7和第二电机8分别控制第一转盘2和第二转盘3的旋转状态。

所述光源1为输出特性稳定的线偏振光源，也可在输出特性稳定的自然光源后放置起偏器来得到线偏振光，其输出波长可根据第一波片9和第二波片10的工作波长具体选择，也可选择为波长可调型偏振光源。具体应用中可根据该光源的光斑大小和光束质量添加必要的扩束-准直透镜组。

所述第一转盘2和第二转盘3的应用要求是两个转盘的转动精度均应小于反馈控制系统6中设定的误差容限Δθ_th，通常的商用产品均可满足该应用要求。

所述检偏器4可采用二向色性偏振器或双折射偏振器中的一种。

所述光电探测器5为光电二极管、光电倍增管或CCD(Charge-coupled Device)线阵或面阵传感器，用于将探测到的光电流信号经数据采集卡传至计算机进行数据处理。

所述反馈控制系统6采集分析光电探测器5探测到的光电流数据后，尤其是第一波片9快轴相对于起始位置的绝对旋转角度α为α＝kπ和α＝kπ+π/2时的光电流数据，依据一定的反馈控制算法发出脉冲信号经电机驱动器调整电机的旋转状态。

所述第一电机7和第二电机8及其电机驱动器选用伺服电机、永磁式步进电机或反应式步进电机，以及与以上每种类型的电机相配套的电机驱动器。由于本发明中第一转盘2和第一电机7连接，第二转盘3和第二电机8连接，并由第一电机7和第二电机8分别控制第一转盘2和第二转盘3的旋转状态，实际应用中也可以选择已经将单个电机和单个转盘集成制作在一起的电动转盘商品来分别作为相连接的第一转盘2和第一电机7，以及相连接的第二转盘3和第二电机8。

所述第一波片9和第二波片10均为由晶体材料或聚合物材料制作的单个波片，或由单个波片胶合在一起的复合波片。

本发明所述的一种复合波片快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节装置实现功能的过程如下：

偏振光源1出射的平行线偏振光依次通过共传输轴放置的第一转盘2、第二转盘3和检偏器4后，被共传输轴放置的光电探测器5接收并转变成光电流，光电流数据经反馈控制系统6采集分析后，依据一定的反馈控制算法控制第一电机7和第二电机8的旋转状态，实现复合波片快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节。所述第一转盘2和第二转盘3可分别装夹、固定待连接的第一波片9和第二波片10；第一转盘2和第二转盘3由第一电机7和第二电机8分别控制其旋转状态。

本发明的创新点在于，本发明所述测量方法能够在复合波片中各个单波片快轴方向未知的情况下，快速检测各单波片的快轴方向，并实现两个单波片间快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节。下面结合附图2，以复合双波片中两个单波片之间快轴垂直度的调节为例，将复合波片快轴垂直度调节装置的工作原理及调节步骤陈述如下：

步骤一：调节检偏器与偏振光源1的偏振方向平行：开启本发明所述的复合波片快轴对准装置，保证测量装置中所有光路器件共传输轴放置。在第一波片9和第二波片10缺省的状态下，若偏振光源1输出光信号的偏振方向可调，调节偏振光源1的偏振方向；否则调节偏振轴方向已知的检偏器4的偏振轴方位；查找输出光电流最大值所对应的检偏器偏振轴方位，该方位即为检偏器4的偏振轴与偏振光源1的输出线偏振光偏振方向平行的位置。步骤一为波片快轴对准装置在最初启用时的操作步骤，其操作目的是保证偏振光源1和检偏器4的偏振方向相同，在连续操作的重复性测量中通常可省略。

步骤二：将第一波片9、第二波片10分别固定于第一转盘2、第二转盘3的定位装置上，调节第一波片9和第二波片10的快轴，使两波片快轴方向基本相互垂直。由于标记快轴的过程及调节过程中均会存在一定的人工误差，所以该调节为粗调。

其中，所述步骤一和步骤二之间还包括如下步骤：

步骤A：查找第二波片10的快轴方位，做好标记后，将其从第二转盘3上取下；

步骤B：查找第一波片9的快轴方位，并做好标记，然后将第二波片10放回第二转盘3；

所述步骤A、步骤B中查找波片的快轴方位的具体实现方式为：将波片固定在相应转盘上，保证与光路器件共传输轴放置，旋转转盘直至光电探测器输出的光电流达到最大值。对于快轴方向已知的第一波片9和第二波片10，步骤A和步骤B通常可省略。

步骤三：同时启动第一电机7和第二电机8，第一电机7带动载有第一波片9的第一转盘2旋转，第二电机8带动载有第二波片10的第二转盘3旋转，第一转盘2和第二转盘3旋转方向相同且旋转角速度均为w。在系统性能稳定的情况下，如果将第一波片9的快轴相对于起始位置的绝对旋转角度记作α(α＝wt，t＝0的起始时刻对应于α＝0，此后转盘每旋转半周，α的值增加π，如果转盘从t＝0的起始时刻开始旋转k周，α的值就从0增加到2kπ，其中k为非负整数)，并将第一波片9和第二波片10快轴间的实际夹角记作θ；由于当两个波片快轴完全垂直时应有θ＝π/2，通过下文关于步骤三的具体理论分析可以看出，两波片快轴的垂直度误差Δθ就是光电流函数I(α,θ)在θ＝π/2处关于θ求微分得到的θ的微分量，即有Δθ＝θ-π/2；反馈控制系统6采集α取特殊角度α＝kπ和α＝kπ+π/2时的光电流数据I_measure(α,θ)，其中k为非负整数，步骤三每次开始进行时反馈控制系统6自动将k的值清零并重新计数，而且第一转盘2和第二转盘3每旋转一周，k的数值增加2；由反馈控制系统6中设置的以下关系式，计算出两波片快轴的垂直度误差Δθ：

Δ θ = \{\begin{matrix} \sqrt{\frac{{(1 + {cosδ}_{1})}^{2}}{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2}} \cdot {{[\frac{I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) - I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}{I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}]}^{2} - {σ_{F}}^{2}} - {Δα}^{2}} & I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) &GreaterEqual; I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) \\ - \sqrt{\frac{{(1 + {cosδ}_{1})}^{2}}{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2}} \cdot {{[\frac{I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) - I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}{I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}]}^{2} - {σ_{F}}^{2}} - {Δα}^{2}} & I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) < I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) \end{matrix}

其中，θ为第一波片9和第二波片10快轴间的实际夹角，σ_F为调节装置中与α和θ无关的已知固定误差；δ₁、δ₂分别为第一波片9和第二波片10的相位延迟量；I_measure(kπ+π/2,θ)为反馈控制系统(6)采集α＝kπ+π/2时的光电流数据，k为非负整数；Δα为第一转盘2和第二转盘3的旋转精度；I_ideal(kπ+π/2,π/2)为α＝kπ+π/2时的理想光电流值，其表达式如下：

I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) = \{\begin{matrix} I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot \frac{1 + {cosδ}_{1}}{1 + {cosδ}_{2}} \cdot [1 - \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot {Δα}^{2}}{{(1 + {cosδ}_{2})}^{2}}}] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) &GreaterEqual; \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot (1 + {cosδ}_{2}) \\ I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot \frac{1 + {cosδ}_{1}}{1 + {cosδ}_{2}} \cdot [1 + \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot {Δα}^{2}}{{(1 + {cosδ}_{2})}^{2}}}] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) < \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot (1 + {cosδ}_{2}) \end{matrix}

上式中，K为光电探测器5的量子效率、L为反馈调节装置的插入损耗、I_i为偏振光源1的输入光强、I_measure(kπ,θ)为反馈控制系统(6)采集α＝kπ的光电流数据。

在步骤三所述的反馈调节过程中，为进一步减小误差，反馈控制系统6可采集k＝0，1，……，k时的多组I_measure(α,θ)数据，包括I_measure(0,θ)、I_measure(π/2,θ)、……I_measure(kπ,θ)和I_measure(kπ+π/2,θ)，其中非负整数k的取值可根据装置操作人员对实际调节装置调节速度和误差容限Δθ_th的具体需求进行选择；按其设置的关系式

\overset{&OverBar;}{I_{m e a s u r e}} (0, θ) = \sqrt{\frac{{[I_{m e a s r e} (0, θ)]}^{2} + {[I_{m e a s u r e} (π, θ)]}^{2} + ... + {[I_{m e a s u r e} (k π, θ)]}^{2}}{k}};

\overset{&OverBar;}{I_{m e a s u r e}} (\frac{π}{2}, θ) \sqrt{\frac{{[I_{m e a s u e} (\frac{π}{2}, θ)]}^{2} + {[I_{m e a s u e} (\frac{3 π}{2}, θ)]}^{2} + ... + {[I_{m e a s u e} (k π + \frac{π}{2}, θ)]}^{2}}{k}};

计算方均根和用其分别取代I_measure(kπ,θ)和I_measure(kπ+π/2,θ)，代入反馈控制系统6中设置的关于Δθ和I_ideal(kπ+π/2,π/2)的表达式，计算出Δθ。

步骤四：判断计算结果是否满足反馈控制系统6预设的Δθ误差容限Δθ_th。当满足设定误差容限时，反馈调节结束；当不满足设定误差容限Δθ_th时，根据Δθ计算值的大小和正负，对第二转盘3选择其旋转步长和旋转方向来反馈调节第二波片10的快轴角度，然后重复上步骤三的操作，直到后续步骤三中的计算结果满足预设的误差容限Δθ_th为止。

此处将步骤四中“调节第二波片10快轴角度”的途径表述为“对第二转盘3选择合适的旋转步长和旋转方向来反馈调节第二波片10的快轴角度”；实际上，第二转盘3的旋转角度直接对应于第二波片10快轴的旋转角度，而第二转盘3是由第二电机8带动旋转，电机和转盘的旋转角速度之间满足一定的比例关系，且该比例关系由电机和转盘之间所用传动装置的具体传动比数值决定，所以反馈控制系统6发送指令直接调的是第二电机8的转轴旋转步长和旋转方向，且该电机旋转步长与转盘旋转步长之比就等于两者旋转角速度之比；由于在实际应用中可直接选择将电机和转盘结合在一起的电动转盘商品，而该类产品的说明书中通常已经给出第二转盘3和第二电机8之间旋转角速度的比例关系，所以此处为使理解起来更为方便，将“调节第二波片10快轴角度”的途径表述为“对第二转盘3选择合适的旋转步长和旋转方向来反馈调节第二波片10的快轴角度”。同理，反馈控制系统6在发送指令旋转载有第一波片9的第一转盘2时，直接调的也是第一电机7；而且在本发明所述的调节装置中，第一转盘2的旋转角度同样直接对应于第一波片9快轴的旋转角度，且第一转盘2和第二转盘3之间、以及第一电机7和第二电机8之间通常型号完全相同。

其中，步骤三的具体理论分析如下文所示：

由图1可知，偏振光源1出射的平行线偏振光依次通过共传输轴放置的第一波片9、第二波片10和检偏器4后，经光电探测器5接收后变成光电流，光电流数据经反馈控制系统6采集分析后，依据一定的反馈控制算法反馈控制第一电机7和第二电机8的旋转状态，实现复合波片快轴垂直度的快速检测与高精度反馈调节。所述第一波片9和第二波片10分别由第一转盘2和第二转盘3装夹、固定；第一转盘2和第二转盘3分别由第一电机7和第二电机8控制其旋转状态。

在图1所示的光路结构中，第一波片9的相位延迟量δ₁和第二波片10的相位延迟量δ₂通常由生产厂家直接提供，或者可以根据生产厂家所提供的波片折射率和厚度等参数计算得出；第一波片9和第二波片10快轴之间的实际夹角为θ，当两个波片的快轴完全垂直时应有θ＝π/2；根据偏振光学的相关理论，图1所示光路结构中输入与输出光信号的Stokes表示，即S_i和S_o之间的关系为：

S_{o} = (\begin{matrix} A & A & 0 & 0 \\ A & A & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}) \cdot S_{i} = (\begin{matrix} A & A & 0 & 0 \\ A & A & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 \end{matrix}) \cdot (\begin{matrix} S_{0 i} \\ S_{1 i} \\ S_{2 i} \\ S_{3 i} \end{matrix}) = (\begin{matrix} A \cdot (S_{0 i} + S_{1 i}) \\ A \cdot (S_{0 i} + S_{1 i}) \\ 0 \\ 0 \end{matrix}) = (\begin{matrix} S_{0} \\ S_{1} \\ S_{2} \\ S_{3} \end{matrix}) - - - (1)

公式(1)中，A是α和θ的函数，其具体表达式如下：

\begin{matrix} A (α, θ) = 1 + \frac{1}{4} [1 + \cos 2 α + (1 - \cos 2 α) \cdot {cosδ}_{1}] \cdot {1 + \cos 2 (α + θ) + [1 - \cos 2 (α + θ)] \cdot {cosδ}_{2}} \\ + [\frac{1}{4} \cdot \sin 2 α \cdot \sin 2 (α + θ) \cdot (1 - {cosδ}_{1}) (1 - {cosδ}_{2})] + \sin α \cdot \sin (α + θ) \cdot {sinδ}_{1} \cdot {sinδ}_{2} \end{matrix} - - - (2)

在光强为I_i的线偏振光入射的情况下，本发明所述测量装置的接收端光电探测器单元的输出光电流I正比于该波长处输出光信号的Stokes表示法中S₀分量的光强，即

\begin{matrix} I (α, θ) = \frac{1}{4} \cdot K \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot (S_{0 i} + S_{1 i}) \cdot A (α, θ) \\ = \frac{1}{2} \cdot K \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot | E_{p} |^{2} \cdot A (α, θ) \\ = \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} A (α, θ) \end{matrix} - - - (3)

其中，光电探测器5的量子效率K通常已经在产品数据中给出，且K≤1；E_p为检偏器4透振方向的光振幅；L为本发明所述装置的总插入损耗，单位为dB，该损耗值可以测量得到。需要特别说明的是，对自变量α而言，I(α,θ)和A(α,θ)均是周期为π的函数。由于实际应用中任何类型的电机和转盘均有一定的旋转精度，偏振光源1的输出光强也会有一定的波动，所以即使第一波片9和第二波片10的快轴严格垂直(即θ＝π/2)，光电探测器5的实测光电流I_measure(α,θ)与其理论计算值I_ideal(α,θ)之间也会有一定的误差。在现有的几种复合波片快轴调节装置(或称光轴对准装置)中，光电流的误差来源主要有三种：(i)两个待对准波片的快轴不严格垂直引入的误差；(ii)电动转台的旋转精度引入的误差,该旋转精度最终决定于电机的旋转精度；(iii)与α和θ无关的已知固定误差，通常体现为光源光强波动引起的误差。在本发明所述的复合波片快轴调节装置中，上述三种光电流误差特性可通过如下方式进行分析：即分别考虑每种误差单独作用时的光电流误差，然后求出所有误差共同作用下的方均根误差。具体分析如下：

(i)第一波片9和第二波片10的快轴不严格垂直引入的光电流相对误差。其表达式如下:

σ_{1} = \frac{\frac{\partial}{\partial θ} A (α, \frac{π}{2}) \cdot Δ θ}{A (α, \frac{π}{2})} - - - (4)

其中，Δθ就是光电流函数I(α,θ)在θ＝π/2处关于θ求微分得到的θ的微分量，也就是两波片快轴的垂直度误差，并有Δθ＝θ-π/2，且A关于θ的偏导数为

\begin{matrix} \frac{\partial}{\partial θ} A (α, \frac{π}{2}) = \frac{1}{2} [1 + \cos 2 α + (1 - \cos 2 α) \cdot {cosδ}_{1}] \cdot \sin 2 α \cdot (1 - {cosδ}_{2}) \\ - [\frac{1}{2} \cdot \sin 2 α \cdot \cos 2 α \cdot (1 - {cosδ}_{1}) (1 - {cosδ}_{2})] - \sin^{2} α \cdot {sinδ}_{1} \cdot {sinδ}_{2} \end{matrix} - - - (4. a)

(ii)第一波片9和第二波片10的旋转精度引入的光电流相对误差。其表达式如下:

σ_{2} = \frac{\frac{\partial}{\partial α} A (α, \frac{π}{2}) \cdot Δ α}{A (α, \frac{π}{2})} - - - (5)

其中，Δα为第一转盘2和第二转盘3的旋转精度，该旋转精度最终决定于第一电机7和第二电机8的精度，可计算得到A关于α的偏导数为

\begin{matrix} \frac{\partial}{\partial θ} A (α, \frac{π}{2}) = \frac{1}{2} [1 + \cos 2 α + (1 - \cos 2 α) \cdot {cosδ}_{1}] \cdot \sin 2 α \cdot (1 - {cosδ}_{2}) \\ + \frac{1}{2} [1 - \cos 2 α + (1 + \cos 2 α) \cdot {cosδ}_{2}] \cdot \sin 2 α \cdot ({cosδ}_{1} - 1) \\ + [\frac{1}{2} \cdot \sin 4 α \cdot (1 - {cosδ}_{1}) \cdot (1 - {cosδ}_{2})] + \cos 2 α \cdot {sinδ}_{1} \cdot {sinδ}_{2} \end{matrix} - - - (5. a)

(iii)与α和θ无关的已知固定误差。通常装置的固定误差均可测量得到，或直接从相关器件的指标说明书中找到。以光源光强波动引起的光电流相对误差为例，根据公式(3)，实际输出光电流的相对误差为:

σ_{F} = \frac{Δ I}{I} = \frac{\frac{1}{2} \cdot K \cdot 10^{\frac{L}{10}} \cdot A (α, θ) \cdot {ΔI}_{i}}{\frac{1}{2} \cdot K \cdot 10^{\frac{L}{10}} \cdot A (α, θ) \cdot I_{i}} = \frac{{ΔI}_{i}}{I_{i}} - - - (6)

由此可知，实际输出光电流的相对误差总是等于光源光强波动引入的相对误差，通常情况下该误差可从偏振光源1的指标说明书中找到，或用光谱仪直接测出。

(iv)上述因素共同影响下的光电流总误差。光电探测器5的实测值I_measure(α,θ)与理想值I_ideal(α,π/2)之间的总误差为：

σ = \sqrt{{σ_{1}}^{2} + {σ_{2}}^{2} + {σ_{F}}^{2}} - - - (7)

当α＝kπ时，可认为

σ (k π, θ) = \frac{| I_{m e a s u r e} (k π, θ) - I_{i d e a l} (k π, \frac{π}{2}) |}{I_{i d e a l} (k π, \frac{π}{2})} = \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot {Δα}^{2}}{{(1 + {cosδ}_{2})}^{2}}} - - - (8. a)

当α＝kπ+π/2时，可认为

σ (k π + \frac{π}{2}, θ) = \frac{| I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) - I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) |}{I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})} = \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot ({Δα}^{2} - {Δθ}^{2})}{{(1 + {cosδ}_{1})}^{2}}} - - - (8. b)

由公式(8.a)可知，σ(kπ,θ)与Δθ无关，所以可利用已知的σ_F、δ₁、δ₂和Δα值计算出σ(kπ,θ)，然后求出α＝kπ时的光电流理想值I_ideal(kπ,π/2)，如公式(9)所示。

I_{i d e a l} (k π, \frac{π}{2}) = \{\begin{matrix} I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot [1 - σ (k π, θ)] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) &GreaterEqual; I_{m e a s u r e} (k π, \frac{π}{2}) \\ I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot [1 + σ (k π, θ)] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) < I_{m e a s u r e} (k π, \frac{π}{2}) \end{matrix} - - - (9)

其中I_estimate(kπ,π/2)为α＝kπ时，光电流理想值的估算值，其表达式如公式(9.a)所示。因其中的参数K、L和I_i均已知或可直接测量，所以该估算值可根据公式(9.a)直接算出。

I_{e s t i m a t e} (k π, \frac{π}{2}) = \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot A (k π, \frac{π}{2}) = \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot (1 + {cosδ}_{2}) - - - (9. a)

此处估算值I_estimate(kπ,π/2)的意义是在不考虑系统误差(如光源光强波动等)的情况下，仅根据调节装置中各器件的特征参数和整个光路的传输特性估算出的光电流值，如果光电流测量值大于估算值，说明测量值应大于理想值I_ideal(kπ,π/2)。注意此处引入了区别于估算值I_estimate(kπ,π/2)的光电流理想值I_ideal(kπ,π/2)，这是为了充分利用调节装置中的各种已知条件，包括已知量σ_F、δ₁、δ₂、Δα、K、L和I_i，尤其是k＝0，1，……，k时的多组光电流测量值I_measure(kπ,θ)和I_measure(kπ+π/2,θ)；因为整个的反馈调节过程实际上就是通过若干次的迭代计算，不断得到I_ideal(kπ,π/2)的优化计算值，进而实现Δθ的优化调节。同时根据公式(3)，认为光电流理想值I_ideal(kπ,π/2)和I_ideal(kπ+π/2,π/2)之间存在如下关系：

I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) = I_{i d e a l} (k π, \frac{π}{2}) \cdot \frac{1 + {cosδ}_{1}}{1 + {cosδ}_{2}} - - - (10)

综合以上公式，可以计算出两波片快轴的垂直度误差Δθ：

Δ θ = \{\begin{matrix} \sqrt{\frac{{(1 + {cosδ}_{1})}^{2}}{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2}} \cdot {{[\frac{I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) - I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}{I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}]}^{2} - {σ_{F}}^{2}} - {Δα}^{2}} & I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) &GreaterEqual; I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) \\ - \sqrt{\frac{{(1 + {cosδ}_{1})}^{2}}{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2}} \cdot {{[\frac{I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) - I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}{I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2})}]}^{2} - {σ_{F}}^{2}} - {Δα}^{2}} & I_{m e a s u r e} (k π + \frac{π}{2}, θ) < I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) \end{matrix} - - - (11)

其中，理想光电流值I_ideal(kπ+π/2,π/2)的表达式如下：

I_{i d e a l} (k π + \frac{π}{2}, \frac{π}{2}) = \{\begin{matrix} I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot \frac{1 + {cosδ}_{1}}{1 + {cosδ}_{2}} \cdot [1 - \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot {Δα}^{2}}{{(1 + {cosδ}_{2})}^{2}}}] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) &GreaterEqual; \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot (1 + {cosδ}_{2}) \\ I_{m e a s u r e} (k π, θ) \cdot \frac{1 + {cosδ}_{1}}{1 + {cosδ}_{2}} \cdot [1 + \sqrt{{σ_{F}}^{2} + \frac{\sin^{2} δ_{1} \cdot \sin^{2} δ_{2} \cdot {Δα}^{2}}{{(1 + {cosδ}_{2})}^{2}}}] & I_{m e a s u r e} (k π, θ) < \frac{K}{2} \cdot 10^{- \frac{L}{10}} \cdot I_{i} \cdot (1 + {cosδ}_{2}) \end{matrix}

由此，根据所得到的Δθ的大小和正负，判断其是否满足设定的Δθ误差容限；如果满足，反馈调节结束；当不满足设定误差容限时，根据Δθ计算值的大小和正负，对第二转盘3选择其旋转步长和旋转方向来反馈调节第二波片10的快轴角度，然后重复上步骤三的操作，直到后续步骤三中的计算结果满足预设的Δθ误差容限为止。此时，复合波片的总相位延迟量δ＝|δ₂-δ₁|。

本发明所述方法实际上是通过多次迭代计算并进行相应反馈调节来逐步接近调节的最优值，即θ＝π/2。因第一波片9和第二波片10的快轴经过步骤二的调节后已经基本垂直，通常情况下|Δθ|＜5°，所以本发明所述方法的调节速度很快，而且因为该方法充分考虑了影响光电流测量误差的各种因素，所以调节精度极高，理论上可以将误差Δθ调节为0。

以上为由两个单波片组成的复合波片进行快轴垂直度调节的具体操作步骤。对于由多个单波片组成的复合波片，例如对由几层不同的聚合物或晶体精确对准层叠而成的消色差波片，可以首先将组成复合波片的两个单波片分别看作第一波片9和第二波片10，并采用本发明所述的调节装置，依照上述调节步骤进行快轴垂直度的调节；然后将调节好的两个单波片胶合，并将胶合好的复合波片看作一个新的单波片，采用本发明所述的调节装置和调节方法将其与待胶合的下一个单波片进行快轴的垂直度调节，并将调节好的波片胶合；以此类推，将胶合好的复合波片重新看作一个新的单波片，继续与剩余的单波片进行对准，等等。此外，还可先将组成复合波片的若干个单波片进行分组，每组两个单波片，分别采用采用本发明所述的调节装置和调节方法调节每组单波片的快轴相互垂直，并将调节好的每组波片胶合；例如对由5个单波片组成的复合波片，可首先将组成该复合波片的第一个和第二个单波片分组调节并胶合，将组成该复合波片的第三个和第四个单波片分组调节并胶合，然后将胶合好的波片重新看作新的单波片，将由第三个和第四个单波片胶合的复合波片与第五个单波片进行快轴垂直度的调节并胶合，然后将该胶合波片作为新的第二波片10，将由第一个和第二个单波片胶合的复合波片作为新的第一波片9，进行快轴垂直度的调节及胶合即可。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的各种等效或修改，都在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种复合波片快轴垂直度调节装置，其特征在于：包括偏振光源(1)、反馈控制系统(6)，偏振光源(1)出射的平行线偏振光依次通过共传输轴放置的第一转盘(2)、第二转盘(3)、检偏器(4)、光电探测器(5)，第一转盘(2)和第一电机(7)连接，第二转盘(3)和第二电机(8)连接；反馈控制系统(6)同光电探测器(5)、第一电机(7)、第二电机(8)相连实现采集分析光电流数据并反馈控制第一电机(7)和第二电机(8)的旋转状态；所述第一转盘(2)和第二转盘(3)为中空结构，所述第一转盘(2)中空结构内设置有固定第一波片(9)的定位装置，所述第二转盘(3)中空结构内设置有固定第二波片(10)的定位装置；所述反馈控制系统(6)设置有计算第一波片(9)和第二波片(10)快轴的垂直度误差Δθ的关系式：

其中，α为第一波片(9)的快轴相对于起始位置的绝对旋转角度；θ为第一波片(9)和第二波片(10)快轴间的实际夹角；σ_F为调节装置中与α和θ无关的已知固定误差；δ₁、δ₂分别为第一波片(9)和第二波片(10)的相位延迟量；Δα为第一转盘(2)和第二转盘(3)的旋转精度；I_measure(kπ+π/2,θ)为反馈控制系统(6)采集α＝kπ+π/2时的光电流数据，k为非负整数；I_ideal(kπ+π/2,π/2)为α＝kπ+π/2时的理想光电流值，其获得表达式如下：

其中，K为光电探测器(5)的量子效率、L为反馈调节装置的插入损耗、I_i为偏振光源(1)的输入光强、I_measure(kπ,θ)为反馈控制系统(6)采集α＝kπ的光电流数据。

2.如权利要求1所述的一种复合波片快轴垂直度调节装置，其特征在于：所述偏振光源(1)为输出特性稳定的线偏振光源或者是波长可调型偏振光源。

3.如权利要求1所述的一种复合波片快轴垂直度调节装置，其特征在于：所述第一转盘(2)和第二转盘(3)的旋转精度Δα均小于反馈控制系统(6)中设定的误差容限Δθ_th。

4.一种利用权利要求1所述复合波片快轴垂直度调节装置的复合波片快轴垂直度调节方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：调节检偏器(4)与偏振光源(1)的偏振方向平行；

步骤二：将第一波片(9)、第二波片(10)分别固定于第一转盘(2)、第二转盘(3)的定位装置上，调节第一波片(9)和第二波片(10)的快轴，使两波片快轴方向基本相互垂直；

步骤三：同向、同速旋转第一转盘(2)和第二转盘(3)，反馈控制系统(6)采集第一波片(9)快轴相对于起始位置的绝对旋转角度α为α＝kπ和α＝kπ+π/2时的光电流数据I_measure(α,θ)，k为非负整数，θ为第一波片(9)和第二波片(10)快轴间的实际夹角；由反馈控制系统(6)中设置的计算第一波片(9)和第二波片(10)快轴的垂直度误差Δθ的关系式获得Δθ；

步骤四：判断计算结果是否满足反馈控制系统(6)预设的Δθ误差容限Δθ_th ；当满足设定误差容限时，反馈调节结束；当不满足设定误差容限Δθ_th时，根据Δθ计算值的大小和正负，对第二转盘(3)选择其旋转步长和旋转方向来反馈调节第二波片(10)的快轴角度，然后重复上步骤三的操作，直到后续步骤三中的计算结果满足预设的误差容限Δθ_th为止。

5.如权利要求4所述的一种复合波片快轴垂直度调节方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二之间还包括如下步骤：

步骤A：查找第二波片(10)的快轴方位，做好标记后，将其从第二转盘(3)上取下；

步骤B：查找第一波片(9)的快轴方位，并做好标记，然后将第二波片(10)放回第二转盘(3)。

6.如权利要求4或5所述的一种复合波片快轴垂直度调节方法，其特征在于：所述反馈控制系统(6)在步骤三中采集k＝0，1，……，k时I_measure(0,θ)、I_measure(π/2,θ)、……I_measure(kπ,θ)和I_measure(kπ+π/2,θ)中的多组I_measure(α,θ)数据，由公式

计算方均根和用其分别取代I_measure(kπ,θ)和I_measure(kπ+π/2,θ)，代入反馈控制系统(6)中设置的关于Δθ和I_ideal(kπ+π/2,π/2)的表达式，计算出Δθ。

7.如权利要求5所述的一种复合波片快轴垂直度调节方法，其特征在于：所述步骤A、步骤B中查找波片的快轴方位的具体实现方式为：将波片固定在转盘上，保证与光路器件共传输轴放置，旋转转盘直至光电探测器输出的光电流达到最大值。