雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量裝置及方法，該裝置包括激光光源（1）、光衰減器（2）、擴(kuò)束鏡（3）、起偏器（4）、雙折射光楔（5）、樣品測(cè)試臺(tái)（6）、檢偏器（7）、面陣探測(cè)器（8）以及信號(hào)處理系統(tǒng)（9）。與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)采集三幅不同入射角度下的偏振干涉圖，可以快速地實(shí)現(xiàn)雙折射光楔光軸的三維方向測(cè)量，克服了以往沒(méi)有雙折射光楔光軸測(cè)量系統(tǒng)和方法的難題；可以通過(guò)增加入射角度調(diào)整的個(gè)數(shù)來(lái)進(jìn)一步提高測(cè)量精度；同樣適合傳統(tǒng)的入射平面和出射平面平行的雙折射試件，并且誤差范圍小，保證測(cè)量精度，因此適應(yīng)面廣。
【專利說(shuō)明】雙折射光模光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雙折射晶體參數(shù)檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]晶體光軸是晶體的重要光學(xué)參數(shù)，其相對(duì)于晶體器件入射表面的三維方向的不同會(huì)影響晶體器件性能，因此對(duì)晶體光軸三維方向的檢測(cè)技術(shù)顯得非常重要。 [0003]目前在確定晶體光軸方向上已經(jīng)存在一些測(cè)量方法。M.Laue(Friedrichff, Knipping P,LaueM.1nterference appearances in χ-rays [J].Ann.Phys.(Berlin), 1913,41:971-988.)提出的晶體光軸方向X射線衍射法，測(cè)量精度高，但方法復(fù)雜，且需要預(yù)先知道該晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及晶面與衍射峰的對(duì)應(yīng)關(guān)系；張藝等(張藝，沈?yàn)槊?單軸晶體錐光干涉的理論與實(shí)驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)報(bào))，2005，32(4):403-406.)利用晶體的偏光干涉圖確定晶體光軸方向，晶體偏光干涉圖通過(guò)偏光顯微鏡來(lái)采集，根據(jù)光軸出露點(diǎn)(即晶體中平行于光軸方向的折射光線在干涉圖中對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，也就是黑十字交點(diǎn))相對(duì)于視域中心的位置來(lái)測(cè)量出光軸方向；D.Su(Su DC, HsuCC.Method for determining the optical axis and(no, ne)of a birefringentcrystal [J].Applied optics, 2002, 41 (19): 3936-3940.)等采用一種共光路干涉型外差法來(lái)測(cè)定光軸方向；段存麗等(段存麗，韓軍，路紹軍，等.基于惠更斯原理確定單軸晶體光軸方向的新方法研究[J].光學(xué)儀器，2008, 30(4):55-59.)米用惠更斯原理分析光波傳播方向，依據(jù)光軸與晶體表面法線的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)晶體光軸方向的測(cè)量；沈?yàn)槊竦?沈?yàn)槊瘢钚l(wèi)濤，李群，等.C⑶圖像法測(cè)量晶體光軸方向[J],半導(dǎo)體光電，2006，27(4):485-488.)判定晶體表面法線進(jìn)行光軸方向的測(cè)量；邢進(jìn)華等(邢進(jìn)華.用布儒斯特角法同時(shí)測(cè)定單軸晶體的折射率和光軸方向[J].大學(xué)物理，2004，23 (6):49-50.)通過(guò)測(cè)定晶體樣品三個(gè)表面的布儒斯特角來(lái)確定單軸晶體的光軸方向。
[0004]上述方法通常是對(duì)加工成標(biāo)準(zhǔn)試件的光軸方向測(cè)量，要求試件的入射面和出射面相互平行以保證ο光與e光兩出射光出射方向相互平行，且要求試件ο光與e光有大的折射率差。而雙折射光楔的入射面和出射面存在夾角，這導(dǎo)致兩出射光(O光與e光)不平行，并且兩束光折射率差較小，不易區(qū)分開(kāi)，這都對(duì)雙折射光楔光軸三維方向的測(cè)量帶來(lái)困難。本發(fā)明旨在克服上述困難，實(shí)現(xiàn)對(duì)雙折射光楔光軸的三維方向精確測(cè)量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明針對(duì)以上不足，提出了雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量裝置及方法，用于雙折射光楔光軸的三維方向的測(cè)量，同時(shí)也能用于其他雙折射器件的光軸方位測(cè)量。
[0006]本發(fā)明提出了一種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量裝置，該裝置包括激光光源(I)、光衰減器(2)、擴(kuò)束鏡(3)、起偏器(4)、雙折射光楔(5)、樣品測(cè)試臺(tái)(6)、檢偏器(7)、面陣探測(cè)器(8)以及信號(hào)處理系統(tǒng)(9)其中:
[0007]激光光源(1)，用于提供該裝置的輸入光源，采用空間相干性好的可見(jiàn)光波段激光器，包括He-Ne激光器和半導(dǎo)體激光器；
[0008]光衰減器(2)，用于降低激光能量，控制激光光源功率穩(wěn)定，避免面陣探測(cè)器飽和；
[0009]擴(kuò)束鏡(3)，用于激光擴(kuò)束，保證激光光源平行出射，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑；
[0010]起偏器(4)，用于激光光束起偏，透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45° ;
[0011]樣品測(cè)試臺(tái)(6)，用于放置待測(cè)的雙折射光楔(5)和控制雙折射光楔入射角，測(cè)試臺(tái)可圍繞與放置其平面垂直的軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)至少三種不同角度入射至雙折射光楔表面產(chǎn)生偏振干涉；
[0012]檢偏器(7)，用于實(shí)現(xiàn)偏振干涉，透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45°，同時(shí)與起偏器相垂直或平行；
[0013]面陣探測(cè)器(8)，包括CXD和CMOS探測(cè)器，用于接收偏振干涉圖信號(hào)；以及
[0014]信號(hào)處理系統(tǒng)(9)，包括圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，用于采集偏振干涉圖信號(hào)，計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量算法進(jìn)行處理，計(jì)算出雙折射光楔光軸三維方向；
[0015]激光光源(I)輸出激光平行入射，經(jīng)光衰減器(2)降低激光能量時(shí)，控制激光功率穩(wěn)定避免探測(cè)器飽和；擴(kuò)束鏡(3)對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑，經(jīng)偏振器(4)起偏,透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45° ,在樣品測(cè)試臺(tái)(6)上放置被測(cè)雙折射光楔5，通過(guò)調(diào)節(jié)樣品測(cè)試臺(tái)(6)，旋轉(zhuǎn)雙折射光楔(5)，從而實(shí)現(xiàn)不同角度入射光楔表面產(chǎn)生偏振干涉，通過(guò)雙折射光楔(5)后的光束在檢偏器(7)后實(shí)現(xiàn)偏振光干涉，采用面陣探測(cè)器(8)接收偏振干涉圖并傳入到信號(hào)處理系統(tǒng)9中。
[0016]本發(fā)明還提出了一種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量方法，該方法包括以下步驟:
[0017]激光光源(I)輸出激光平行入射，經(jīng)光衰減器(2)降低激光能量時(shí)，控制激光功率穩(wěn)定避免探測(cè)器飽和；擴(kuò)束鏡(3)對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑，經(jīng)偏振器(4)起偏,透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45° ,在樣品測(cè)試臺(tái)(6)上放置被測(cè)雙折射光楔(5)，通過(guò)調(diào)節(jié)樣品測(cè)試臺(tái)(6)，旋轉(zhuǎn)雙折射光楔(5)，從而實(shí)現(xiàn)不同角度入射光楔表面產(chǎn)生偏振干涉，通過(guò)雙折射光楔(5)后的光束在檢偏器(7)后實(shí)現(xiàn)偏振光干涉，采用面陣探測(cè)器(8)接收偏振干涉圖并傳入到信號(hào)處理系統(tǒng)(9)中；在每一個(gè)入射角下，記錄一幅偏振干涉圖，當(dāng)采集得到三個(gè)不同入射角的偏振干涉圖，在信號(hào)處理系統(tǒng)(9)中對(duì)偏振干涉信號(hào)進(jìn)行灰度變換和hough變換處理，提取偏振干涉圖的亮條紋，計(jì)算出干涉條紋間距，通過(guò)三個(gè)角度入射構(gòu)成的聯(lián)立光程差方程組，求解出雙折射光楔光軸的三維方向；
[0018]所述雙折射光楔通過(guò)三個(gè)角度入射構(gòu)成聯(lián)立光程差方程組的過(guò)程如下:
[0019]建立相鄰亮條紋間距h與晶體楔面厚度t對(duì)應(yīng)關(guān)系式:
[0020]
St = h.cos φ ;
[0021]偏振干涉中相鄰亮條紋光程差δ Δ = λ，從而得到偏振干涉光相鄰條紋光程差δ Δ公式:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括激光光源(I)、光衰減器(2)、擴(kuò)束鏡(3)、起偏器(4)、雙折射光楔(5)、樣品測(cè)試臺(tái)(6)、檢偏器(7)、面陣探測(cè)器(8)以及信號(hào)處理系統(tǒng)(9);其中: 激光光源(I )，用于提供該裝置的輸入光源，采用空間相干性好的可見(jiàn)光波段激光器，包括He-Ne激光器和半導(dǎo)體激光器； 光衰減器(2)，用于降低激光能量，控制激光光源功率穩(wěn)定，避免面陣探測(cè)器飽和；擴(kuò)束鏡(3)，用于激光擴(kuò)束，保證激光光源平行出射，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑； 起偏器(4 )，用于激光光束起偏，透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45 ° ; 樣品測(cè)試臺(tái)(6)，用于放置待測(cè)的雙折射光楔(5)和控制雙折射光楔入射角，測(cè)試臺(tái)可圍繞與放置其平面垂直的軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)至少三種不同角度入射至雙折射光楔表面產(chǎn)生偏振干涉； 檢偏器(7)，用于實(shí)現(xiàn)偏振干涉，透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45°，同時(shí)與起偏器相垂直或平行； 面陣探測(cè)器(8)，包括CCD和CMOS探測(cè)器，用于接收偏振干涉圖信號(hào)； 信號(hào)處理系統(tǒng)(9)，包括圖像采集卡和計(jì)算機(jī)，用于采集偏振干涉圖信號(hào)，計(jì)算機(jī)根據(jù)測(cè)量算法進(jìn)行處理，計(jì)算出雙折射光楔光軸三維方向； 激光光源(I)輸出激光平行入射，經(jīng)光衰減器(2)降低激光能量時(shí)，控制激光功率穩(wěn)定避免探測(cè)器飽和；擴(kuò)束鏡·(3)對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑，經(jīng)偏振器(4)起偏，透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45°，在樣品測(cè)試臺(tái)(6)上放置被測(cè)雙折射光楔5，通過(guò)調(diào)節(jié)樣品測(cè)試臺(tái)(6)，旋轉(zhuǎn)雙折射光楔(5)，從而實(shí)現(xiàn)不同角度入射光楔表面產(chǎn)生偏振干涉，通過(guò)雙折射光楔(5 )后的光束在檢偏器(7 )后實(shí)現(xiàn)偏振光干涉，采用面陣探測(cè)器(8)接收偏振干涉圖并傳入到信號(hào)處理系統(tǒng)(9)中。
2.—種雙折射光楔光軸方向的多入射角偏振干涉測(cè)量方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 激光光源(I)輸出激光平行入射，經(jīng)光衰減器(2)降低激光能量時(shí)，控制激光功率穩(wěn)定避免探測(cè)器飽和；擴(kuò)束鏡(3)對(duì)激光進(jìn)行擴(kuò)束，獲得覆蓋雙折射光楔橫向尺寸的空間相干激光光斑，經(jīng)偏振器(4)起偏，透光軸方向與水平基準(zhǔn)成45°，在樣品測(cè)試臺(tái)(6)上放置被測(cè)雙折射光楔(5)，通過(guò)調(diào)節(jié)樣品測(cè)試臺(tái)(6)，旋轉(zhuǎn)雙折射光楔(5)，從而實(shí)現(xiàn)不同角度入射光楔表面產(chǎn)生偏振干涉，通過(guò)雙折射光楔(5)后的光束在檢偏器(7)后實(shí)現(xiàn)偏振光干涉,米用面陣探測(cè)器(8)接收偏振干涉圖并傳入到信號(hào)處理系統(tǒng)(9)中；在每一個(gè)入射角下，記錄一幅偏振干涉圖，當(dāng)采集得到三個(gè)不同入射角的偏振干涉圖，在信號(hào)處理系統(tǒng)(9)中對(duì)偏振干涉信號(hào)進(jìn)行灰度變換和hough變換處理，提取偏振干涉圖的亮條紋，計(jì)算出干涉條紋間距，通過(guò)三個(gè)角度入射構(gòu)成的聯(lián)立光程差方程組，求解出雙折射光楔光軸的三維方向；所述雙折射光楔通過(guò)三個(gè)角度入射構(gòu)成聯(lián)立光程差方程組的過(guò)程如下: 建立相鄰売條紋間距h與晶體模面厚度t對(duì)應(yīng)關(guān)系式:δ? = Η.οο^φ \ 偏振干涉中相鄰亮條紋光程差S Δ = λ，從而得到偏振干涉光相鄰條紋光程差δ Δ公式:

【文檔編號(hào)】G01M11/02GK103712781SQ201310746711
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月25日
【發(fā)明者】劉鐵根, 江俊峰, 劉琨, 尹金德, 鄒盛亮, 王雙, 秦尊琪, 吳振海 申請(qǐng)人:天津大學(xué)