[發明專利]電光晶體通光面法線與晶體光軸的夾角測量裝置和方法

有效

• 申請號: 201710917302.9
• 申請日: 2017-09-30
• 公開（公告）號: CN107505121B
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 劉世杰;魯棋;周游;王圣浩;徐天柱;王微微;邵建達
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種電光晶體通光面法線與晶體光軸的夾角測量裝置，包括：激光器(1)、第一透鏡(2)、小孔光闌(3)、第二透鏡(4)、分光鏡(5)、接收屏(6)、平面反射鏡(7)、第三透鏡(8)、一維精密電動位移臺(9)、待測電光晶體(10)、第四透鏡(11)、線偏振片(12)、第五透鏡(13)、圖像探測器(14)和計算機(15)；其特征在于：

所述的激光器(1)為線偏振光激光器(1)，沿所述的線偏振光激光器(1)發出的激光方向依次是所述的第一透鏡(2)、小孔光闌(3)、第二透鏡(4)和分光鏡(5)，該分光鏡(5)將入射光分為反射光和透射光，在所述的反射光方向上放置所述的平面反射鏡(7)，該平面反射鏡(7)又將光線反射經所述的分光鏡(5)到達所述的接收屏(6)上；在所述的透射光方向依次放置所述的第三透鏡(8)、待測電光晶體(10)、第四透鏡(11)、線偏振片(12)、第五透鏡(13)和圖像探測器(14)，所述的第三透鏡(8)被固定在所述的一維精密電動位移臺(9)上，所述的線偏振片(12)的檢偏方向與所述的線偏振光激光器(1)出射光的振動方向相互垂直；所述的圖像探測器(14)的輸出端與所述的計算機(15)的輸入端相連；所述的分光鏡(5)、接收屏(6)、平面反射鏡(7)和待測電光晶體(10)組成泰曼格林型干涉系統；所述的第三透鏡(8)和第四透鏡(11)的口徑相同、焦距相同且在光路上嚴格共軛，所述的第三透鏡(8)和第四透鏡(11)的F數與所述的待測電光晶體(10)的厚度d的關系為：2F≤d≤3F；所述的線偏振光激光器(1)的出射光束、第一透鏡(2)、第二透鏡(4)、第三透鏡(8)和第四透鏡(11)同光軸；所述的第三透鏡(8)可被所述的一維精密電動位移臺(9)移出和移入光路，且所述的第三透鏡(8)每次被所述的一維精密電動位移臺(9)移入光路后都在同一位置，用平行度為1″的平行平板玻璃(16)對平面反射鏡(7)、第三透鏡(8)、第四透鏡(11)和待測電光晶體(10)進行姿態調整。

2.采用權利要求1所述的測量裝置測量電光晶體通光面法線與晶體光軸夾角的方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

1)在所述的線偏振光激光器(1)的激光輸出方向依次放置所述的第一透鏡(2)、第二透鏡(4)、分光鏡(5)和一塊用于裝調光路的平行平板玻璃(16)，該平行平板玻璃(16)的平行度為1″，傾斜44°至46°放置，它將光束反射到光路的一側；在所述的反射光方向上放置所述的接收屏(6)；通過前、后、左、右、上、下移動所述的第一透鏡(2)和第二透鏡(4)并同時調整它們的俯仰和偏擺方向，在所述的接收屏(6)上觀察到剪切干涉條紋，當干涉條紋數最少時，將所述的第一透鏡(2)和第二透鏡(4)固定，再將所述的小孔光闌(3)移動到所述的第一透鏡(2)的焦點處，該小孔光闌(3)的作用是濾掉所述的第一透鏡(2)焦點外的雜散光；然后，將所述的平行平板玻璃(16)和接收屏(6)移出光路，此時，所述的分光鏡(5)輸出的透射光為均勻的圓形準直光束；

2)在所述的分光鏡(5)的透射光方向放置數字光電自準直儀(17)，并與所述的計算機(15)相連，所述的數字光電自準直儀(17)的精度為1″，調整所述的數字光電自準直儀(17)的俯仰和偏擺方向，使所述的分光鏡(5)的透射光光斑的中心正好與所述的數字光電自準直儀(17)內置CCD像面中央的十字叉標線的中心重合；

3)在所述的分光鏡(5)的反射光方向上放置所述的平面反射鏡(7)，該平面反射鏡(7)將光線反射經所述的分光鏡(5)到達所述的接收屏(6)上；在所述的分光鏡(5)與所述的數字光電自準直儀(17)之間放置所述的平行平板玻璃(16)；關閉所述的線偏振光激光器(1)，打開所述的數字光電自準直儀(17)的內置激光光源，其出射光為十字叉形狀，通過調整所述的平行平板玻璃(16)的俯仰和偏擺方向，使所述的平行平板玻璃(16)的后表面(16b)的反射光在所述的數字光電自準直儀(17)中所成的十字叉像與所述的數字光電自準直儀(17)內置CCD像面中央的十字叉線重合；此時，所述的平行平板玻璃(16)的前表面嚴格垂直于光路的光軸，又因所述的平行平板玻璃(16)的平行度為1″，故所述的平行平板玻璃(16)的后表面(16a)也嚴格垂直于光路的光軸；其次，通過裝調所述的平面反射鏡(7)的俯仰和偏擺方向，在所述的接收屏(6)上觀察到干涉條紋，當干涉條紋數最少時，所述的平面反射鏡(7)上的光線的入射角和反射角均為90°；

4)選擇所述的第三透鏡(8)和第四透鏡(11)的F數與所述的待測電光晶體(10)的厚度d應滿足關系2F≤d≤3F；將所述的數字光電自準直儀(17)和所述的計算機(15)移出光路，在所述的分光鏡(5)與所述的平行平板玻璃(16)之間依次放置所述的第三透鏡(8)和第四透鏡(11)，所述的第三透鏡(8)被固定在所述的一維精密電動位移臺(9)上，通過前、后、左、右、上、下移動所述的第三透鏡(8)和第四透鏡(11)并同時調整它們的俯仰和偏擺方向，在所述的接收屏(6) 上觀察到干涉條紋，當干涉條紋數最少時，所述的第三透鏡(8)與所述的第四透鏡(11)嚴格共軛，此時將所述的第三透鏡(8)與所述的第四透鏡(11)固定；

5)將所述的平行平板玻璃(16)移出光路，使用所述的一維精密電動位移臺(9)記錄下所述的第三透鏡(8)的位置，并記為位置A后，將所述的第三透鏡(8)沿導軌平移出光路；在所述的一維精密電動位移臺(9)與所述的第四透鏡(11)之間放置所述的待測電光晶體(10)，通過調整所述的待測電光晶體(10)的俯仰和偏擺方向，在所述的接收屏(6)上觀察到干涉條紋，當干涉條紋數最少時，所述的待測電光晶體(10)的通光面與光路的光軸之間的夾角為90°，將所述的待測電光晶體(10)固定；

6)在所述的第四透鏡(11)的透射光方向上依次放置所述的線偏振片(12)、第五透鏡(13)和圖像探測器(14)，將所述的圖像探測器(14)的輸出端與所述的計算機(15)的輸入端相連，所述的第五透鏡(13)為成像透鏡，令j＝1；

7)用所述的一維精密電動位移臺(9)將所述的第三透鏡(8)沿導軌平移到記錄位置A后，此時，在所述的圖像探測器(14)的感光面上形成錐光干涉圖；

8)所述的圖像探測器(14)將所述的錐光干涉圖輸入所述的計算機(15)，該計算機(15)用圖像連通區域重心連線的方法找到錐光干涉圖黑十字叉交點的位置，該位置即為所述的待測電光晶體(10)光軸在所述的圖像探測器(14)感光面上的出露點的位置，該位置坐標記為N_j，當j＝4時，跳轉到步驟10)，否則進入步驟9)；

9)用所述的一維精密電動位移臺(9)將所述的第三透鏡(8)沿導軌平移出光路，所述的待測電光晶體(10)垂直于光路的光軸旋轉90°，并令j＝j+1，返回步驟7)；

10)利用多點擬合圓算法擬合出上述計算出的4幅錐光干涉圖中4個出露點(N1、N₂、N₃和N₄)的位置所在的軌跡圓，該軌跡圓的半徑為單位為像素，令k＝1；

11)對上述得到的第k幅錐光干涉圖測量入射到所述的待測電光晶體(10)的邊緣光線與所述的待測電光晶體(10)的通光面法線方向分別在所述的圖像探測器(14)上的兩個出露點的距離單位為像素；測量所述的第四透鏡(11)的焦距f，單位為毫米；測量透過所述的第四透鏡(11)的光斑半徑單位為毫米；在所述的線偏振光激光器(1)的工作波長下，所述的待測電光晶體(10)的o光折射率的測量值為n_o，空氣折射率的測量值為n_air，當k＝4時，跳轉到步驟13)，否則進入步驟12)；

12)將上述測量的參數代入下列公式計算夾角θ_k：

并令k＝k+1，返回步驟11)；

13)將上述求解得到的4個夾角(θ₁、θ₂、θ₃和θ₄)代入下列公式計算夾角θ_axis：

即為測量得到的待測電光晶體(10)的通光面法線與晶體光軸的夾角θ_axis。