CN113483996A - 一种光学元件高透射率高反射率测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件高透射率高反射率测量装置及测量方法，测量装置包括有照射光源、第一分光装置、第二分光装置、参考反射装置、标定样品和信号探测装置。高透射率和高反射率检测均可以在本发明的测量装置上进行测量，不需要人为介入、调整，使用非常方便。本发明利用实时动态差分技术，当待测光学元件样品的透反射率和标定样品的透反射率接近时，相当于把对待测光学元件样品的高透反射率测量转变成对待测光学元件样品和标定样品之间的透反射率差值的测量，即把一个大量转成对一个小量的测量，而绝对测量误差要求并没有改变，这相当于降低了对相对测量误差的要求，降低了难度，从而保证了测量精度能够满足要求。

Description

一种光学元件高透射率高反射率测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光学元件光度测量领域，具体是一种光学元件高透射率高反射率测量装置及测量方法。

背景技术

光学元件的透射率或反射率是衡量元件质量的关键参数指标之一。在诸多精密光学系统中，会使用很多高透射型元件和高反射型元件。在这些系统中，往往会要求透射型元件的透射率和反射型元件的反射率大于99.5％以上或者更高。此外，在一些系统中还会用到米级尺寸的大口径元件，对大口径元件，还会对透射率和反射率的均匀性有严格的要求。因此，在这类元件的制备过程中，对透射率和反射率及其均匀性进行精确测量是非常重要的环节，而且为保证检测结果的可靠性，检测精度要求达到0.01％以上。

对元件透反射率测量最常用的是分光光度计，而分光光度计的测量精度一般在0.1％至0.05％，无法满足高透射率和高反射率元件测量的要求。在分光光度计中，制约测量精度的主要因素包括探测光源自身的功率波动、外部噪声的干扰等。

此外，对极高透反射率元件，光腔衰荡法也是一种常用的测量方法。但该方法也存在一些局限性。首先，测量的动态范围有限。衰荡法适用于通常对透反射率99.5％以上的样品有比较好的检测灵敏度和精度。当样品透反射率低于99.5％,或透反射率均匀性波动较大时，检测精度会大大降低。另外，该方法需要光束在谐振腔内进行多次振荡，因此需要采用准直光束，无法把光束聚成较小的光斑，否则会由于光斑的发散破坏光束在谐振腔内的往复振荡，从而无法得到理想的测量结果，因此空间分辨率会大大受限。此外，要保持光束在谐振腔内多次往复振荡，光路对样品的面型精度、定位精度、样品扫描精度极为敏感。因此该方法对小口径样品可以有比较好的测量效果，用于大口径样品，会因为样品的面型误差、定位误差、扫描误差导致检测精度大大降低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于实时动态差分法的光学元件高透射率高反射率测量装置及测量方法，高透射率和高反射率检测可以在同一个装置上进行测量，不需要人为介入、调整，使用非常方便。

本发明的技术方案为：

一种光学元件高透射率高反射率测量装置，包括有照射光源、第一分光装置、第二分光装置、参考反射装置、标定样品和信号探测装置，所述的照射光源朝向第一分光装置，第一分光装置和第二分光装置均设置有两个输出端，参考反射装置、第二分光装置分别设置于第一分光装置的两个输出端的后端，参考反射装置将第一分光装置其中一输出端输出的出射光线反射至信号探测装置内；

进行光学元件高反射率测量时，所述的标定样品位于第二分光装置和信号探测装置之间将第二分光装置其中一输出端输出的出射光线反射至信号探测装置内，待测光学元件样品设置于第二分光装置和信号探测装置之间将第二分光装置另一输出端输出的出射光线反射至信号探测装置内；

进行光学元件高透射率测量时，第二分光装置和信号探测装置之间顺次设置有标定反射装置和标定样品，标定反射装置将第二分光装置其中一输出端输出的出射光线反射至标定样品上并透过标定样品入射到信号探测装置内，待测光学元件样品位于第二分光装置和信号探测装置之间，且待测光学元件样品与信号探测装置之间设置有测量反射装置，第二分光装置另一输出端输出的出射光线透过待测光学元件样品后经测量反射装置反射进入到信号探测装置内。

所述的第一分光装置其中一输出端和参考反射装置之间设置有参考光束调制装置。

所述的第二分光装置其中一输出端和标定样品之间设置有标定光束调制装置。

所述的第二分光装置另一输出端和待测光学元件样品之间设置有测量光束调制装置。

一种光学元件高透射率高反射率测量方法，包括有高反射率光学元件的反射率测量和高透射率光学元件的透射率测量，具体包括有以下步骤：

(1)、高反射率光学元件的反射率测量：

把由照射光源发出的入射光束依次经过第一分光装置和第二分光装置后分为三路，三路出射光分别定义为参考光束、测量光束和标定光束，参考光束经过参考反射装置反射后进入到信号探测装置内进行探测；测量光束入射到待测光学元件样品上，由待测光学元件样品反射的光束也进入到同一信号探测装置内进行探测；标定光束入射到已知反射率的标定样品上，标定样品反射的出射光束也进入到同一信号探测装置内进行探测；

待测光学元件样品的反射率

其中，A、B分别为各路光的分光吸收系数，A为测量光束光强信号与参考光束光强信号的比值，B为标定光束光强信号与参考光束光强信号的比值，均为常数；S是差分信号的振幅值，即为测量光束经待测光学元件样品反射后的光强与标定光束经标定样品反射后的光强两者之间的差值；R_ref为标定样品已知的反射率；通过实时监测参考光束的光强信号I₁和差分信号的振幅值S，通过上述公式即获得待测光学元件样品的反射率R_sample；

(2)、高透射率光学元件的透射率测量：

把由照射光源发出的入射光束依次经过第一分光装置和第二分光装置后分为三路，三路出射光分别定义为参考光束、测量光束和标定光束，参考光束经过参考反射装置反射后进入到信号探测装置内进行探测；测量光束入射到待测光学元件样品上，由待测光学元件样品透射的光束通过测量反射装置反射后也进入到同一信号探测装置内进行探测；标定光束通过标定反射装置反射后入射到已知透射率的标定样品上，标定样品透射的出射光束也进入到同一信号探测装置内进行探测；

待测光学元件样品的透射率

其中，A、B分别为各路光的分光吸收系数，A为测量光束光强信号与参考光束光强信号的比值，B为标定光束光强信号与参考光束光强信号的比值，均为常数；S是差分信号的振幅值，即为测量光束经待测光学元件样品透射后的光强与标定光束经标定样品透射后的光强两者之间的差值；T_ref为标定样品已知的透射率；通过实时监测参考光束的光强信号I₁和差分信号的振幅值S，通过上述公式即获得待测光学元件样品的透射率T_sample。

本发明的原理：

在实际测量中，分别对各束光(参考光束、测量光束和标定光束)进行调制，其中让测量光束和标定光束保持相同的调制频率ω，并且对测量光束和标定光束始终保持两者的调制信号的位相差为

各束光之间的关系如下：

AI₁＝I₂，BI₁＝I₃ (1.1)；

I₂′＝I₂R_sample (1.2)；

I₃′＝I₃R_ref (1.3)；

其中，I₁为参考光束的光强信号，I₂为测量光束的光强信号，I₃为标定光束的光强信号；A、B是各路光的分光比例系数，R_sample是待测光学元件样品表面的反射率，R_ref为标定样品已知的反射率。

因为测量光束和标定光束受到调制，且信号的位相差为

同时测量光束经待测光学元件样品反射后的光强I₂′与标定光束经标定样品反射后的光强I₃′两者之间的差分信号

为：

控制位相差，使

则有：

是测量光束经待测光学元件样品反射后的光强I₂′与标定光束经标定样品反射后的光强I₃′两者之间的差分信号，S是差分信号的振幅值。由式(1.1)-(1.6)可得：

透射率测量过程原理与反射率测量过程原理类似，待测光学元件样品的透射率

本发明的优点：

(1)、本发明对光束进行调制，可以和锁相积分检测技术结合，抑制外部噪声的干扰，可以显著提高检测灵敏度和检测精度。

(2)、本发明利用实时动态差分技术，当待测光学元件样品的透反射率和标定样品的透反射率接近时，相当于把对待测光学元件样品的高透反射率测量转变成对待测光学元件样品和标定样品之间的透反射率差值的测量，即把一个大量转成对一个小量的测量，而绝对测量误差要求并没有改变，这相当于降低了对相对测量误差的要求，降低了难度，从而保证了测量精度能够满足要求。

(3)、本发明的光路原理简单，可以实现较高的空间分辨率，不仅可以适用于小口径元件，而且同样适用于大口径元件；用于大口径元件时，对样品局部面型误差、样品厚度误差、折射率均匀性、扫描精度等因素不敏感。

附图说明

图1是本发明光学元件高反射率测量装置的结构示意图。

图2是本发明光学元件高透射率测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

见图1和图2，一种光学元件高透射率高反射率测量装置，包括有照射光源1、第一分光装置2、第二分光装置3、参考光束调制装置4、参考反射装置5、标定光束调制装置6、标定样品7、测量光束调制装置8和信号探测装置9，照射光源1朝向第一分光装置2，第一分光装置2和第二分光装置3均设置有两个输出端，参考光束调制装置4、第二分光装置3分别设置于第一分光装置2的两个输出端的后端，参考光束调制装置4将第一分光装置2其中一输出端输出的出射光线进行调制后入射到参考反射装置5上，经参考反射装置5反射至信号探测装置9内，标定光束调制装置6、测量光束调制装置8分别设置于第二分光装置3的两个输出端的后端；

进行光学元件高反射率测量时，标定样品7位于标定光束调制装置6和信号探测装置9之间，第二分光装置3其中一输出端输出的出射光线经标定光束调制装置6调制后照射到标定样品7的表面，经标定样品7反射到信号探测装置9内，待测光学元件样品10位于测量光束调制装置8和信号探测装置9之间，第二分光装置3另一输出端输出的出射光线经测量光束调制装置8调制后照射到待测光学元件样品10的表面，经待测光学元件样品10反射到信号探测装置9内；

进行光学元件高透射率测量时，标定光束调制装置6和信号探测装置9之间顺次设置有标定反射装置11和标定样品7，标定反射装置11将第二分光装置3其中一输出端输出并经标定光束调制装置6调制后的出射光线反射至标定样品7上并透过标定样品7入射到信号探测装置9内，待测光学元件样品10位于测量光束调制装置8和信号探测装置9之间，且待测光学元件样品10与信号探测装置9之间设置有测量反射装置12，第二分光装置3另一输出端输出并经测量光束调制装置8调制后的出射光线透过待测光学元件样品10后经测量反射装置12反射进入到信号探测装置9内。

一种光学元件高透射率高反射率测量装置的测量方法，包括有高反射率光学元件的反射率测量和高透射率光学元件的透射率测量，具体包括有以下步骤：

(1)、高反射率光学元件的反射率测量：

见图1，把由照射光,1发出的入射光束依次经过第一分光装置2和第二分光装置3后分为三路，三路出射光分别定义为参考光束、测量光束和标定光束，参考光束、测量光束和标定光束的光强分别为I₁、I₂、I₃，参考光束经过参考光束调制装置4调制和参考反射装置5反射后进入到信号探测装置9内进行探测；测量光束经测量光束调制装置8调制后入射到待测光学元件样品10上，由待测光学元件样品10反射的光束也进入到同一信号探测装置9内进行探测；标定光束经标定光束调制装置6调制后入射到已知反射率的标定样品7上，标定样品7反射的出射光束也进入到同一信号探测装置9内进行探测；

待测光学元件样品10的反射率

其中，A、B分别为各路光的分光吸收系数，A为测量光束光强信号I₂与参考光束光强信号I₁的比值，B为标定光束光强信号I₃与参考光束光强信号I₁的比值，均为常数；S是差分信号的振幅值，即为测量光束经待测光学元件样品反射后的光强I₂′与标定光束经标定样品反射后的光强I₃′两者之间的差值；R_ref为标定样品7已知的反射率；通过实时监测参考光束光强信号I₁和差分信号的振幅值S，通过上述公式即获得待测光学元件样品的反射率R_sample；

(2)、高透射率光学元件的透射率测量：

见图2，把由照射光源1发出的入射光束依次经过第一分光装置2和第二分光装置3后分为三路，三路出射光分别定义为参考光束、测量光束和标定光束，参考光束、测量光束和标定光束的光强分别为I₁、I₂、I₃，参考光束经过参考光束调制装置4调制和参考反射装置5反射后进入到信号探测装置9内进行探测；测量光束经测量光束调制装置8调制后入射到待测光学元件样品10上，由待测光学元件样品10透射的光束通过测量反射装置12反射后也进入到同一信号探测装置9内进行探测；标定光束通过标定光束调制装置6调制和标定反射装置11反射后入射到已知透射率的标定样品7上，标定样品7透射的出射光束也进入到同一信号探测装置9内进行探测；

待测光学元件样品的透射率

其中，A、B分别为各路光的分光吸收系数，A为测量光束光强信号I₂与参考光束光强信号I₁的比值，B为标定光束光强信号I₃与参考光束光强信号I₁的比值，均为常数；S是差分信号的振幅值，即为测量光束经待测光学元件样品透射后的光强I₂′与标定光束经标定样品透射后的光强I₃′两者之间的差值；T_ref为标定样品7已知的透射率；通过实时监测参考光束光强信号I₁和差分信号的振幅值S，通过上述公式即获得待测光学元件样品的透射率T_sample。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种光学元件高透射率高反射率测量装置，其特征在于：包括有照射光源、第一分光装置、第二分光装置、参考反射装置、标定样品和信号探测装置，所述的照射光源朝向第一分光装置，第一分光装置和第二分光装置均设置有两个输出端，参考反射装置、第二分光装置分别设置于第一分光装置的两个输出端的后端，参考反射装置将第一分光装置其中一输出端输出的出射光线反射至信号探测装置内；

进行光学元件高反射率测量时，所述的标定样品位于第二分光装置和信号探测装置之间将第二分光装置其中一输出端输出的出射光线反射至信号探测装置内，待测光学元件样品设置于第二分光装置和信号探测装置之间将第二分光装置另一输出端输出的出射光线反射至信号探测装置内；

进行光学元件高透射率测量时，第二分光装置和信号探测装置之间顺次设置有标定反射装置和标定样品，标定反射装置将第二分光装置其中一输出端输出的出射光线反射至标定样品上并透过标定样品入射到信号探测装置内，待测光学元件样品位于第二分光装置和信号探测装置之间，且待测光学元件样品与信号探测装置之间设置有测量反射装置，第二分光装置另一输出端输出的出射光线透过待测光学元件样品后经测量反射装置反射进入到信号探测装置内。

2.根据权利要求1所述的一种光学元件高透射率高反射率测量装置，其特征在于：所述的第一分光装置其中一输出端和参考反射装置之间设置有参考光束调制装置。

3.根据权利要求1所述的一种光学元件高透射率高反射率测量装置，其特征在于：所述的第二分光装置其中一输出端和标定样品之间设置有标定光束调制装置。

4.根据权利要求1所述的一种光学元件高透射率高反射率测量装置，其特征在于：所述的第二分光装置另一输出端和待测光学元件样品之间设置有测量光束调制装置。

5.根据权利要求1所述的一种光学元件高透射率高反射率测量装置的测量方法，其特征在于：包括有高反射率光学元件的反射率测量和高透射率光学元件的透射率测量，具体包括有以下步骤：

(1)、高反射率光学元件的反射率测量：

把由照射光源发出的入射光束依次经过第一分光装置和第二分光装置后分为三路，三路出射光分别定义为参考光束、测量光束和标定光束，参考光束经过参考反射装置反射后进入到信号探测装置内进行探测；测量光束入射到待测光学元件样品上，由待测光学元件样品反射的光束也进入到同一信号探测装置内进行探测；标定光束入射到已知反射率的标定样品上，标定样品反射的出射光束也进入到同一信号探测装置内进行探测；

待测光学元件样品的反射率

其中，A、B分别为各路光的分光吸收系数，A为测量光束光强信号与参考光束光强信号的比值，B为标定光束光强信号与参考光束光强信号的比值，均为常数；S是差分信号的振幅值，即为测量光束经待测光学元件样品反射后的光强与标定光束经标定样品反射后的光强两者之间的差值；R_ref为标定样品已知的反射率；通过实时监测参考光束的光强信号I₁和差分信号的振幅值S，通过上述公式即获得待测光学元件样品的反射率R_sample；

(2)、高透射率光学元件的透射率测量：

把由照射光源发出的入射光束依次经过第一分光装置和第二分光装置后分为三路，三路出射光分别定义为参考光束、测量光束和标定光束，参考光束经过参考反射装置反射后进入到信号探测装置内进行探测；测量光束入射到待测光学元件样品上，由待测光学元件样品透射的光束通过测量反射装置反射后也进入到同一信号探测装置内进行探测；标定光束通过标定反射装置反射后入射到已知透射率的标定样品上，标定样品透射的出射光束也进入到同一信号探测装置内进行探测；

待测光学元件样品的透射率

其中，A、B分别为各路光的分光吸收系数，A为测量光束光强信号与参考光束光强信号的比值，B为标定光束光强信号与参考光束光强信号的比值，均为常数；S是差分信号的振幅值，即为测量光束经待测光学元件样品透射后的光强与标定光束经标定样品透射后的光强两者之间的差值；T_ref为标定样品已知的透射率；通过实时监测参考光束的光强信号I₁和差分信号的振幅值S，通过上述公式即获得待测光学元件样品的透射率T_sample。

Images