CN1303006A - 偏光应力仪检定标准装置及光强极小值定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明所基于的测试原理是,在优化1/4波片法及半影法的基础上,又提出了光电模拟多个半影法;根据上述原理制成的偏光应力仪检定标准装置,通过所建立的光学件转动时光强和转动角度的数学模型,以及采用最小二乘法对测试的光强数据进行拟合的处理方法,就可按照本发明提出的调试与测试步骤,找出与之对应的光学件在光强极小值时的位置角度,并通过计算机控制使该光学件定位于此,最终求出被测光学样品的应力双折射光程差Δ。

Description

偏光应力仪检定标准装置及光强极小值定位方法

本发明涉及一种光学计量与测量领域中的标准检定装置，尤其涉及一种对偏光应力仪的标准样品进行应力双折射光程差检定的标准装置。

光学材料中的应力双折射光程差是评价光学材料质量的一个非常重要的参数，它反映了光学材料的偏光特性和双折射特性，也可反映其均匀性。其定量表述由下式计算：

            Δ=d(n_e-n_o)式中：Δ-双折射光程差；d-光学材料厚度；  n_e,n_o-垂直于主光轴的两个主折射率。

目前国内外通用的应力双折射光程差测试方法主要有以下两种：

①单1/4波片法。其具体测试原理为：首先使起篇器的偏振轴与检偏器的偏振轴相互垂直，并使1/4波片的快轴、慢轴分别与起偏器的偏振轴、检偏器的偏振轴平行；然后放入样品并转动，使透过检偏器的光强最小，再使样品转动45°；最后转动检偏器，使透过检偏器的光强又复最小，检偏器转过的角度为θ，则由简单的推导可知，双折射所致的相位差为2θ，双折射光程差为：

Δ=λθ/π这种测试法是采用光强极小值来定位，即用光电探测器或人眼观察光强最小值定位，而光强最小值附近光强变化很小，因此定位精度较低，从而导致光程差的测试不确定度较大。例如美国专利5955195就是利用该方法测量液晶厚度及旋光角的。

②半影法。这种测试方法大体与单1/4波片法相近，只是检偏器由两块半圆形偏振器组成，它们偏振轴的夹角平分线为两个半圆的分界线，这种检偏采用零对比度定位，而不采用光强值定位，其精度比单1/4波片要高近一个数量级；但这此种方法是采用人眼观察光强的对比度，因此测试双折射光程差的不确定度也不可能太小。

根据不同测试原理制作出可对光学材料中的应力双折射光程差进行测量的装置称为偏光应力仪，为了保证其有较高的测试精度，偏光应力仪必须用经过高精度偏光应力仪标准装置检定过的标准样品来校正。

本发明的目的是提供一台可以对偏光应力仪的标准样品进行检定，且操作简单的偏光应力仪检定标准装置；

本发明的另一个目的是提供一种采用最小二乘法进行数据拟合的高精度光强极小值定位方法。

为实现上述目的，在综合比较国内外有关光学材料应力双折射光程差测试方法的基础上，吸收这些方法之优点，本发明采用单1/4波片法的原理，同时采取光电探测器代替人眼。光强极小值点的定位方法吸收了半影法的优点：在最小点的两边近似对称地取很多点，然后用最小二乘法进行拟合。就好像采用了多个半影器，然后取综合效果。其定位精度较半影法高得多。

根据上述原理，结合便于装调、维护、保证精度等方面的综合考虑，本发明主要由以下积木式组件构成，即线偏振光组件、样品转动组件、补偿器组件、检测组件、计算机控制与数据采集系统。线偏振光组件主要包括光源组件、起偏器；样品转动组件主要包括第一步进电机、放置光学样品的转台，第一步进电机根据计算机指令驱动转台由此带动光学样品转动；补偿器组件包括1/4波片、第二转台、第二步进电机，1/4波片放置在第二转台上，第二步进电机根据计算机指令驱动第二转台从而带动1/4波片转动；检测组件主要包括检偏器、聚光透镜、光电探测器、第三步进电机，第三步进电机根据计算机指令通过其主轴直接带动检偏器、聚光透镜和光电探测器一起转动；计算机控制与信号采集系统主要包括信号采集与处理电路、步进电机细分驱动电路、计算机、打印机，其主要功能是将光电探测器输出的模拟检测信号放大并转换成数字信号送入计算机处理，根据调试或测试步骤所对应的处理结果，将分别控制三个步进电机启动及步距细分，从而使相应的光学件能够准确地定位在相应的角度位置，也可以将最终测试结果通过计算机显示或通过打印机打印。

本发明光学系统的工作过程为：光源组件发出的单色准直光经过起偏器成为线偏振光并入射到光学样品，线偏振光经过光学样品成为椭圆偏振光并射入1/4波片，1/4波片的出射光又成为线偏振光，该束线偏振光经检偏器后由聚光透镜聚焦到光电探测器，光电探测器将光强信号变成电信号并输入到信号采集与处理电路。

由于光强最小值附近光强变化很小，因此通过光电探测器直接准确定位很困难。本发明采用最小二乘法及马吕斯定律的数据处理方法，找出光强最小值位置并予准确定位。

本方法以光强为最小值时的角度θ₀为对称点，根据角度θ₀+θ和角度θ₀+θ所对应的光强值相等的原理，建立了光学件如检偏器、1/4波片或光学样品转动时光强和角度关系的数学模型：

                   I₁=A+I₀sin²(θ₁-θ₀)

式中：I₁-透过光学系统后到达探测器的光强；A-常数项(包括各种噪声)；I₀-光源组件出射光强；θ₁-相应光学件转动之后所在的位置角度；θ₀-在光强极小值时相应光学件所对应的位置角度。

建立该数学模型以后，并根据模拟多个半影法将测得的多组数据按上式进行最小二乘法拟合，由此就可以获得相应光学件在光强极小值点的精确位置角度。

本发明提供的偏光应力仪检定标准装置的调试与测试过程如下：(1)首先通过计算机控制第三步进电机带动检偏器转动360°，并且是每转动一个步距对光强信号进行一次采样，再由计算机按本发明的光强极小值定位法找出光强最小值位置P₁，然后根据计算机指令第三步进电机驱动检偏器转动并定位于位置P₁(使检偏器和起编器的偏振轴处于正交位置)；(2)放入1/4波片，同样用计算机控制第二步进电机通过第二转台带动1/4波片转动90°，同样按本发明的光强极小值定位法找出最小值位置P₂，然后由计机控制步第二进电机带动1/4波片定位于P₂；(3)将光学样品放置在第一转台上，根据计算机指令，第一步进电机驱动第一转台由此使光学样品转动360°，且每转动一个步距对光强信号进行一次采样，按本发明的光强极小值定位法找到光强最小值位置P₃，并根据计算机指令第一步进电机通过第一转台将样品定位于P₃，再使之转动45°；(4)根据计算机指令，第二步进电机再次驱动检偏器转动360°，还是每转动一个步距对光强信号进行一次采样，再按本发明的光强极小值定位法找出光强最小值位置P₄，并算出最小值对应的位置角θ₀，然后根据单1/4波片法Δ=(λθ)/π算出双折射光程差。

上述第(1)和第(2)步为本发明的调试步骤，一旦调试完成之后，在以后的各种光学样品的测试中，只需进行第(3)和第(4)的测试步骤，也就是说1/4波片定位之后就将固定不动了。

本发明在优化1/4波片法及半影法的基础上，提出了光电模拟多个半影法；并采用最小二乘法和马吕斯定律数据处理方法，顺次求出检偏器、1/4波片、光学样品的光强最小值角度位置，并由计算机通过细分驱动电路控制步进电机的驱动步距使相应光学件准确定位在光强极小值位置，再通过对检偏器的转动、采样过程，最终求出检偏器在光强极小值时的角位置值。由此看出，本发明提供的这种测试方法与1/4波片法相比，很好地解决了准确确定检偏器的偏振方向与起偏器的偏振方向垂直定位问题，因此从测试原理本身讲，本发明具备很高的测试精度。此外，本发明采用计算机控制步进电机的步距细分，与传统的机械细分法相比，不仅结构简单，操作方便，而且也很好地保证了每次转动都具有高的定位精度。

图1是本发明组成及测试原理示意图。

图2是本发明光学系统图。

图3是本发明计算机控制流程图。

下面结合附图及最佳实施例对本发明作进一步说明。

正如图1所示，本发明最佳实施例包括的积木式组件为：线偏振光组件1、样品转动组件2、补偿器3、检测组件4以及由信号采集与处理电路5、计算机6、打印机7构成的计算机控制与数据采集系统。

如图2所示，线偏振光组件1中的光源组件主要含有光源1a、毛玻璃1b、光阑1c、准直物镜1d、单色滤光片1e。光源1a采用宽光谱的卤钨灯，配上直流稳压电源，其稳定性很好。光源1a发出的光通过毛玻璃1b将均匀照明孔径为0.4mm的光阑1c，根据对发散角的要求，准直物镜1d选用的焦距为80mm，光阑1c出射的光束通过准直物镜后的光束发散角为0.14°，满足系统对光源平行度的要求。单色滤光片1e为高质量的552nm窄带滤光片，准直物镜的出射光束经单色滤光片1e成为单色准直光束。光源组件中的各光学元件在测试过程中均是不动的，因此在整机装调之前，可用自准直望远镜将其先组装好，这样可使光源部分的光路准直度保持不变。线偏振光组件中的起偏器1f采用大小为20×20mm²消光比为2×10^-6的格兰-汤姆逊棱镜偏振器。由上述元器件组成的线偏振光组件，能提供满足测试系统要求的稳定单色平行线偏振光。

补偿器为1/4波片，它起着将椭圆偏振光变成线偏振光的作用，它的性能好坏将直接影响定位的准确性，从而影响测量结果的准确性。本实施例所采用的1/4波片其相对误差不到0.4％，引入的光程差测量不确定度分量小于0.011nm。

检测组件4主要包括检偏器4a、聚光透镜4b、光电探测器4c、第三步进电机(参见图1、图2)。为了满足光路的准直要求和有效地消除因光学元件表面不严格平行而使光束照在探测器接收面的不同位置而产生的误差，聚光透镜4b和光电探测器4c是随检偏器4a一起转动的。检偏器4a同样采用格兰-汤姆逊偏振器，其消光比达2×10^-6。聚光透镜4b为短焦距镀膜透镜，其作用是将透射光聚焦到小面积的光电探测器4c上。光电探测器4c为小面积、高灵敏度、大动态范围(大于70dB)的硅光电二极管。之所以选用小面积的探测器，是因为其具有灵敏度高、结电容小、反应快、线性好，从而使电路本身的噪声在系统中引入的不确定度可至忽略不计。同时光电探测器4c后焦平面设置了一个光阑，可有效地挡住除从起偏器1f透过来的光以外的其它杂散光，提高了测量精度。

光学样品和检偏器的转动、定位对测试结果的准确性是至关重要的，也就是说放置光学样品的转台以及检偏器的转动定位是否准确直接影响系统测量结果的准确性。定位的准确性主要取决于两个方面：一是光强信号的准确性，二是转台转动位置的精度，因此，必须从电气和机械两个方面给予保证。

计算机控制与数据采集系统5是本发明的关键之一，其信号采集与处理电路主要包括信号放大器、I/O和A/D接口、接口卡等，它的功能主要是将光电探测器的输出信号进行放大，送入12bits高分辨率A/D接口，其输出的数字信号将由计算机读取和运算，因此该电路设计的好坏将直接影响测量不确定度的大小，为了准确检测光强最小值，信号放大器选择失调小、漂移小、低噪声的高精度运放作为信号放大器的前置级，再加上后级放大；步进电机驱动细分电路是三个公知细分驱动电路，其功能是分别对转动部分进行驱动及控制并为它们提供电源；本发明的调试与测试过程均由计算机控制，其控制流程见图3。

在最佳实施例中，第一、第二、转台均为1∶1的五级精度齿轮转动机构，其角度传动误差为±1′；检测组件4的转动定位直接通过后置的第三步进电机来实现，消除了机械传动带来的误差；同时第一、第二和第三步进电机均选用了四相步进角度为1.8°的步进电机，并通过计算机控制由第一、第二和第三细分驱动电路对其进行细分驱动，将每一步细分为500细分步，细分后的步距角约为13″。通过采取以上措施，大大提高了光学样品转动组件(2)、补偿器组件和检测组件(4)的定位精度，减少了误差，从而提高了整个系统测量的准确性。

本实施例根据所建立的数学模型，将相应的关系式展开，并变换成可直接进行拟合的关系式，其具体推导变换关系如下：

   2I₁=(2A+I₀)-I₀cos(2θ₁)cos(2θ₀)-I₀sin(2θ₁)sin(2θ₁)sin(2θ₀)

令 x=-cos(2θ₁)

    y=-sin(2θ₁)

    z=2I₁

    α₀=2A+I₀

    a₁=-I₀cos(2θ₀)

    a₂=-I₀sin(2θ₀)

则z=a₀+a₁x+a₂y

由于每一个θ₁都对应一个I₁，即每一个θ₁都对应一个x、y和z。因此对所测得的多组数据进行拟合可得出a₁和a₂，那么就有： $\mathrm{tg}\left(2{\mathrm{\θ}}_0\right)$ $={2a}_2/a_1$ 从而得出： ${\mathrm{\θ}}_0=\frac{1}{2}\mathrm{arctg}(a_2/a_1)$

根据此公式，就能准确求出相应光学件在光强最小点时所对应的位置角度值θ₀。

Claims (3)

1．一种偏光应力仪检定标准装置，主要包括由光源组件(1a～1e)、起偏器(1f)构成的线偏振光组件(1)、光学样品转动组件(2)、1/4波片(3)、由检偏器(4a)、聚光透镜(4b)和光电探测器(4c)等构成的检测组件(4)，其特征在于：还包括一套由计算机、信号采集与处理电路、步进电机驱动电路、采集卡、打印机等组成的计算机控制与数据采集系统(5)；第一、第二步进电机根据计算机指令分别通过各自的驱动电路驱动第一、第二转台由此带动光学样品组件(2)、1/4波片(3)转动；第三步进电机与检偏器(4a)同轴安装，并根据计算机指令直接带动检偏器(4a)、聚光透镜(4b)和光电探测器(4c)一起转动；线偏振光组件(1)发出的单色准直光经光学样品(2)、1/4波片(3)、检偏器(4a)后通过聚光透镜(4b)聚焦到光电探测器(4c)，光电探测器(4c)输出的模拟电信号送入信号采集与处理电路，其输出的数字信号由计算机读取和运算。

2．根据权利要求1所述的偏光应力仪检定标准装置，其特征在于：所述的步进电机驱动电路均为步进电机细分驱动电路。

3．一种适于权利要求1所述偏光应力仪检定标准装置的光强极小值定位方法，其特征在于：建立检偏器、1/4波片、光学样品转动时光强极小值和角位置关系的数学模型为：

                I₁=A+I₀sin²(θ₁-θ₀)式中：I₁-透过光学系统后到达探测器的光强；A-常数项(包括各种噪声)；I₀-光源组件出射光强；θ₁-检偏器、1/4波片、光学样品转动后所在位置角度；θ₀-在光强最小值时检偏器、1/4波片、光学样品所在的位置角度，根据该数学模型用最小二乘法去拟合光强极小值点附近光强和位置关系的曲线，由此就可以获得检偏器、1/4波片、光学样品在光强极小值点的精确位置角度。

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