CN108760249B - 一种波片面相位延迟量的检测方法与装置 - Google Patents

一种波片面相位延迟量的检测方法与装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种波片面相位延迟量的检测方法与装置，用于检测待测波片表面上每个点的相位延迟量，包括以下步骤：利用ZYGO干涉仪产生平面光波；将该平面光波先处理为线偏振光波，线偏振光波再调节光束口径后得到限制光束口径的偏振光波，将限制光束口径的偏振光波照射到待测波片上；待测波片包括第一表面和第二表面，调节ZYGO干涉仪和待测波片的位置使得第一表面的反射光点和平面光波的反射光点重合，并且调节ZYGO干涉仪和待测波片的位置使得第二表面的反射光点和平面光波的反射光点重合，计算待测波片的第一表面和第二表面中每个点的相位延迟量。本发明实现了大口径的波片面相位延迟量的三维检测，为使用波片的宽光束光学检测系统的波面分析与补偿提供了依据。

Description

一种波片面相位延迟量的检测方法与装置
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种波片面相位延迟量的检测方法与装置。
背景技术
波片是偏振光学系统中的重要光学器件，它可以改变入射光的偏振状态，被广泛应用于光学精密仪器测量、干涉技术、光弹力学、光通信等诸多领域。相位延迟作为波片的主要参量之一，其测量精度直接影响光学系统的偏振精度。波片的口径常见有12.7mm和25.4mm,一般的波片相位延迟量的检测方法只是针对激光光束直径(5mm左右)的光束测出的平均值，在这个口径内波片相位延迟量的误差很小，因而可以忽略，但是对于很多利用偏振光学器件检测系统都需要对激光束进行扩束准直，以便得到光束直径足够大的光束用于各种检测，对于扩束准直以后的激光束口径一般在15mm-50mm，激光束垂直面上的相位延迟量的误差就不可以忽略。因此，对波片进行一定口径的面相位延迟量检测是有必要的。
目前，测量波片相位延迟量的方法主要有：旋光调制法、半阴法、迈克尔孙干涉法、消光法、机械旋转调制、光弹调制法等方法。但是这些方法主要是针对于波片上某个小口径的相位延迟量的平均值测量，而不能测量整个波片面相位延迟量值。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种波片面相位延迟量的检测方法与装置，解决现有技术中检测方法与装置无法检测整个波片的面相位延迟量的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种波片面相位延迟量的检测方法，用于检测待测波片表面上每个点的相位延迟量，包括以下步骤：
利用ZYGO干涉仪产生平面光波；
将该平面光波先处理为线偏振光波，所述线偏振光波再调节光束口径后得到限制光束口径的偏振光波，将所述限制光束口径的偏振光波照射到待测波片上；
所述待测波片包括第一表面和第二表面，调节ZYGO干涉仪和待测波片的位置使得所述第一表面的反射光点和平面光波的反射光点重合，并且调节ZYGO干涉仪和待测波片的位置使得所述第二表面的反射光点和平面光波的反射光点重合，计算待测波片的第一表面和第二表面中每个点的相位延迟量。
进一步地，该方法需要的部件包括：ZYGO干涉仪、计算机、偏振片、可调光阑、待测波片和五维调节架，所述计算机与ZYGO干涉仪电连接，所述ZYGO干涉仪上设置有标准镜头，所述标准镜头用于产生平面光波，沿所述平面光波的传播方向依次设有偏振片、可调光阑和待测波片，其中待测波片通过五维调节架进行固定；
所述五维调节架可在X轴、Y轴、Z轴、俯仰角α和倾斜角β五个方向上进行对待测波片进行调节，其中X轴为与平面光波的光轴垂直平面的水平方向、Y轴为与平面光波的光轴垂直平面的竖直方向、Z轴为平面光波的光轴方向。
进一步地，包括以下步骤：
步骤1，调节ZYGO干涉仪使得安装在ZYGO干涉仪上的标准镜头产生标准平面光波；
步骤2，所述标准平面光波通过偏振片产生线偏振光波，所述线偏振光波再通过可调光阑限制光束口径，以得到小于待测波片口径的的偏振光波；将所述小于待测波片口径的的偏振光波照射到待测波片上；
步骤3，通过五维调节架调节待测波片的位置，并调节ZYGO干涉仪，使得待测波片的第一表面的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪计算第一表面的面形，即得到待测波片的第一表面反射的波面；
通过五维调节架调节待测波片的位置，并调节ZYGO干涉仪，使得待测波片的第二表面的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪计算第二表面的面形，即得到待测波片的第二表面反射的波面；
步骤4，分别对待测波片第一表面发射的波面和待测波片第二表面发射的波面进行处理，得到待测波片面的相位延迟量三维显示图，即得到待测波片面中每个点的相位延迟量。
进一步地，所述分别对待测波片第一表面发射的波面和待测波片第二表面发射的波面进行处理，得到待测波片面的相位延迟量三维显示图，即得到待测波片面中每个点的相位延迟量，包括：
通过式(1)得到待测波片的面相位延迟量δ：
其中，λ为平面光波的波长，n0待测波片的寻常光折射率，ne待测波片的非寻常光折射率，ZA(x,y)为待测波片第一表面的面形函数，ZB(x,y)为待测波片第二表面的面形函数，d为待测波片中心厚度。
本发明还提供了一种波片面相位延迟量的检测装置，包括：ZYGO干涉仪、计算机、偏振片、可调光阑、待测波片和五维调节架，所述计算机与ZYGO干涉仪电连接，所述ZYGO干涉仪上设置有标准镜头，所述标准镜头用于产生平面光波，沿所述平面光波的传播方向依次设有偏振片、可调光阑和待测波片，其中待测波片通过五维调节架进行固定；
所述五维调节架可在X轴、Y轴、Z轴、俯仰角α和倾斜角β五个方向上进行对待测波片进行调节，其中X轴为与平面光波的光轴垂直平面的水平方向、Y轴为与平面光波的光轴垂直平面的竖直方向、Z轴为平面光波的光轴方向。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)本发明实现了大口径的波片面相位延迟量的三维检测，为使用波片的宽光束光学检测系统的波面分析与补偿提供了依据；
(2)本发明拓展了ZYGO干涉仪的应用，利用ZYGO干涉仪的进行测量，测量精度高，操作过程简单。
附图说明
图1是本发明装置的整体结构示意图。
图2是待测波片的结构示意图。
图中各个标号的含义为：1-ZYGO干涉仪，2-计算机，3-标准镜头，4-偏振片，5-可调光阑，6-待测波片，6-1-第一表面，6-2-第二表面，7-五维调节架。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
如图1所示，本发明中平面光波的传播方向为图1中从左至右的方向，平面光波的反射方向与传播方向相反。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例给出一种波片面相位延迟量的检测方法，用于检测待测波片6表面上每个点的相位延迟量，包括以下步骤：
利用ZYGO干涉仪1产生平面光波；
将该平面光波先处理为线偏振光波，所述线偏振光波再调节光束口径后得到限制光束口径的偏振光波，将所述限制光束口径的偏振光波照射到待测波片6上；
所述待测波片6包括第一表面6-1和第二表面6-2，调节ZYGO干涉仪1和待测波片6的位置使得所述第一表面6-1的反射光点和平面光波的反射光点重合，并且调节ZYGO干涉仪1和待测波片6的位置使得所述第二表面6-2的反射光点和平面光波的反射光点重合，计算待测波片6的第一表面6-1和第二表面6-2中每个点的相位延迟量。
本发明通过使用ZYGO干涉仪1实现了波片整个面上每个点的相位延迟量的测量。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图1、2所示，实施例1所提供的方法所需要的部件包括：ZYGO干涉仪1、计算机2、偏振片4、可调光阑5、待测波片6和五维调节架7，所述计算机2与ZYGO干涉仪1电连接，所述ZYGO干涉仪1上设置有标准镜头3，所述标准镜头3用于产生平面光波，沿所述平面光波的传播方向依次设有偏振片4、可调光阑5和待测波片6，其中待测波片6通过五维调节架7进行固定；
五维调节架7可在X轴、Y轴、Z轴、俯仰角α和倾斜角β五个方向上进行对待测波片6进行调节，其中X轴为与平面光波的光轴垂直平面的水平方向、Y轴为与平面光波的光轴垂直平面的竖直方向、Z轴为平面光波的光轴方向。
具体包括以下步骤：
步骤1，调节ZYGO干涉仪1使得安装在ZYGO干涉仪1上的标准镜头3产生口径为50mm的标准平面光波；本实施例中标准平面光波的波面误差为λ/10000；
步骤2，所述标准平面光波通过偏振片4产生线偏振光波，所述线偏振光波再通过可调光阑5限制光束口径，以得到小于待测波片口径的限制光束口径的偏振光波；将所述限制光束口径的偏振光波照射到待测波片6上；
本实施例中可调光阑5的可调范围为0～30mm，以满足不同口径的波片相位延迟量测量。
步骤3，通过五维调节架7调节待测波片6的位置，并调节ZYGO干涉仪1，使得待测波片6的第一表面6-1的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪1计算第一表面6-1的面形，即得到待测波片的第一表面6-1反射的波面；
通过五维调节架7调节待测波片6的位置，并调节ZYGO干涉仪1，使得待测波片6的第二表面6-2的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪1计算第二表面6-2的面形，即得到待测波片6的第二表面6-2反射的波面；
本实施例先调节五维调节架7的X方向、Y方向和Z方向，使待测波片6的位置合适，再调节倾斜角α和俯仰角β使波片的第一表面和第二表面的反射光点和标准镜头3的反射光点重合。
步骤4，分别对待测波片6第一表面6-1发射的波面和待测波片6第二表面6-2发射的波面进行处理，得到待测波片6面的相位延迟量三维显示图，即得到待测波片6面中每个点的相位延迟量。
本实施例利用ZYGO干涉仪1数据处理软件进行处理，可计算出待测波片6的第一表面6-1的面形，即第一表面6-1反射的波面函数f(x,y,zA)，以第一表面6-1的中心点为坐标原点，X轴为与平面光波的光轴垂直平面的水平方向、Y轴为与平面光波的光轴垂直平面的竖直方向、Z轴为平面光波的光轴方向，建立如图2所示的坐标系，对于任一点PA(x,y)，利用ZYGO干涉仪1数据处理软件测出轴向坐标相对于中心坐标(Z＝0)的面形误差ZA的值，即ZA表示为ZA(x,y)，输出待测波片6的第一表面6-1发射的波面f(x,y,zA)的数据矩阵M。
本实施例利用ZYGO干涉仪1数据处理软件进行处理，可计算出待测波片6的第二表面6-2的面形，即第二表面6-2反射的波面函数g(x,y,zB)，对于与第一表面6-1的同一个入射点PB(x,y)，利用ZYGO干涉仪1数据处理软件测出轴向坐标相对于中心坐标(Z＝d)的面形误差ZB的值，即ZB表示为ZB(x,y)，输出待测波片6的第二表面6-2发射的波面g(x,y,zB)的数据矩阵N。
对待测波片6第一表面6-1反射的波面f(x,y,zA)的数据矩阵M和第二表面6-2反射的波面g(x,y,zB)的数据矩阵N，对于同一个光线的入射点在第一表面的PA(x,y)和第二表面的PB(x,y)，则PA(x,y)和PB(x,y)之间的距离为：
PAPB＝d+ZB(x,y)-ZA(x,y)
第一表面和第二表面反射波的波面相位差为：
则待测波片6的面相位延迟量为：
其中，λ为平面光波的波长，n0待测波片的寻常光折射率，ne待测波片的非寻常光折射率，ZA(x,y)为待测波片6第一表面的的面形函数，ZB(x,y)为待测波片6第二表面的的面形函数，d为待测波片6中心厚度。
实施例3：
本实施例提供了一种波片面相位延迟量的检测装置，如图1，包括：
ZYGO干涉仪1、计算机2、偏振片4、可调光阑5、待测波片6和五维调节架7，所述计算机2与ZYGO干涉仪1电连接，所述ZYGO干涉仪1上设置有标准镜头3，所述标准镜头3用于产生平面光波，沿所述平面光波的传播方向依次设有偏振片4、可调光阑5和待测波片6，其中待测波片6通过五维调节架7进行固定；
五维调节架7可在X轴、Y轴、Z轴、俯仰角α和倾斜角β五个方向上进行对待测波片6进行调节，其中X轴为与平面光波的光轴垂直平面的水平方向、Y轴为与平面光波的光轴垂直平面的竖直方向、Z轴为平面光波的光轴方向。
本实施例所提供的检测装置实现了大口径的波片面相位延迟量的三维检测，为使用波片的宽光束光学检测系统的波面分析与补偿提供了依据。

Claims (4)

1.一种波片面相位延迟量的检测方法，其特征在于，用于检测待测波片(6)表面上每个点的相位延迟量，包括以下步骤：
利用ZYGO干涉仪(1)产生平面光波；
将该平面光波先处理为线偏振光波，所述线偏振光波再调节光束口径后得到限制光束口径的偏振光波，将所述限制光束口径的偏振光波照射到待测波片(6)上；
所述待测波片(6)包括第一表面(6-1)和第二表面(6-2)，通过五维调节架(7)调节待测波片(6)的位置，并调节ZYGO干涉仪(1)，使得待测波片(6)的第一表面(6-1)的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪(1)计算第一表面(6-1)的面形，即得到待测波片的第一表面(6-1)反射的波面；
通过五维调节架(7)调节待测波片(6)的位置，并调节ZYGO干涉仪(1)，使得待测波片(6)的第二表面(6-2)的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪(1)计算第二表面(6-2)的面形，即得到待测波片(6)的第二表面(6-2)反射的波面，计算待测波片(6)的第一表面(6-1)和第二表面(6-2)中每个点的相位延迟量。
2.根据权利要求1所述的波片面相位延迟量的检测方法，其特征在于，该方法需要的部件包括：ZYGO干涉仪(1)、计算机(2)、偏振片(4)、可调光阑(5)、待测波片(6)和五维调节架(7)，所述计算机(2)与ZYGO干涉仪(1)电连接，所述ZYGO干涉仪(1)上设置有标准镜头(3)，所述标准镜头(3)用于产生平面光波，沿所述平面光波的传播方向依次设有偏振片(4)、可调光阑(5)和待测波片(6)，其中待测波片(6)通过五维调节架(7)进行固定；
所述五维调节架(7)可在X轴、Y轴、Z轴、俯仰角α和倾斜角β五个方向上进行对待测波片(6)进行调节，其中X轴为与平面光波的光轴垂直平面的水平方向、Y轴为与平面光波的光轴垂直平面的竖直方向、Z轴为平面光波的光轴方向。
3.根据权利要求2所述的波片面相位延迟量的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，调节ZYGO干涉仪(1)使得安装在ZYGO干涉仪(1)上的标准镜头(3)产生标准平面光波；
步骤2，所述标准平面光波通过偏振片(4)产生线偏振光波，所述线偏振光波再通过可调光阑(5)限制光束口径，以得到小于待测波片口径的的偏振光波；将所述小于待测波片口径的的偏振光波照射到待测波片(6)上；
步骤3，通过五维调节架(7)调节待测波片(6)的位置，并调节ZYGO干涉仪(1)，使得待测波片(6)的第一表面(6-1)的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪(1)计算第一表面(6-1)的面形，即得到待测波片的第一表面(6-1)反射的波面；
通过五维调节架(7)调节待测波片(6)的位置，并调节ZYGO干涉仪(1)，使得待测波片(6)的第二表面(6-2)的反射光点和平面光波的反射光点重合，利用ZYGO干涉仪(1)计算第二表面(6-2)的面形，即得到待测波片(6)的第二表面(6-2)反射的波面；
步骤4，分别对待测波片(6)第一表面(6-1)发射的波面和待测波片(6)第二表面(6-2)发射的波面进行处理，得到待测波片(6)面的相位延迟量三维显示图，即得到待测波片(6)面中每个点的相位延迟量。
4.根据权利要求3所述的波片面相位延迟量的检测方法，其特征在于，所述分别对待测波片(6)第一表面(6-1)发射的波面和待测波片(6)第二表面(6-2)发射的波面进行处理，得到待测波片(6)面的相位延迟量三维显示图，即得到待测波片(6)面中每个点的相位延迟量，包括：
通过式(1)得到待测波片(6)的面相位延迟量δ：
其中，λ为平面光波的波长，n0待测波片的寻常光折射率，ne待测波片的非寻常光折射率，ZA(x,y)为待测波片(6)第一表面的面形函数，ZB(x,y)为待测波片(6)第二表面的面形函数，d为待测波片(6)中心厚度。
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