CN105066910B - 电光晶体z轴偏离角测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电光晶体Z轴偏离角测量装置及测量方法，包括：按光路依次放置的激光器（101）、显微物镜（102）、针孔（103）、可调光阑（104）、准直透镜（105）、起偏器（106）、反射镜（107）、分束立方体（108）、光屏（109）、透镜一（110）、待测晶体（111）、透镜二（112）、检偏器（113）、成像透镜（114）、探测器（115）和计算机处理系统（116）；其中，起偏器（106）和检偏器（113）偏振方向垂直，透镜一（110）和透镜二（112）严格共轭，分束立方体（108）、反射镜（107）、待测晶体（111）和光屏（109）组成迈克尔逊干涉系统。通过利用迈克尔逊干涉原理实现晶体精密定位，采用图像匹配算法实现光轴出露点中心计算，完成电光晶体Z轴偏离角精密测量。相对于其他装置和方法具有测量精度高、测量方法简单、测量系统误差小和测量重复性好等优点。

Description

电光晶体Z轴偏离角测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，具体是一种电光晶体Z轴偏离角测量装置及测量方法。

背景技术

电极普克尔盒（PEPC）具有控制激光输出或隔离反射激光的功能，因此，在大型激光装置中，常用于作为级间隔离的重要手段。电光晶体是PEPC中的关键部件，决定着PEPC的性能，设计过程中要求其Z轴与通光面法线平行。因此需要实现Z轴偏离角的高精度测量。

传统的晶体光轴确定方法是X射线衍射法，但X射线衍射仪价格昂贵，需要专门的检验及防护措施，使用不便。而且其测量晶体光轴方向，需要预先知道该晶体的结构参数以及晶面与衍射峰的对应关系，测量方法复杂，测量范围有限。另一种方法是利用偏光显微镜来实现晶体偏振光干涉，利用目镜的分划板和目测的办法测出光轴出露点相对于视域中心的距离，结合显微镜的数值孔径可求出光轴偏离角，这种方法的误差较大（3°~5°）。

发明内容

本发明提供一种电光晶体Z轴偏离角测量装置和方法，解决现有的方法测量电光晶体Z轴偏离角方法复杂、测量范围有限或误差大的问题。

本发明的技术方案为：一种电光晶体Z轴偏离角测量装置，包括：按光路依次放置的激光器（101）、显微物镜（102）、针孔（103）、可调光阑（104）、准直透镜（105）、起偏器（106）、反射镜（107）、分束立方体（108）、光屏（109）、透镜一（110）、待测晶体（111）、透镜二（112）、检偏器（113）、成像透镜（114）、探测器（115）和计算机处理系统（116）；其中，起偏器（106）和检偏器（113）偏振方向垂直，透镜一（110）和透镜二（112）严格共轭，分束立方体（108）、反射镜（107）、待测晶体（111）和光屏（109）组成迈克尔逊干涉系统。

进一步地，透镜一（110）设有定位装置，保证其在移出光路后再次移入光路位置不变，仍与透镜二严格共轭。

进一步地，光屏（109）可以用CCD或CMOS成像器件代替。

进一步地，反射镜（107）的反射率与待测晶体（111）前表面的反射率在同一量级。

采用本发明的一种电光晶体Z轴偏离角测量装置测量电光晶体Z轴偏离角的方法，该方法主要包括以下步骤：

A、将透镜一（110）移出光路；

B、将可调光阑（104）调至最小，调整待测晶体（111）姿态，使待测晶体（111）前表面的反射光斑和反射镜（107）的反射光斑在光屏处重合；

C、将可调光阑（104）调至最大，继续调整待测晶体（111）姿态，直至光屏出现零级干涉条纹；

D、将透镜一（110）移入光路，计算机处理系统（116）采集锥光干涉图，计算光轴出露点位置；

E、计算机处理系统（116）完成计算待测晶体（111）Z轴偏离角。

进一步地，测量装置投入使用前，需对待测晶体（111）表面法线进行标定，其标定具体方法为：

（1）按照上述测量步骤A、B、C、D计算出光轴出露点的位置；

（2）旋转待测晶体（111）一定角度重复步骤A、B、C、D再次计算出光轴出露点的位置；

（3）重复步骤（2），完成多次测量，得到多组光轴出露点位置，利用最小二乘法拟合出其轨迹为圆形，圆心位置即为待测晶体（111）表面法线对应位置。

进一步地，步骤E中，计算待测晶体（111）Z轴偏离角的具体方法为：假设光轴出露点坐标为(x ₁,y ₁)，待测晶体（111）表面法线坐标为(x ₀,y ₀)，透镜一（110）焦距为f，透镜一（110）处光束口径为D，探测器（115）上光斑直径对应的像素数为N；

系统产生的锥光的锥角θ为：，

每个像素对应的角度大小，即角度分辨率Δθ为：

，

电光晶体Z轴偏离角α为：

。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明利用锥光干涉原理，采用迈克尔逊干涉原理实现晶体精密定位，通过图像匹配算法实现光轴出露点中心计算，具有测量精度高、测量方法简单、测量重复性好等优点，具有很大应用前景。

附图说明

图1本发明实验装置示意图；

图2本发明待测晶体精密定位光路示意图；

附图标记说明：101-激光器；102-显微物镜；103-针孔；104-可调光阑；105-准直透镜；106-起偏器；107-反射镜；108-分束立方体；109-光屏；110-透镜一；111-待测晶体；112-透镜二；113-检偏器；114-成像透镜；115-探测器；116-计算机处理系统。

具体实施方式

图1为本发明实验装置示意图，包括：按光路依次放置的激光器101、显微物镜102、针孔103、可调光阑104、准直透镜105、起偏器106、反射镜107、分束立方体108、光屏109、透镜一110、待测晶体111、透镜二112、检偏器113、成像透镜114、探测器115和计算机处理系统116；其中，起偏器106和检偏器113偏振方向垂直，透镜一110和透镜二112严格共轭，分束立方体108、反射镜107、待测晶体111和光屏109组成迈克尔逊干涉系统。

激光器101发出的光经显微物镜102、针孔103和准直透镜105扩束准直后变成平行光，入射至起偏器106形成线偏振光，再经透镜一110汇聚至待检晶体111，在晶体中发生双折射。光从待检晶体111中射出后再经由透镜二112准直成平行光，经过检偏器113后由成像透镜114汇聚至探测器115探测面。

测量装置投入使用前，需对待测晶体111表面法线进行标定，其标定具体方法为：

A、将透镜一110移出光路；

B、将可调光阑104调至最小，调整待测晶体111姿态，使待测晶体111前表面的反射光斑和反射镜107的反射光斑在光屏处重合；

C、将可调光阑104调至最大，继续调整待测晶体111姿态，直至光屏出现零级干涉条纹；

D、将透镜一110移入光路，计算机处理系统116采集锥光干涉图，计算光轴出露点位置；

F、旋转待测晶体111一定角度重复步骤A、B、C、D再次计算出光轴出露点的位置；

G、多次重复F步骤，完成多次测量，得到多组光轴出露点位置，利用最小二乘法拟合出其轨迹为圆形，圆心位置即为待测晶体111表面法线对应位置。

首先需要对待测晶体111的姿态进行精密定位，其实现方法如图2所示：将透镜一110移出光路，将可调光阑104调至最小，调整待测晶体111姿态，使待测晶体111前表面的反射光斑和反射镜107的反射光斑在光屏处重合；将可调光阑104调至最大，此时经反射镜107反射的参考光和待测晶体111前表面反射的测量光在光屏109处产生干涉，继续调整待测晶体111姿态，直至光屏109出现零级干涉条纹。此时待测晶体111定位精度达到波长量级，大大提高系统测量重复性。

然后将透镜一110移入光路，如图1所示，旋转起偏器106和检偏器113使起偏器106和检偏器113的偏振方向垂直，此时计算机处理系统116采集到锥光干涉图。

最后利用图像匹配算法完成锥光干涉图光轴出露点坐标(x ₁,y ₁)提取。

利用已知的待测晶体111表面法线坐标(x ₀,y ₀)，透镜一110焦距f，透镜一110处光束口径D，探测器115上光斑直径对应的像素数N。可以得到电光晶体Z轴偏离角α为：

。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (5)

1.一种电光晶体Z轴偏离角测量装置，其特征在于，包括：按光路依次放置的激光器(101)、显微物镜(102)、针孔(103)、可调光阑(104)、准直透镜(105)、起偏器(106)、反射镜(107)、分束立方体(108)、光屏(109)、透镜一(110)、待测晶体(111)、透镜二(112)、检偏器(113)、成像透镜(114)、探测器(115)和计算机处理系统(116)；其中，起偏器(106)和检偏器(113)偏振方向垂直，透镜一(110)和透镜二(112)严格共轭，分束立方体(108)、反射镜(107)、待测晶体(111)和光屏(109)组成迈克尔逊干涉系统；透镜一(110)设有定位装置，反射镜(107)的反射率与待测晶体(111)前表面的反射率在同一量级。

2.根据权利要求1所述的一种电光晶体Z轴偏离角测量装置，其特征在于，光屏(109)用CCD或CMOS成像器件代替。

3.采用权利要求1或2所述的一种电光晶体Z轴偏离角测量装置测量电光晶体Z轴偏离角的方法，其特征在于，该方法主要包括以下步骤：

A、将透镜一(110)移出光路；

B、将可调光阑(104)调至最小，调整待测晶体(111)姿态，使待测晶体(111)前表面的反射光斑和反射镜(107)的反射光斑在光屏处重合；

C、将可调光阑(104)调至最大，继续调整待测晶体(111)姿态，直至光屏出现零级干涉条纹；

D、将透镜一(110)移入光路，计算机处理系统(116)采集锥光干涉图，计算光轴出露点位置；

E、计算机处理系统(116)完成计算待测晶体(111)Z轴偏离角。

4.根据权利要求3所述的采用一种电光晶体Z轴偏离角测量装置测量电光晶体Z轴偏离角的方法，其特征在于，测量装置投入使用前，需对待测晶体(111)表面法线进行标定，其标定具体方法为：

(1)按照上述测量步骤A、B、C、D计算出光轴出露点的位置；

(2)旋转待测晶体(111)一定角度重复步骤A、B、C、D再次计算出光轴出露点的位置；

(3)重复步骤(2)，完成多次测量，得到多组光轴出露点位置，利用最小二乘法拟合出其轨迹为圆形，圆心位置即为待测晶体(111)表面法线对应位置。

5.根据权利要求3所述的采用一种电光晶体Z轴偏离角测量装置测量电光晶体Z轴偏离角的方法，其特征在于，步骤E中，计算待测晶体(111)Z轴偏离角的具体方法为：假设光轴出露点坐标为(x₁,y₁)，待测晶体(111)表面法线坐标为(x₀,y₀)，透镜一(110)焦距为f，透镜一(110)处光束口径为D，探测器(115)上光斑直径对应的像素数为N；

系统产生的锥光的锥角θ为：θ＝2arctan(D/2f)

每个像素对应的角度大小，即角度分辨率Δθ为：

Δθ＝θ/N＝2arctan(D/2f)/N≈D/Nf

电光晶体Z轴偏离角α为：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}\×\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}=\frac{D\sqrt{{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2}}{Nf}.$