CN116007908B - 大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置及方法，属于光学测量领域中的大口径光学元器件的测量，其目的在于解决现有技术中大口径平板元件的高透反射率以及不均匀性测量误差较大的技术问题。其将用于大口径待测高透射镜的角度旋转、用于第一高反透射镜位置旋转设置为同轴机构，且在待测样品一侧增设第一高反透射镜，激光器产生的激光经分光镜后形成探测光和参考光，探测光以小角度入射至高反射镜，探测光在元件上产生两次反射或透射，同步采集卡最后采集参考光、探测光的光强，从而可将测量误差降低一倍，提高了测量精度，可用于大口径待测高透射镜的反射率或透射率及其空间不均匀性的高精度测量。

Description

大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学测量领域，涉及大口径光学元器件的测量，尤其涉及一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置及方法。

背景技术

测量薄膜或光学元件的反射比，目前主要采用商用分光光度计，日本的日立公司、岛津公司和美国的安捷伦公司、PE公司等。目前商用分光光度计主要用于测量液体、或小口径元件反射比，透射测量精度一般为±0.1%，反射比测量精度一般为±0.3%。分光光度计测量精度有限，而且无法实现大口径元件的测量。

国外sanders以及国内李斌成等人提出光学谐振腔等方式用于高反或高透元件透射率或反射比，该方法主要用于极高反射比测量，一般要求反射比或透射率达到99.9%以上，从而保证衰荡信号的信噪比。

国内浙江大学等研制一套用于大口径透反仪，用于大口径光学元件透射率或反射比测量，其基本原理仍为分光光度原理，因此其测量精度仍与分光光度计测量精度相当。

国内兵器工业第二零五研究所侯西旗等人提出一种高反射比、高透射比光学测量装置，该装置可用于光学元件高反射比、透射比的高精度测量大口径平板元件高透高反射率及其不均匀性测量方法及装置，测量精度约为0.1%。

申请号201010568739.4的发明专利申请就公开了一种大口径光学元件透射率和反射率的测量装置和测量方法，该装置由光学系统、光电转换和机械控制系统及信号处理系统构成。光学系统包括固体激光器、起偏器、用于调整光路和预成像的可见光光源及其扩束系统、分光棱镜和衰减片；光电转换和机械控制系统包括光电探测器、科学级网络CCD和元件支撑平台；信号处理系统由数据采集卡、网线和计算机组成。科学级网络CCD实现所述光电探测器上光斑位置的监测，反馈调整探测器至最佳位置，同时也监测反射或透射光束的宏观分布图，反映反射率或透射率的均匀性。

申请号为201811330664.9的发明专利申请就公开了一种大口径曲面光学元件表面缺陷自动检测装置及方法，该装置包括测量头、旋转工件台、自动取样装置和喷淋装置。测量头包括传感器系统、照明系统和成像系统，照明系统为被测样品表面提供高均匀性和高亮度照明，旋转工件台和成像系统用于对光学表面区域的缺陷进行环带扫描和高分辨率散射成像。自动取样装置用作自动化生产中机械手自动夹取光学元件；喷淋设备一旦检测到表面上有灰尘、杂质等异物就被激活，用于准确去除被测件表面的灰尘、杂质等伪缺陷。

申请号为202110410048.X的发明专利申请就公开了一种大口径平行平晶厚度分布的干涉测量方法，包括测量待测平晶的a面面形数据和b面面形数据；将测量得到的a面面形数据进行左右镜像处理，并将处理后的面形数据进行Zernike多项式拟合处理，得到a面面形数据的拟合多项式；将测量得到的b面面形数据进行多项式拟合处理，得到b面面形数据的拟合多项式；提取得到待测平晶a面的装调误差，对a面的装调误差镜像取反则为待测平晶b面的装调误差；将拟合多项式减去装调误差，得到待测平晶的像差；从而得到待测平晶厚度均匀性的误差分布。

如上述现有技术一致，现有技术的光学系统中，都是激光经一系列光学元件后入射至样品（待检测器件，通常是反射镜），激光经样品反射或透射后再经一系列光学元件入射至探测或感知元件，并伴随平移台移动样品，采集多组数据，最终完成样品的透射、反射、厚度均匀性以及表面平整性等性能参数的测量、检测。但是，激光在样品上仅经过一次反射或透射，对光学元件镀膜反射比要求达到99.8%，对光学元件的空间均匀性达到0.1%，对样品的非均匀性的测量误差可达0.05%左右；但即便是这样的检测效果，对于一些特殊领域的高要求，样品的检测参数误差仍偏大，无法适用于航空、航天等特殊领域的高功率固体激光器等装置的更高精度的要求。

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现有技术中大口径平板元件的高透反射率以及不均匀性测量误差较大的技术问题，本发明了提供一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置及方法，通过增加高反射镜并使探测光小角度入射至高反射镜，实现探测光在待测样品上两次反射或透射，测量误差可控制在0.02%甚至是以下，大大提高检测精度，实现大口径高透反射镜的反射率或透射率以及不均匀性的高精度测量。

一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置，包括激光器、指示激光器；

激光器产生的激光入射至分光镜，并经分光镜分成参考光、测量光；参考光依次经第一探测器、第一放大电路后输入同步采集卡；测量光入射至第一高反透射镜，第一高反透射镜的反射光依次经第二探测器、第二放大电路后输入同步采集卡；指示激光器产生的指示光经第二高反透射镜后入射至第一高反透射镜；

还包括样品二维平移及姿态调节台，大口径待测高透射镜放置于样品二维平移及姿态调节台上，并可在样品二维平移及姿态调节台所在水平-竖直平面内进行平移；样品二维平移及姿态调节台放置于样品旋转台上，并可旋转样品二维平移及姿态调节台；

还包括用于放置并旋转第一高反透射镜的反射镜旋转台。

进一步地，还包括稳功率仪、准直透镜和起偏器，激光器产生的激光依次经稳功率仪、准直透镜、起偏器后入射至分光镜。

进一步地，还包括小孔光阑，指示激光器产生的激光依次经小孔光阑、第二高反透射镜后入射至第一高反透射镜。

进一步地，还包括探测器平移台，第二探测器放置于探测器平移台上，并可沿探测器平移台的轨道方向移动。

一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量方法，其特征在于，采用了上述的大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置，

具体测量步骤为：

步骤S1，校零

将大口径待测高透射镜移出光路，激光器产生的激光经分光镜分成参考光、测量光，参考光经第一放大电路转换为电压信号后由同步采集卡采集并被工控机记录；测量光入射到第一高反透射镜后产生反射并经第二探测器入射至第二放大电路，第二放大电路转换为电信号后由同步采集卡采集并被工控机记录，得到校零参数

：/>

其中，

表示校零时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示校零时同步采集卡采集的测量光的光强；

步骤S2，反射率测量

将大口径待测高透射镜移人光路，调整大口径待测高透射镜姿态，使指示光垂直入射至大口径待测高透射镜表面；通过样品旋转台旋转大口径待测高透射镜至需要的入射角度，通过反射镜旋转台旋转第一高反透射镜，使指示光入射到第一高反透射镜中心位置；调节样品二维平移及姿态调节台，使第一高反透射镜垂直将指示光返回；沿指示光方向调节第一高反透射镜，使激光器产生的激光经分光镜后形成的参考光、测量光分别返回至第一探测器、第二探测器，则大口径待测高透射镜的反射率

表示为：

其中，

表示反射率测量时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示反射率测量时同步采集卡采集的测量光的光强，/>

表示校零参数；

步骤S3，透射率测量

将大口径待测高透射镜移人光路，调整大口径待测高透射镜姿态，使指示光垂直入射至大口径待测高透射镜表面；将第一高反透射镜、第二探测器朝指示光的入射方向平移，使激光器产生的激光经分光镜后形成的参考光、测量光分别返回至第一探测器、第二探测器，则大口径待测高透射镜的透射率

表示为：

其中，

表示透射率测量时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示透射率测量时同步采集卡采集的测量光的光强，/>

表示校零参数；

步骤S4，不均匀性测量

通过样品二维平移及姿态调节台使大口径待测高透射镜在水平及竖直方向移动，并结合步骤S2、S3测得大口径待测高透射镜的不同位置的反射率和/或透射率，得出大口径待测高透射镜的反射率和/或透射率不均匀性。

进一步地，在步骤S3中，在第一高反透射镜、第二探测器朝指示光的入射方向平移时，平移距离

为：

其中，

为大口径待测高透射镜的厚度，/>

为大口径待测高透射镜的的入射角，/>

为大口径待测高透射镜的折射角。

相较于现有技术，本发明的有益效果是：

1、本发明中，创新提出了双光路双探测器同步采集的方法，增加一个高反射镜（即第一高反透射镜），探测光以小角度入射至高反射镜，可实现探测光在元件上两次反射或透射，从而可将测量误差降低一倍，提高了测量精度，本方法测量误差小于0.0002，可用于大口径待测高透射镜的反射率或透射率及其空间不均匀性的高精度测量。

2、本发明中，提出两组角度旋转同轴机构，其中一组用于大口径待测高透射镜的角度旋转，另外一组用于第一高反透射镜位置旋转，实现了大口径元件透射或反射的同光路多种角度测量。

附图说明

图1为本发明的校零光路图；

图2为本发明的反射检测光路图；

图3为本发明的透射检测光路图。

其中，附图标记为：1-激光器、2-稳功率仪、3-准直透镜、4-起偏器、5-分光镜、6-第一探测器、7-第一放大电路、8-同步采集卡、9-工控机、10-第二探测器、11-探测器平移台、12-第二放大电路、13-第二高反透射镜、14-小孔光阑、15-指示激光器、16-样品二维平移及姿态调节台、17-样品旋转台、18-第一高反透射镜、19-反射镜旋转台、20-大口径待测高透射镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。

本申请提供两个具体的实施例，一个实施例为测量装置的具体结构，另一个实施例为具体的测量方法。

1-激光器、2-稳功率仪、3-准直透镜、4-起偏器、5-分光镜、6-第一探测器、7-第一放大电路、8-同步采集卡、9-工控机、10-第二探测器、11-探测器平移台、12-第二放大电路、13-第二高反透射镜、14-小孔光阑、15-指示激光器、16-样品二维平移及姿态调节台、17-样品旋转台、18-第一高反透射镜、19-反射镜旋转台、20-大口径待测高透射镜

实施例1

本实施例提供一种具体的测量装置的结构。即：

一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置，其包括光源系统、测量系统、平移及姿态调节系统、以及作为待测样品的大口径待测高透射镜20。

该光源系统包括激光器1、稳功率仪2、准直透镜3、起偏器4、分光镜5、第二高反透射镜13、小孔光阑14、指示激光器15、第一高反透射镜18。激光器1为半导体连续激光器，用于输出单色激光；稳功率仪2用于稳定激光功率；准直透镜3用于准直激光，实现光束长距离传输；起偏器4用于调整输出激光的偏转态；分光镜5用于将激光器1产生的激光分为参考光、测量光；第二高反透射镜13、第一高反透射镜18用于反射或者透射激光；小孔光阑14用于显著激光光束大小；指示激光器可输出532nm波长的激光，用于垂直入射至第一高反透射镜18的中心位置，并监视第一高反透射镜18的姿态及位置。其中，指示激光器产生的激光经入射至第一高反透射镜18后原路返回。

该测量系统包括第一探测器6、第一放大电路7、同步采集卡8、工控机9、第二探测器10、第二放大电路12。第一探测器6用于记录参考光信号，第一放大电路7用于将参考光的光强信号转化为电压信号，第二探测器10用于记录测量光信号，第二放大电路12用于将测量光的光强信号转化为电压信号，同步采集卡8同于将第一放大电路7、第二放大电路12的电压信号进行采集并输送至工控机9，工控机9用于电压信号的数据处理。

该平移及姿态调节系统包括探测器平移台11、样品二维平移及姿态调节台16、样品旋转台17、反射镜旋转台19。探测器平移台11用于移动第二探测器10；样品二维平移及姿态调节台16用于调节大口径待测高透射镜20的姿态，使指示激光器输出的激光垂直入射至大口径待测高透射镜20的表面，且还可以水平及竖直方向移动大口径待测高透射镜20，实现大口径待测高透射镜20的不同位置的反射率或透射率的测量；样品旋转台17、反射镜旋转台19可同轴同角度同方向旋转，当然也可以不同步旋转，样品旋转台17用于控制大口径待测高透射镜20的旋转，实现大口径待测高透射镜20不同角度反射率测量，反射镜旋转台19用于第一高反透射镜18的位置旋转，实现反射率测量时，第一高反透射镜18的位置将跟随一同旋转。

激光器1产生的激光依次经稳功率仪2稳定功率、准直透镜3准直激光、起偏器4调整激光偏转态后入射至分光镜5，并经分光镜5分成参考光、测量光。参考光依次经第一探测器6、第一放大电路7后输入同步采集卡8，同步采集卡8采集到参考光的光强并输送至工控机9。测量光以小角度（该小角度为2°~4°，优选3.5°）入射至第一高反透射镜18并在第一高反透射镜18上产生反射，第一高反透射镜18的反射光依次经第二探测器10、第二放大电路12后输入同步采集卡8，同步采集卡8采集到测量光的光强并输送至工控机9，工控机9对参考光的光强、测量光的光强进行数据处理。指示激光器15产生的指示光经小孔光阑14、第二高反透射镜13后垂直入射至第一高反透射镜18，并经第一高反透射镜18反射后原路返回。

实施例2

本实施例提供一种具体的测量方法，即采用实施例1的测量系统进行测量的具体方法，具体内容为：

先搭建图1所示的光路系统，接下来再分别进行反射率、透射率以及不均匀性的测量，具体方法为：

步骤S1，校零

在图1的基础上，将大口径待测高透射镜20移出光路，关闭指示激光器15、开启激光器1，激光器1产生的激光经分光镜5分成参考光、测量光，参考光经第一放大电路7转换为电压信号后由同步采集卡8采集并被工控机记录；测量光入射到第一高反透射镜18后产生反射并经第二探测器10入射至第二放大电路12，第二放大电路12转换为电信号后由同步采集卡8采集并被工控机记录，得到校零参数

：

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其中，

表示校零时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示校零时同步采集卡采集的测量光的光强。

步骤S2，反射率测量

如图2所示，关闭激光器1、开启指示激光器15，将大口径待测高透射镜20移人光路，调整大口径待测高透射镜20姿态，使指示激光器15产生的指示光垂直入射至大口径待测高透射镜20表面；通过样品旋转台17旋转大口径待测高透射镜20至需要的入射角度（该入射角度通常是根据测量需要提前计算、预设好的），通过反射镜旋转台19旋转第一高反透射镜18，使指示光入射到第一高反透射镜18中心位置；调节样品二维平移及姿态调节台16，使第一高反透射镜18垂直将指示光返回；然后，关闭指示激光器15、开启激光器1，沿指示光方向调节第一高反透射镜18，使激光器1产生的激光经分光镜5后形成的参考光、测量光分别返回至第一探测器6、第二探测器10，则大口径待测高透射镜20的反射率

表示为：

其中，

表示反射率测量时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示反射率测量时同步采集卡采集的测量光的光强，/>

表示校零参数。

步骤S3，透射率测量

如图3所示，关闭激光器1、开启指示激光器15，将大口径待测高透射镜20移人光路，调整大口径待测高透射镜20姿态，使指示光垂直入射至大口径待测高透射镜20表面；将第一高反透射镜18、第二探测器10朝指示光的入射方向平移，通过样品二维平移及姿态调节台16平移第一高反透射镜18，通过探测器平移台11平移第二探测器10，平移距离

为：

其中，

为大口径待测高透射镜（20）的厚度，/>

为大口径待测高透射镜（20）的的入射角，/>

为大口径待测高透射镜（20）的折射角；

将第一高反透射镜18、第二探测器10平移完毕后，关闭指示激光器15、开启激光器1，使激光器1产生的激光经分光镜5后形成的参考光、测量光分别返回至第一探测器6、第二探测器10，则大口径待测高透射镜20的透射率

表示为：

其中，

表示透射率测量时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示透射率测量时同步采集卡采集的测量光的光强，/>

表示校零参数。

步骤S4，不均匀性测量

通过样品二维平移及姿态调节台16使大口径待测高透射镜20在水平及竖直方向移动，并结合步骤S2、S3重复测得大口径待测高透射镜20的不同位置处的反射率、透射率，得出大口径待测高透射镜20的反射率、透射率不均匀性。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置，其特征在于，包括激光器（1）、指示激光器（15）；

激光器（1）产生的激光入射至分光镜（5），并经分光镜（5）分成参考光、测量光；参考光依次经第一探测器（6）、第一放大电路（7）后输入同步采集卡（8）；测量光以2°~4°的入射角入射至第一高反透射镜（18）并在第一高反透射镜（18）上产生反射，第一高反透射镜（18）的反射光依次经第二探测器（10）、第二放大电路（12）后输入同步采集卡（8）；指示激光器（15）产生的指示光经第二高反透射镜（13）后入射至第一高反透射镜（18），并在第一高反透射镜（18）上产生反射；

还包括样品二维平移及姿态调节台（16），大口径待测高透射镜（20）放置于样品二维平移及姿态调节台（16）上，并可在样品二维平移及姿态调节台（16）所在水平-竖直平面内进行平移；样品二维平移及姿态调节台（16）放置于样品旋转台（17）上，并可旋转样品二维平移及姿态调节台（16）；

还包括用于放置并旋转第一高反透射镜（18）的反射镜旋转台（19）；

还包括稳功率仪（2）、准直透镜（3）和起偏器（4），激光器（1）产生的激光依次经稳功率仪（2）、准直透镜（3）、起偏器（4）后入射至分光镜（5）；

还包括探测器平移台（11），第二探测器（10）放置于探测器平移台（11）上，并可沿探测器平移台（11）的轨道方向移动。

2.如权利要求1所述的一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置，其特征在于，还包括小孔光阑（14），指示激光器（15）产生的激光依次经小孔光阑（14）、第二高反透射镜（13）后入射至第一高反透射镜（18）。

3.一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量方法，其特征在于，采用了权利要求1-2中任一项所述的大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量装置，

具体测量步骤为：

步骤S1，校零

将大口径待测高透射镜（20）移出光路，激光器（1）产生的激光经分光镜（5）分成参考光、测量光，参考光经第一放大电路（7）转换为电压信号后由同步采集卡（8）采集并被工控机记录；测量光入射到第一高反透射镜（18）后产生反射并经第二探测器（10）入射至第二放大电路（12），第二放大电路（12）转换为电信号后由同步采集卡（8）采集并被工控机记录，得到校零参数

：

其中，

表示校零时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示校零时同步采集卡采集的测量光的光强；

步骤S2，反射率测量

将大口径待测高透射镜（20）移人光路，调整大口径待测高透射镜（20）姿态，使指示光垂直入射至大口径待测高透射镜（20）表面；通过样品旋转台（17）旋转大口径待测高透射镜（20）至需要的入射角度，通过反射镜旋转台（19）旋转第一高反透射镜（18），使指示光入射到第一高反透射镜（18）中心位置；调节样品二维平移及姿态调节台（16），使第一高反透射镜（18）垂直将指示光返回；沿指示光方向调节第一高反透射镜（18），使激光器（1）产生的激光经分光镜（5）后形成的参考光、测量光分别返回至第一探测器（6）、第二探测器（10），则大口径待测高透射镜（20）的反射率

表示为：

其中，

表示反射率测量时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示反射率测量时同步采集卡采集的测量光的光强，/>

表示校零参数；

步骤S3，透射率测量

将大口径待测高透射镜（20）移人光路，调整大口径待测高透射镜（20）姿态，使指示光垂直入射至大口径待测高透射镜（20）表面；将第一高反透射镜（18）、第二探测器（10）朝指示光的入射方向平移，使激光器（1）产生的激光经分光镜（5）后形成的参考光、测量光分别返回至第一探测器（6）、第二探测器（10），则大口径待测高透射镜（20）的透射率

表示为：

其中，

表示透射率测量时同步采集卡采集的参考光的光强，/>

表示透射率测量时同步采集卡采集的测量光的光强，/>

表示校零参数；

步骤S4，不均匀性测量

通过样品二维平移及姿态调节台（16）使大口径待测高透射镜（20）在水平及竖直方向移动，并结合步骤S2、S3测得大口径待测高透射镜（20）的不同位置的反射率和/或透射率，得出大口径待测高透射镜（20）的反射率和/或透射率不均匀性。

4.如权利要求3所述的一种大口径平板元件高透反射率及不均匀性测量方法，其特征在于，在步骤S3中，在第一高反透射镜（18）、第二探测器（10）朝指示光的入射方向平移时，平移距离

为：

其中，

为大口径待测高透射镜（20）的厚度，/>

为大口径待测高透射镜（20）的入射角，/>

为大口径待测高透射镜（20）的折射角。/>

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