CN112903255A - 偏振分光棱镜的测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种偏振分光棱镜的测试系统及测试方法，其中，所述测试系统包括依次间隔设置的光源组件、光阑、偏振组件、样品台和探测组件，所述光阑用于调节光斑尺寸，所述偏振组件用于透射P偏振光或S偏振光，所述样品台用于放置待测试样品，所述探测组件用于接收并检测所述P偏振光或S偏振光，所述光源组件发射的光束依次穿过所述光阑、偏振组件、待测试样品和所述探测组件。该测试系统结构简单，降低了检测成本，测试较小尺寸的偏振分光棱镜时，可通过光阑调整光斑尺寸，得到较小的光斑，保证测试光能够全部打入偏振分光棱镜，提高了测试精度。

Description

偏振分光棱镜的测试系统及测试方法

技术领域

本发明涉及光学测试系统技术领域，尤其涉及一种偏振分光棱镜的测试系统及测试方法。

背景技术

偏振分光棱镜是一种用于分离光线的水平偏振和垂直偏振的光学元件。偏振分光棱镜是通过在直角棱镜的斜面镀制多层膜结构，然后胶合成一个立方体结构，入射光中的P偏振光透射，而S偏振光反射。对于具有偏振分光棱镜的光学仪器，例如LCOS(LiquidCrystal on Silicon，液晶附硅)投影光机，偏振分光棱镜对整个光机的亮度、对比度的性能影响极大，因此我们需要在产品、样品分析、批量来料检查等阶段对偏振分光棱镜的偏振分光性能进行检测，测试其对P偏振光或S偏振光的透射和反射的比例。但是，目前可直接用于偏振分光棱镜的偏振分光测试设备为分光光度计，但是分光光度计价格昂贵，且采购一台如此昂贵的设备专门只用于偏振分光测试，显然是一种浪费。而且对于微型光学仪器(例如LCOS投影仪)所搭配的偏振分光棱镜的尺寸较小，分光光度计对于尺寸较小的偏振分光棱镜容易出现光斑过大，导致测试数据不准，探测精度不高的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种偏振分光棱镜的测试系统及测试方法，旨在解决用于测试偏振分光棱镜偏振分光性能的设备成本高，且对较小尺寸的偏振分光棱镜的探测精度不高的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种偏振分光棱镜的测试系统，包括依次间隔设置的光源组件、光阑、偏振组件、样品台和探测组件，所述光阑用于调节光斑尺寸，所述偏振组件用于透射P偏振光或S偏振光，所述样品台用于放置待测试样品，所述探测组件用于接收并检测所述P偏振光或S偏振光，所述光源组件发射的光束依次穿过所述光阑、偏振组件、待测试样品和所述探测组件。

优选地，所述光源组件包括间隔设置的第一光源和第一准直镜，所述第一准直镜位于所述第一光源和所述光阑之间。

优选地，所述光源组件还包括第二光源、第二准直镜和合束棱镜，所述第一光源、第一准直镜、合束棱镜和所述光阑沿第一方向依次间隔设置，所述第二光源、第二准直镜和所述合束棱镜沿第二方向依次间隔设置，所述合束棱镜用于将所述第一光源和所述第二光源的光束合成一条沿所述第一方向的光束。

优选地，所述光源组件还包括第三光源和第三准直镜，所述第三光源、第三准直镜和所述合束棱镜沿所述第二方向依次间隔设置，所述第二准直镜和所述第三准直镜分别位于所述合束棱镜的相对两侧，所述合束棱镜用于将所述第一光源、第二光源和所述第三光源的光束合成一条沿所述第一方向的光束。

优选地，所述光源组件还包括第二光源、第二准直镜和第一滤光片，所述第一光源、第一准直镜和第一滤光片沿第一方向依次间隔设置，所述第二光源、第二准直镜和所述第一滤光片沿第二方向依次间隔设置，所述第一滤光片用于透射所述第一光源的光束，以及用于将所述第二光源的光束沿所述第一方向反射。

优选地，所述光源组件还包括沿所述第二方向依次间隔设置的第三光源、第三准直镜和第三滤光片，所述第一滤光片、第二滤光片和所述光阑沿所述第一方向依次间隔设置，所述第二滤光片用于透射所述第一光源的光束，以及用于将所述第三光源的光束沿所述第一方向反射。

优选地，所述偏振组件包括第一起偏器，所述第一起偏器位于所述光阑和所述样品台之间，所述第一起偏器用于透射所述P偏振光和所述S偏振光中的一者。

优选地，所述偏振组件还包括第二起偏器，所述光阑、第一起偏器、第二起偏器和所述样品台依次间隔设置，所述第二起偏器用于截止所述P偏振光和所述S偏振光中的另一者。

优选地，所述探测组件包括第一功率计探头和第二功率计探头，所述第一功率计探头用于检测所述偏振分光棱镜透射的所述P偏振光或所述S偏振光的功率，所述第二功率计探头用于检测所述偏振分光棱镜反射的所述P偏振光或所述S偏振光的功率。

此外，本发明还提供了一种偏振分光棱镜的测试方法，采用如上述所述的偏振分光棱镜的测试系统进行测试，所述偏振分光棱镜的测试方法包括以下步骤：

根据所述待测试样品的尺寸调节所述光阑的孔径，

将所述偏振组件调整为透射所述光源组件的光束的P偏振光，采用所述探测组件检测经过所述样品台上的所述待测试样品透射或反射的P偏振光，计算得到所述待测试样品的P偏振光的透射率或反射率；或者，

将所述偏振组件调整为透射所述光源组件的光束的S偏振光，采用所述探测组件检测经过所述样品台上的所述待测试样品透射或反射的S偏振光，计算得到所述待测试样品的S偏振光的透射率或反射率。

本发明的上述技术方案中，光阑能够调节光斑尺寸，偏振组件用于透射P偏振光或S偏振光，所述样品台用于放置待测试样品，所述探测组件用于接收并检测所述P偏振光或S偏振光，光源组件发射的光束依次穿过光阑、偏振组件、待测试样品和探测组件，光束经过光阑后得到固定尺寸的光斑，然后经过偏振组件得到P偏振光或S偏振光，通过探测组件检测P偏振光或S偏振光，该测试系统结构简单，降低了检测成本。且通过光阑能够调节光斑大小，测试较小尺寸的偏振分光棱镜时，可通过光阑调整光斑尺寸，得到较小的光斑，保证光能够全部打入偏振分光棱镜，提高了测试精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还能够以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的偏振分光棱镜的测试系统的示意图；

图2为图1的部分示意图；

图3为本发明另一实施例的偏振分光棱镜的测试系统的示意图；

图4为图3的部分示意图。

附图标号说明：

1	光源组件	11	第一光源
				12	第一准直镜	13	第二光源
14	第二准直镜	15	第三光源
				16	第三准直镜	17	合束棱镜
18	第一滤光片	19	第二滤光片
				2	光阑	3	偏振组件
31	第一起偏器	32	第二起偏器
				4	样品台	5	待测试样品
6	探测组件	61	第一功率计探头
				62	第二功率计探头	7	第一位置
8	第二位置

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施方式，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征能够以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

并且，本发明各个实施方式之间的技术方案能够以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明所指的“第一方向”、“第二方向”是以图1～图4所示的方位为基准，仅用于解释在图1～图4所示姿态下各部件之间的相对位置关系，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1和图3所示，本发明提供一种偏振分光棱镜的测试系统，包括依次间隔设置的光源组件1、光阑2、偏振组件3、样品台4和探测组件6，光阑2用于调节光斑尺寸，偏振组件3用于透射P偏振光或S偏振光，样品台4用于放置待测试样品5，探测组件6用于接收并检测P偏振光或S偏振光，光源组件1发射的光束依次穿过光阑2、偏振组件3、待测试样品5和探测组件6。

待测试样品5为待测试的偏振分光棱镜，测试偏振分光棱镜的偏振分光性能时，首先，步骤一、将偏振组件3调整为透过P偏振光；步骤二、在样品台4上不放置待测试样品5，采用探测组件6分别获得测试P偏振光的原始功率值；步骤三、然后在样品台4上放置待测试样品5，调整待测试样品5与测试光光轴的夹角为第一测试角度；步骤四、采用探测组件6获得透射的P偏振光的功率值，以及反射的P偏振光的功率值，再计算得到P偏振光的透射率和反射率。重新调整待测试样品5与测试光光轴的夹角到其它测试角度；重复步骤四，直到所有待测试角度数据收集完毕；步骤五、将偏振组件3调整为透过S偏振光；步骤六、在样品台4上不放置待测试样品5，采用探测组件6获得测试S偏振光的原始功率值；步骤七、然后在样品台4上放置待测试样品5，调整待测试样品5与测试光光轴的夹角为第一测试角度；步骤八、采用探测组件6获得透射的S偏振光的功率值，以及反射的S偏振光的功率值，再计算得到S偏振光的透射率和反射率。重新调整待测试样品5与测试光光轴的夹角到其它测试角度，重复步骤八，直到所有待测试角度数据收集完毕。最后与待测试样品5的偏振分光性能的标准规格对比，以判断待测试样品5是否合格。

其中，光阑2是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体，是可以控制光束通过多少的设备，即可以调节测试光斑的尺寸，可对应不同尺寸的待测试样品5。本实施例的测试系统结构简单，降低了检测成本。其中，通过改变光阑2的孔径能够调节光斑大小，测试较小尺寸的偏振分光棱镜时，可通过光阑2调整光斑尺寸，得到较小的光斑，保证光能够全部打入偏振分光棱镜，提高了测试精度。

具体地，如图2和图4所示，光源组件1包括间隔设置的第一光源11和第一准直镜12，第一准直镜12位于第一光源11和光阑2之间。第一光源11可以为激光光源或发光二极管光源，可以为红光、绿光、蓝光，也可以是红外光或紫外光。第一准直镜12可以维持第一光源11光束的准直性，使得第一光源11发射的光束通过光阑2，提高了测试精度。

在一实施例中，如图2所示，光源组件1还包括第二光源13、第二准直镜14和合束棱镜17，第一光源11、第一准直镜12、合束棱镜17和光阑2沿第一方向依次间隔设置，第二光源13、第二准直镜14和合束棱镜17沿第二方向依次间隔设置，合束棱镜17用于将第一光源11和第二光源13的光束合成一条沿第一方向的光束。其中，第一方向即为测试光光轴的传播方向，第一光源11和第二光源13的光线经过合束棱镜17后沿第一方向穿过光阑2。合束棱镜17可以将几束无交叠光谱的光束合成得到一条光束，由于入射光束中不同波长的成分产生的偏移不同，最后它们在同一个方向上传播。本实施例设置两个不同波长段的第一光源11和第二光源13，可测试偏振分光棱镜对不同波长段的光束的透射率和反射率，进一步提高了测试精度。

请继续参考图2，光源组件1还包括第三光源15和第三准直镜16，第三光源15、第三准直镜16和合束棱镜17沿第二方向依次间隔设置，第二准直镜14和第三准直镜16分别位于合束棱镜17的相对两侧，合束棱镜17用于将第一光源11、第二光源13和第三光源15的光束合成一条沿第一方向的光束。第一光源11、第二光源13和第三光源15可以分别为红光、绿光和蓝光，进一步增加了待测试样品5对不同波长光源的测试范围，提高了测试精度。在其它实施例中，也可以不设置合束棱镜17，只采用一个能够发射不同波长的光的光源。

在另一优选地实施例中，如图4所示，光源组件1还包括第二光源13、第二准直镜14和第一滤光片18，第一光源11、第一准直镜12和第一滤光片18沿第一方向依次间隔设置，第二光源13、第二准直镜14和第一滤光片18沿第二方向依次间隔设置，第一滤光片18用于透射第一光源11的光束，以及用于将第二光源13的光束沿第一方向反射。滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件，本实施例的第一滤光片18能够使第一光源11的光线透射透过，将第二光源13的光线反射，可调整第一滤光片18的角度使得第二光源13的光线沿第一方向反射，再通过光阑2。即第一光源11和第二光源13经第一滤光片18后合为同一条光束，可测试样品对不同波长段光源的偏振分光性能。

进一步地，如图4所示，光源组件1还包括沿第二方向依次间隔设置的第三光源15、第三准直镜16和第三滤光片，第一滤光片18、第二滤光片19和光阑2沿第一方向依次间隔设置，第二滤光片19用于透射第一光源11的光束，以及用于将第三光源15的光束沿第一方向反射。第一滤光片18和第二滤光片19沿第一方向间隔排布，功能与第一滤光片18相同，第一光源11、第二光源13和第三光源15的光束最终汇聚一条光束通过光阑2，本实施例光源组件1的结构使得测试光具有第一光源11、第二光源13和第三光源15不同波长段的光，进一步提高测试精度。

如图1和图3所示，偏振组件3包括第一起偏器31，第一起偏器31位于光阑2和样品台4之间，第一起偏器31用于透射P偏振光和S偏振光中的一者。起偏器是指普通光源发出的是自然光，用于从自然光中获得偏振光的器件，可以为偏振片、尼科耳棱镜等。第一光源11、第一准直镜12、合束棱镜17、光阑2、第一起偏器31、样品台4均沿第一方向设置，可旋转第一起偏器31，以获得P偏振光或S偏振光，并沿第一方向透过待测试样品5至第一位置7，反射至第二位置8，然后测试待测试样品5对P偏振光或S偏振光的透射率和反射率。

更进一步地，偏振组件3还包括第二起偏器32，光阑2、第一起偏器31、第二起偏器32和样品台4依次间隔设置，第二起偏器32用于截止P偏振光和S偏振光中的另一者。如果第一起偏器31透过的是P偏振光，则旋转第二起偏器32使其截止S偏振光；如果第一起偏器31透过的是S偏振光，则旋转第二起偏器32使其截止P偏振光，以提高偏振光的线性，提高测试精度。

样品台4包括底盘和可转动地安装在底盘上的旋转盘，旋转盘用于放置待测试样品5，底盘上设有角度刻度。其中，旋转盘可顺时针或逆时针转动，可通过旋转盘改变待测试样品5的角度，而且可记录待测试样品5的旋转角度，以方便计算测试光的入射角度，提高了本实施例的偏振分光棱镜的测试系统的测试效率。

探测组件6包括第一功率计探头61和第二功率计探头62，第一功率计探头61用于检测偏振分光棱镜透射的P偏振光或S偏振光的功率，第二功率计探头62用于检测偏振分光棱镜反射的P偏振光或S偏振光的功率。第一功率计探头61设置在第一方向上，以使偏振光透过待测试样品5后沿第一方向射至位于第一位置7的第一功率计探头61，第二功率计探头62根据测试光入射角度的不同调整第二位置8，以接收反射光。测试P偏振光的透射率和反射率时，首先在样品台4上不放置待测试样品5，通过第一功率计探头61测得P偏振光的原始功率值，然后在样品台4上放置待测试样品5，通过第一功率计探头61测试透射功率值，第二功率计探头62测得反射功率值，本实施例的P偏振光的透射率为透射功率值除以原始功率值，P偏振光的反射率为反射功率值除以原始功率值；然后改变待测试样品5的角度，得到多组数据。测试S偏振光的透射率和反射率时，只需旋转第一起偏器31和第二起偏器32，使得第一起偏器31透过S偏振光，第二起偏器32截止P偏振光即可，测试过程与P偏振光的测试相同。在其它实施例中，第一功率计探头61和第二功率计探头62也可以分别替换为照度计或亮度计。

此外，本发明还提供了一种偏振分光棱镜的测试方法，采用上述所述的偏振分光棱镜的测试系统进行测试，所述偏振分光棱镜的测试方法包括以下步骤：

根据所述待测试样品5的尺寸调节所述光阑2的孔径；

将所述偏振组件3调整为透射所述光源组件1的光束的P偏振光，采用所述探测组件6检测经过所述样品台4上的所述待测试样品5透射或反射的P偏振光，计算得到所述待测试样品5的P偏振光的透射率或反射率；或者，

将所述偏振组件3调整为透射所述光源组件的1光束的S偏振光，采用所述探测组件6检测经过所述样品台4上的所述待测试样品5透射或反射的S偏振光，计算得到所述待测试样品5的S偏振光的透射率或反射率；

其中，调整待测试样品5与测试光光轴的夹角，得到多组不同测试角度的P偏振光或S偏振光的透射率和反射率，与待测试样品5的偏振分光性能的标准规格对比，以判断待测试样品5是否合格。由于调节光阑2的孔径能够改变光源组件1的光束大小，即改变光斑尺寸，因此能够保证光能够全部打入偏振分光棱镜，提高了测试精度。

具体地，采用所述探测组件6检测经过所述样品台4上的所述待测试样品透射或反射的P偏振光，计算得到所述待测试样品5的P偏振光的透射率或反射率的步骤包括：

采用所述探测组件6获得P偏振光的原始功率值；

在所述样品台4上放置所述待测试样品5；

采用所述探测组件6获得经所述待测试样品5透射或反射的P偏振光的第一透射功率值和第一反射功率值，所述待测试样品5的P偏振光的透射率和反射率分别满足以下公式：

其中，T_p为所述P偏振光的透射率，w_p1为所述第一透射功率值，所述w_p0为所述P偏振光的原始功率值，R_p为所述P偏振光的反射率，w_p2为所述第一反射功率值。

采用所述探测组件6检测经过所述样品台4上的所述待测试样品5透射或反射的S偏振光，计算得到所述待测试样品5的S偏振光的透射率或反射率的步骤包括：

采用所述探测组件6获得S偏振光的原始功率值；

在所述样品台4上放置所述待测试样品5；

采用所述探测组件6获得经所述待测试样品5透射或反射的S偏振光的第二透射功率值和第二反射功率值，所述待测试样品5的S偏振光的透射率和反射率分别满足以下公式：

其中，T_s为所述S偏振光的透射率，w_s1为所述第二透射功率值，所述w_s0为所述S偏振光的原始功率值，R_s为所述S偏振光的反射率，w_s2为所述第二反射功率值。

具体地，P偏振光和S偏振光的原始功率值均是通过在样品台4上不放置待测试样品5，采用探测组件6直接获得光源组件1光束的P偏振光和S偏振光的原始功率值，其中，探测组件6包括第一功率计探头61和第二功率计探头62，第一功率计探头61用于获得第一透射功率值和第二透射功率值，第二功率计探头62用于获得第一反射功率值和第二反射功率值。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，包括依次间隔设置的光源组件、光阑、偏振组件、样品台和探测组件，所述光阑用于调节光斑尺寸，所述偏振组件用于透射P偏振光或S偏振光，所述样品台用于放置待测试样品，所述探测组件用于接收并检测所述P偏振光或S偏振光，所述光源组件发射的光束依次穿过所述光阑、偏振组件、待测试样品和所述探测组件。

2.如权利要求1所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述光源组件包括间隔设置的第一光源和第一准直镜，所述第一准直镜位于所述第一光源和所述光阑之间。

3.如权利要求2所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述光源组件还包括第二光源、第二准直镜和合束棱镜，所述第一光源、第一准直镜、合束棱镜和所述光阑沿第一方向依次间隔设置，所述第二光源、第二准直镜和所述合束棱镜沿第二方向依次间隔设置，所述合束棱镜用于将所述第一光源和所述第二光源的光束合成一条沿所述第一方向的光束。

4.如权利要求3所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述光源组件还包括第三光源和第三准直镜，所述第三光源、第三准直镜和所述合束棱镜沿所述第二方向依次间隔设置，所述第二准直镜和所述第三准直镜分别位于所述合束棱镜的相对两侧，所述合束棱镜用于将所述第一光源、第二光源和所述第三光源的光束合成一条沿所述第一方向的光束。

5.如权利要求2所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述光源组件还包括第二光源、第二准直镜和第一滤光片，所述第一光源、第一准直镜和第一滤光片沿第一方向依次间隔设置，所述第二光源、第二准直镜和所述第一滤光片沿第二方向依次间隔设置，所述第一滤光片用于透射所述第一光源的光束，以及用于将所述第二光源的光束沿所述第一方向反射。

6.如权利要求5所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述光源组件还包括沿所述第二方向依次间隔设置的第三光源、第三准直镜和第三滤光片，所述第一滤光片、第二滤光片和所述光阑沿所述第一方向依次间隔设置，所述第二滤光片用于透射所述第一光源的光束，以及用于将所述第三光源的光束沿所述第一方向反射。

7.如权利要求1～6中任一项所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述偏振组件包括第一起偏器，所述第一起偏器位于所述光阑和所述样品台之间，所述第一起偏器用于透射所述P偏振光和所述S偏振光中的任意一者。

8.如权利要求7所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述偏振组件还包括第二起偏器，所述光阑、第一起偏器、第二起偏器和所述样品台依次间隔设置，所述第二起偏器用于截止所述P偏振光和所述S偏振光中的另一者。

9.如权利要求1～6中任一项所述的偏振分光棱镜的测试系统，其特征在于，所述探测组件包括第一功率计探头和第二功率计探头，所述第一功率计探头用于检测所述偏振分光棱镜透射的所述P偏振光或所述S偏振光的功率，所述第二功率计探头用于检测所述偏振分光棱镜反射的所述P偏振光或所述S偏振光的功率。

10.一种偏振分光棱镜的测试方法，其特征在于，采用如权利要求1～9中任一项所述的偏振分光棱镜的测试系统进行测试，所述偏振分光棱镜的测试方法包括以下步骤：

根据所述待测试样品的尺寸调节所述光阑的孔径；

将所述偏振组件调整为透射所述光源组件的光束的P偏振光，采用所述探测组件检测经过所述样品台上的所述待测试样品透射或反射的P偏振光，计算得到所述待测试样品的P偏振光的透射率或反射率；或者，

将所述偏振组件调整为透射所述光源组件的光束的S偏振光，采用所述探测组件检测经过所述样品台上的所述待测试样品透射或反射的S偏振光，计算得到所述待测试样品的S偏振光的透射率或反射率。

Images