CN105136431A - 基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可以实现基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，主要解决现有系统测量精度不够高的问题。整个系统包括连续激光器、光路控制室、光电放大模块、反馈控制模块、测量转台和参数测量模块；激光器输出功率待稳定的激光，通过光路控制室后垂直照射到探测器上产生电流信号，光电放大模块将此电流信号放大为电压信号，反馈控制模块处理该电压信号得到反馈信号，以控制声光调制驱动器调节声光调制器以稳定激光的功率，高稳定度的激光入射到待测光学器件上，通过测量待测光学器件透过或反射得到的激光功率，来计算待测光学器件的透反射率。本发明具有测量精度高和操作简单等优点。

Description

基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统

技术领域

本发明属于激光测量技术领域。涉及一种通过声光调制激光光源的功率，从而使输出的激光功率稳定度高的系统，用于对光学器件的透反射率进行精准测量。

背景技术

光学器件的透反射率是评价光学器件的一个重要参数。通常用透过光学器件后的光通量与入射光通量之比来表征物体的透过率；用物体表面所能反射的光量和它所接受的光量之比来表征物体的反射率。在实际应用的各类光学系统设计过程中，由于系统对于光学器件的透反射率要求不同，需要确定光学器件的透反射率，因此非常有必要对光学器件的透反射率进行精准的测量。通常测量光学器件透反射率的方法可分为光强测量法和双光束差动法两大类。光强测量法是通过光电探测器直接测量光源射出的光功率，再测量经过待测光学器件反射或透射后的光功率，后者与前者之比即为透射率/反射率；这种方法要求光源的光功率在两次测量时保持不变，但实际光源只能在短时间内保持稳定，因此该方法测得的透反射率波动较大。双光束差动法采用激光器提供系统测量光源，激光器输出的光束被分束镜分束为反射光和透射光，其中反射光作为参考光源，直接被参考光电探测器接收，透射光作为测量光源；测量反射率时，测量光源经待测光学器件反射后被测量光电探测器接收，参考光源电探测器和测量光源电探测器输出的光电流分别被互阻放大电路线性转化为电压，再由同步采集卡采集后送给计算机进行处理，最终计算得到光学器件的反射率；测量透射率时，只需把测量光路上的测量光电探测器旋转到待测光学器件透射光方向接收即可。双光束差动法利用参考光来减少光源功率波动对测量精度的影响，相比光强测量法提高了测量精度。

目前，光学器件透反射率的测量系统广泛采用双光束差动法。如中国专利申请公布号为CN103018012A，名称为“一种光学器件透射率的测量方法及装置”的专利申请，其系统结构如图1所示，包括激光光源100、衰减器200、分束镜210、第一小孔板300、第二小孔板301、待测透镜500、第一光探测器600、第二光探测器601和计算机800；激光光源100输出的激光经过衰减器200后被分束镜210分为反射光和透射光，其中反射光作为参考光，经过第二小孔板301后进入第二光探测器601，透射光作为测量光，经过第一小孔板300后，再经过待测透镜500透射输出到第一光探测器600，计算机800接收第一光探测器600得到的测量激光功率信号和第二光探测器601得到的参考激光功率信号，将这两个激光功率信号进行处理后得到所述待测透镜500的透过率。该发明采用双光路等光程测量，达到了实时在线测量的目的，有效地减少了光源功率波动对测量结果的重复性以及对高透过镜片透过率测定的影响，能够对处于紫外波段的光学器件的透过率实现精确且方便的测量。但是由于该方法未对激光光源进行控制，并不能完全消除激光光源功率波动对测量精度的影响，测量精度不够高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术存在的不足，提出了一种基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，用于解决现有测量系统对光学器件的透反射率测量精度不够高的技术问题。

实现本发明目的的技术思路是：采用连续激光器作为测量系统光源，探测器作为信号采集器，声光调制器作为控制器，利用负反馈控制原理，实现系统输出激光功率的稳定控制，即可得到功率稳定度高的透射激光信号，使之通过测量光路，利用探测器测得在测量光路中放置转台上未放置光学器件及放置后的激光功率，然后利用相应的计算公式得到光学器件的透反射率。

根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：

一种基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，包括连续激光器、光路控制室、测量转台、测量模块、光电放大模块和反馈控制模块，其中：连续激光器，用于输出连续的激光信号；光路控制室，用于将接收到的连续激光信号分为反射激光信号和透射激光信号，同时接收反馈控制模块输出的超声波信号，实现对连续激光信号的功率实时调节；测量转台，用于固定待测光学器件；测量模块，用于将接收到的透射激光信号，进行光电转换为测量电压信号；光电放大模块，用于将接收到的反射激光信号，进行光电转换为反馈电压信号；反馈控制模块，与光电放大模块和光路控制室相连接，将接收到的反馈电压信号进行运算处理，得到超声波信号并输出到光路控制室中。

光路控制室垂直设置在连续激光器输出的激光信号光路中，测量转台上固定的待测光学器件与测量模块均设置在光路控制室输出的透射激光信号光路中，光电放大模块垂直设置在光路控制室输出的反射激光信号光路中。

上述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，光路控制室包括依次排列的1/2波片、第一偏振片、声光调制器、第二偏振片和分束镜，其中声光调制器用于接收反馈控制模块输出的超声波信号；分束镜用于将连续激光信号进行分束并输出。

上述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，测量模块，包括依次连接的测量探测器、测量电流放大器和六位半数字万用表。

上述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，光电放大模块包括衰减片、相互连接的反馈探测器和反馈电流放大器，衰减片放置在反馈探测器之前。

上述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，反馈控制模块包括：A/D转换器、FPGA电路、单片机模块和声光驱动器；其中FPGA电路接收A/D转换器采样获得的串行数字信号，将其处理并输出为实时功率数字信号及实时电压信号；单片机模块用于接收并显示实时功率数字信号，同时可用于调节激光信号的功率；声光调制驱动器处理接收到的实时电压信号，并输出相应的超声波信号。

上述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，测量转台包括固定装置、水平旋转台和夹持装置。

本发明与现技术相比，具有以下优点：

1)本发明由于在光路控制室中设置有声光调制器，接收反馈控制模块处理后经过声光驱动器输出的超声波信号，能够实时调节激光功率，使得测量光路的激光信号为功率稳定度高的激光信号，即有效减少了激光光源功率的波动，与现有技术直接使用激光光源作为测量光源相比，能够有效提高系统的测量精度。

2)本发明由于在反馈控制模块设置有单片机模块，能够接收并显示实时透射激光信号的功率值，增强了系统的可读性，并且可以根据不同的待测光学器件对测量激光功率的不同要求，来设定相应的透射激光信号的功率值，增加了系统的适用性。

附图说明

图1是现有光学器件透射率的测量装置的结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是图2中光路控制室的结构示意图；

图4是图2中光电放大模块的结构示意图；

图5是图2中反馈控制模块的结构示意图；

图6是图2中测量模块的结构示意图。

具体实施方式；

为了使本发明的目的、所解决的技术问题和技术方案更加清晰明了，以下结合附图对本发明作进一步详细描述。

图2-图6中白色粗箭头均表示激光信号，黑色窄箭头均表示电信号。

参照图2，本发明包括连续激光器、光路控制室、测量转台、测量模块、光电放大模块和反馈控制模块，其中:

连续激光器根据待测光学器件对光源的不同要求，选取对应的连续激光器作为本测量系统的光源，将其固定在光学平台上以保证输出激光信号的光路稳定；

光路控制室垂直设置在连续激光器输出的激光信号光路中，将接收到的连续激光信号分为反射激光信号和透射激光信号，同时接收反馈控制模块输出的超声波信号，实现对连续激光信号的功率实时调节，将激光信号调节为功率稳定度高的激光信号，再将其分为反射激光信号和透射激光信号并输出；

光电放大模块垂直设置在光路控制室输出的反射激光信号光路中，将接收到的反射激光信号，进行光电转换并输出为反馈电压信号；

反馈控制模块与光电放大模块和光路控制室经过信号线相连接，将接收到的反馈电压信号进行运算处理后，得到超声波信号并输出到光路控制室中。

测量转台包括自下而上设置的固定装置、水平旋转台和夹持装置，夹持装置用于固定待测光学器件，安装在水平旋转台上，并可以绕固定装置水平旋转，测量时，将待测光学器件放置在光路控制室输出的透射激光信号光路中，调节水平旋转台可以改变透射激光信号入射到待测光学器件表面的角度。

测量模块在测量转台上未放置光学器件时，垂直设置在光路控制室输出的功率稳定度高的透射激光信号光路中，以确保测量模块能准确测量此时透射激光信号的功率，在测量转台上放置光学器件后，将测量模块垂直设置在经光学器件透射/反射后的激光信号光路中，以确保测量模块能准确测量此时激光信号的功率；

参照图3，光路控制室包括依次排列的1/2波片、第一偏振片、声光调制器、第二偏振片和分束镜，连续激光信号进入光路控制室，依次通过垂直设置在光路中的1/2波片、第一偏振片、声光调制器和第二偏振片后，到达与光路成45°角放置的分束镜，激光信号经过分束镜后，将激光信号分束为反射激光信号和透射激光信号并输出，同时声光调制器接收反馈控制模块中声光驱动器输出的超声波信号，实时调节激光信号的功率并实现输出功率稳定度高的激光信号。

参照图4，光电放大模块包括衰减片、反馈探测器和反馈电流放大器，该反馈探测器的光敏面大于激光信号光斑的面积，以保证反馈探测器能够准确测量激光信号的功率，反射激光信号进入光电放大模块，垂直经过衰减片，将激光功率减少到反馈探测器可承受的范围内，然后进入反馈探测器进行光电转换，输出电流信号经过反馈电流放大器后输出为电压信号。

参照图5，反馈控制模块包括A/D转换器、FPGA电路、单片机模块和声光驱动器，反馈电流放大器输出的电压信号进入反馈控制模块，经过A/D转换器输出为24位串行数字信号，FPGA电路接收该数字信号，将其处理并输出为实时功率数字信号及电压信号，其中实时功率数字信号发送给单片机模块并显示，单片机模块还可以根据不同的待测光学器件设定相应的透射激光功率，声光驱动器接收FPGA电路输出的电压信号，并输出超声波信号。

参照图6，测量模块包括测量探测器、测量电流放大器和六位半数字万用表，在测量光路测量转台上未放置待测光学器件时，透射激光信号进入垂直放置在光路中的测量模块，经过测量探测器进行光电转换，输出电流信号经过测量电流放大器后输出为电压信号，使用六位半数字万用表采集该电压信号，即可得到此时测量光路上的功率E₁；在测量光路测量转台上放置待测光学器件后，测量透过光学器件或经过光学器件反射得到的激光功率E₂/E₃，根据公式T＝E₁/E₂计算得到该光学器件的透射率T，根据公式R＝E₁/E₃计算得到该光学器件的反射率R。

以上描述不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，其特征在于：包括连续激光器、光路控制室、测量转台、测量模块、光电放大模块和反馈控制模块，其中：

连续激光器，用于输出连续的激光信号；

光路控制室，用于将接收到的连续激光信号分为反射激光信号和透射激光信号，同时接收反馈控制模块输出的超声波信号，实现对连续激光信号的功率实时调节；

测量转台，用于固定待测光学器件；

测量模块，用于将接收到的透射激光信号，进行光电转换为测量电压信号；

光电放大模块，用于将接收到的反射激光信号，进行光电转换为反馈电压信号；

反馈控制模块，与光电放大模块和光路控制室相连接，将接收到的反馈电压信号进行运算处理，得到超声波信号并输出到光路控制室中；

光路控制室垂直设置在连续激光器输出的激光信号光路中，测量转台上固定的待测光学器件与测量模块均设置在光路控制室输出的透射激光信号光路中，光电放大模块垂直设置在光路控制室输出的反射激光信号光路中。

2.根据权利要求1所述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，其特征在于，所述光路控制室包括依次排列的1/2波片、第一偏振片、声光调制器、第二偏振片和分束镜，其中声光调制器用于接收反馈控制模块输出的超声波信号；分束镜用于将连续激光信号进行分束并输出。

3.根据权利要求1所述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，其特征在于，所述测量模块包括依次连接的测量探测器、测量电流放大器和六位半数字万用表。

4.根据权利要求1所述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，其特征在于，所述的光电放大模块包括衰减片、相互连接的反馈探测器和反馈电流放大器，衰减片放置在反馈探测器之前。

5.根据权利要求1所述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，其特征在于，所述的反馈控制模块包括：A/D转换器、FPGA电路、单片机模块和声光驱动器；其中FPGA电路用于接收A/D转换器采样获得的串行数字信号，将其处理并输出为实时功率数字信号及实时电压信号；单片机模块用于接收并显示实时功率数字信号，同时可用于调节激光信号的功率；声光调制驱动器用于处理接收到的实时电压信号，并输出相应的超声波信号。

6.根据权利要求1所述的基于声光调制的光学器件透反射率的测量系统，其特征在于，所述的测量转台包括固定装置、水平旋转台和夹持装置。