CN106124167B - 超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统 - Google Patents

超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，用于解决现有技术精度和稳定性低及操作复杂的问题，包括光路控制模块、参数测量模块、基准测量模块和测量控制模块；其中光路控制模块，包括位于激光器主光轴上的汇聚凸透镜、光阑、轴向位移台控制的准直凸透镜、电机旋转台控制的偏振片组和分束镜；参数测量模块，包括积分球、位于积分球入光孔前的透射样品载样台、位于积分球内表面的散射样片载样台和光敏面紧贴有窄带滤波片的探测器；基准测量模块包括依次排布于次光路上的衰减片、窄带滤波片和探测器；测量控制模块包括依次连接的前置放大器、除法器、数据采集卡和计算机。本发明具有操作简单、测量稳定和精度高的优点。

Description

超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统
技术领域
本发明属于光学测试技术领域，涉及一种超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，可用于光学表面粗糙度的度量。
背景技术
超高反射镜，即散射、透射、衍射等损耗较小的光学元件。该元件的散射、透射和衍射损耗是影响其性能的关键因素，对这些参数的准确测量在很多技术领域都有着非常重要的价值。如：激光陀螺系统中，超高反射镜的散射和透射特性是影响其精度最主要的因素之一，精确的测量对激光陀螺的制备具有非常重要的指导意义；超高反射镜制备过程中，散射特性直接反映了元件表面的微观信息和薄膜微观质量，精确的超高反射镜的散射率的测量对获取元件表面的微观特征信息，评定光学元件表面微光质量以及提高薄膜的微观质量，改进光学薄膜的沉积工艺等方面都具有重要价值。
目前，常见的散射率/透射率测量的方法有角分辨测量法和总积分测量法。其中角分辨散射测量法是利用散射光的光强及其分布来测量散射率/透射率，一束激光投射到样品表面上后，其镜向方向的反射光和散射光分布在一个半球面内，且半球面内各点的光强不同，通过探测器接收这些不同分布的光强，然后经过统计学计算，得到被测表面的散射率；其透射光位于镜片之后，通过探测器接收些光强，经过计算，得到被测表面的透射率。该方法由于在半球面内需要进行大量测量并通过统计学估算散射率，所以操作复杂且精度低。目前普遍采用总积分测量法，总积分测量法中，激光器输出激光经斩波器调制，照射到待测样片表面，散射光或透射光进入积分球，经积分球多次反射，通过探测器接收，经过与斩波器的参考信号进行相关计算，得到被测表面散射率或透射率。但总积分测量法仍受到环境光和激光器不稳定性的影响，造成测量精度及稳定性低。例如：2008年8月，侯海英在《常熟理工学院学报》第22卷第8期发表的“光学表面的光散射测量方法”中，详细阐述了光学表面的光散射积分测量方法。该方法中，激光经排布于激光器主光轴上的斩波器、凸透镜和光阑的调制后，照射到待测样片表面。透射光或散射光经积分球多次反射后，被探测器采集。经过锁相放大器对探测器信号解调，通过计算机计算得到散射率。该方法具有较高的准确度,但仍未能有效的解决光源能量抖动的影响，造成稳定性低；同时未能对测量环境进行有效控制，造成测量精度低；而且需要斩波器调制激光并通过锁相放大器解调，造成操作复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，用于解决现有测量系统存在的精度和稳定性低及操作复杂的技术问题。
本发明的技术思路是：采用连续激光器作为激光光源，光路部分通过透镜、偏振片对激光光斑质量和偏振态进行调制，经分束镜分光，一路经衰减片、窄带滤波片进入探测器，探测器实现光电转换，转换后的电信号进入除法器；另一路经待测物、积分球进入探测器，探测器实现光电转换，并通过前置放大器放大电信号进入除法器，与另一路电信号进行除法运算。通过FPGA电路控制A/D模拟数字转换器对除法器的输出电流信号进行数据转换、采集和处理，并将处理结果传输至计算机，进入人机交互界面显示。与此同时，计算机将相应的控制信息发送至不同的电机控制台，通过电机的转动实现激光光斑大小、激光偏振态、和样品测量位置的控制。
根据上述技术思路，实现本发明目的采取的技术方案为：
一种超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，包括：光路控制模块1、参数测量模块2、基准测量模块3和测量控制模块4；其中：
光路控制模块1包括激光器11、汇聚凸透镜12、光阑13和分束镜18，汇聚凸透镜12、光阑13和分束镜18依次排布在激光器11的输出光路上，且中心与该激光器11的主光轴重合，其中光阑13位于汇聚凸透镜12的焦点处。
参数测量模块2包括透射样品载样台21、积分球25、散射样品载样台26和第一探测器23，其中积分球25的入光孔位于激光器11的主光轴上；透射样品载样台21位于积分球25的入射端；散射样品载样台26位于积分球25的内表面；第一探测器23位于积分球25的内表面。
基准测量模块3包括衰减片31和第二探测器33，该衰减片31和第二探测器33位于分束镜18的次光路上。
测量控制模块4包括依此相连的前置放大器44、数据采集卡42和计算机41。
光阑13后依此设置有准直凸透镜15和偏振片组17，且其中心位于激光器11的主光轴上，通过轴向位移台14和电机旋转台16的控制，实现对激光光斑大小的调节和偏振态的调制；透射样品载样台21和散射样品载样台26用于安装待测超高反射镜，并分别通过透射样品位移台22和散射样品位移台27控制；第一探测器23的前端设置有第一窄带滤波片24，第二探测器33的前端设置有第二窄带滤波片32，用于过滤环境光；前置放大器44后连接有除法器43，用于对基准测量模块3的输出信号与前置放大器44的输出信号进行除法运算。
上述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，激光器11，采用连续激光器。
上述汇聚凸透镜12和准直凸透镜15，采用相同规格的凸透镜。
上述偏振片组17，由S偏振片、P偏振片和圆偏振片组成，且呈扇形排布。
上述透射样品位移台22和散射样品位移台27，均采用二维移动的位移台。
上述第一窄带滤波片24和第二窄带滤波片32，其中心波长与激光器11中心波长相等。
上述待测超高反射镜位于激光器11的主光轴上。
上述第一探测器23和第二探测器33，均采用相同规格的光电倍增管。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1本发明由于在参数测量模块的第一探测器和基准测量模块的第二探测器前分别设置有用于过滤环境光的窄带滤波片，在透射样品载样台连接了透射样品位移台，在散射样品载样台连接了散射样品位移台，实现待测超高反射镜的高精度移动，测量控制模块中运用了除法器，通过对基准测量模块的输出信号和参数测量模块的输出信号相除，有效去除激光光源的不稳定性。与现有技术相比，有效地提高了超高反射镜的积分散射率/积分透射率的测量精度。
2本发明由于在透射样品载样台连接了透射样品位移台，在散射样品载样台连接了散射样品位移台，实现待测超高反射镜的高精度移动，测量控制模块中运用了除法器，通过对基准测量模块的输出信号和参数测量模块的输出信号相除，有效去除激光光源的不稳定性。与现有技术相比，有效地提高了超高反射镜的积分散射率/积分透射率测量稳定性。
3本发明由于采用由计算机控制的轴向位移台、电机旋转台、透射样品位移台和散射样品位移台，实现了超高反射镜的积分散射率/积分透射率的测量的自动化控制，与现有技术相比，简化了测量操作。
4本发明由于在光阑后加入由轴向位移台控制的准直凸透镜，通过移动控制激光光斑大小，与现有技术相比，实现了超高反射镜的积分散射率/积分透射率测量面积的实时调节。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括光路控制模块1、参数测量模块2、基准测量模块3和测量控制模块4；其中：
光路控制模块1，包括激光器11、汇聚凸透镜12、光阑13、轴向位移台14、准直凸透镜15、电机旋转台16、偏振片组17和分束镜18，其中汇聚凸透镜12、光阑13、准直凸透镜15、偏振片组17、分束镜18由依次排布于激光器11的主光轴上，且中心与该激光器11的主光轴重合，其中光阑13位于汇聚凸透镜12的焦点处。汇聚凸透镜12与准直透镜15采用相同规格的凸透镜。轴向位移台14与准直凸透镜15结合安装，电机旋转台16与偏振片组17结合安装。偏振片组17，由S偏振片、P偏振片和圆偏振片组成，且呈扇形排布。为实现光源单色性与稳定性，激光器11选取连续激光器。激光器11输出激光经汇聚凸透镜12汇聚于光阑13处，经光阑13过滤激光在光路中反折射形成的激光光晕后，照射到准直透镜15上。由轴向位移台14控制的准直凸透镜15可沿光轴方向移动，实现了激光光斑大小的实时调节。电机旋转台16控制的偏振片组沿垂轴方向转动，选取不同偏振片进入激光光路，调制激光偏振态。调制后的激光经分束镜18分光，形成主光路的次光路。
参数测量模块2，包括透射样品载样台21、透射样品位移台22、第一探测器23、第一窄带滤波片24、积分球25、散射样品载样台26和散射样品位移台27。积分球25入光孔位于分束镜18形成的主光路上，透射样品载样台21位于积分球25入光孔之前，且装载透射样片后，要求透射样片位于主光路上。散射样品载样台26位于积分球内表面，且装载散射样片后，要求散射样片位于主光路上。透射样品载样台21与透射样品位移台22结合安装，实现透射样品位移台22控制的透射样品载样台21在垂直于分束镜18形成的主光路的方向二维移动，实现透射测量点的选取。散射样品载样台26与散射样品位移台27结合安装，散射样品位移台27控制的散射样品载样台26在垂直于积分球25内表面法线方向二维移动，实现散射测量点的选取。第一探测器23的光敏面安置于积分球25的内表面上。由于探测光非常微弱，故第一探测器23选取响应波长包含激光器11中心波长的光电倍增管。第一窄带滤波片24选取中心波长与激光器11中心波长相同的滤波片，且安置于第一探测器23光敏面之前，用于过滤经光路或积分球开口处进入积分球的环境光。测量超高反射镜的积分透射率时，在透射样品载样台21上安置待测样片，在散射样品载样台26上不安装任何装置。激光透过待测样片后，进入积分球25内，经积分球25内表面多次反射后，经过第一窄带滤波片24过滤被第一探测器23采集，转化为电信号。通过计算机控制透射样片位移台22，移动透射样品载样台21，带动待测样片移动，实现待测样片不同位置的透射率测量。通过计算机控制的轴向位移台14沿主光轴方向移动，带动准直凸透镜15移动，改变激光光斑大小，实现待测样片上测量面积大小的实时调节。通过计算机控制的电机旋转台16转动，带动偏振片组17转动，将不同偏振片选入主光轴中，调制激光偏振态，实现不同偏振态下透射率的测量。测量超高反射镜的积分散射率时，在散射样品载样台26上安置待测样片，在透射样品载样台21上不安装任何装置，激光直接进入积分球内照射到待测样片上，散射光经积分球25内表面多次反射后，经过第一窄带滤波片24过滤被第一探测器23采集，转化为电信号。通过计算机控制散射样片位移台27，移动散射样品载样台26，带动待测样片移动，实现待测样片不同位置的散射率测量。通过计算机控制的轴向位移台14沿主光轴方向移动，带动准直凸透镜15移动，改变激光光斑大小，实现待测样片上测量面积大小的实时调节。通过计算机控制的电机旋转台16转动，带动偏振片组17转动，将不同偏振片选入主光轴中，调制激光偏振态，实现不同偏振态下散射率的测量。
基准测量模块3，包括衰减片31、第二窄带滤波片32和第二探测器33。且其中心依次位于分束镜18形成的次光路上。第二窄带滤波片32选取中心波长与激光器11中心波长相同的窄带滤波片。第二探测器33选响应波长包含激光器11中心波长的光电倍增管。由于分束镜18形成的次光路上激光光强也比较强，超出第二探测器33测量范围，故测光路上设置有衰减片31，用来减弱次光路上的激光光强。
测量控制模块4中，包含前置放大器44、除法器43、数据采集卡42、计算机41，且依次相连。同时前置放大器44的输入端连接着第一探测器23的输出，前置放大器44的输出连着除法器43的被除数输入端，第二探测器33的输出连接着除法器43的除数输入端，除法器43的结果输出端连接着数据采集卡42的输入端，数据采集卡的输出端连接至计算机41。由于第一探测器23输出信号非常微弱，故需要前置放大器44对信号进行放大，且前置放大器44的输入信号类型要与第一探测器23的输出类型匹配。除法器43对前置放大器44的输出信号和第二探测器33的信号进行除法运算后，将结果传输至数据采集卡42，经数据采集卡42采集转换为数字信号后送至计算机41处理计算，得出计算结果。

Claims (8)

1.一种超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，包括：光路控制模块(1)、参数测量模块(2)、基准测量模块(3)和测量控制模块(4)；其中：
光路控制模块(1)包括激光器(11)、汇聚凸透镜(12)、光阑(13)和分束镜(18)，所述汇聚凸透镜(12)、光阑(13)和分束镜(18)依次排布在激光器(11)的输出光路上，且中心与该激光器(11)的主光轴重合，其中光阑(13)位于汇聚凸透镜(12)的焦点处；
参数测量模块(2)包括透射样品载样台(21)、积分球(25)、散射样品载样台(26)和第一探测器(23)，其中积分球(25)的入光孔位于激光器(11)的主光轴上；所述透射样品载样台(21)位于积分球(25)的入射端；所述散射样品载样台(26)位于积分球(25)的内表面；所述第一探测器(23)位于积分球(25)内表面；
基准测量模块(3)包括衰减片(31)和第二探测器(33)，该衰减片(31)和第二探测器(33)位于分束镜(18)的次光路上；
测量控制模块(4)包括依此相连的前置放大器(44)、数据采集卡(42)和计算机(41)；
其特征在于：所述光阑(13)后依此设置有准直凸透镜(15)和偏振片组(17)，且其中心位于激光器(11)的主光轴上，通过轴向位移台(14)和电机旋转台(16)的控制，实现对激光光斑大小的调节和偏振态的调制；所述透射样品载样台(21)和散射样品载样台(26)用于安装待测超高反射镜，并分别通过透射样品位移台(22)和散射样品位移台(27)控制；所述第一探测器(23)的前端设置有第一窄带滤波片(24)，第二探测器(33)的前端设置有第二窄带滤波片(32)，用于过滤环境光；所述前置放大器(44)后连接有除法器(43)，用于对基准测量模块(3)的输出信号与前置放大器(44)的输出信号进行除法运算。
2.根据权利要求1所述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，其特征在于，所述激光器(11)，采用连续激光器。
3.根据权利要求1所述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，其特征在于，所述汇聚凸透镜(12)和准直凸透镜(15)，采用相同规格的凸透镜。
4.根据权利要求1所述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，其特征在于，所述偏振片组(17)，由S偏振片、P偏振片和圆偏振片组成，且呈扇形排布。
5.根据权利要求1所述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，其特征在于，所述透射样品位移台(22)和散射样品位移台(27)，均采用二维移动的位移台。
6.根据权利要求1所述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，其特征在于，所述第一窄带滤波片(24)和第二窄带滤波片(32)，其中心波长与激光器(11)中心波长相等。
7.根据权利要求1所述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，其特征在于，所述待测超高反射镜位于激光器(11)的主光轴上。
8.根据权利要求1所述的超高反射镜的积分散射率/积分透射率高精度测量系统，其特征在于，所述第一探测器(23)和第二探测器(33)，均采用相同规格的光电倍增管。
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