CN107402195A - 半球形光学元件透射率及其均匀性的测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种测量半球形光学元件透射率及其均匀性的装置和方法，包括超连续谱激光器、单色器、光学衰减器、分束器、参考光探测器、光阑、多维机械调整架、待测半球形光学元件、步进电机控制器、测试光探测器、数据采集器和计算机等部分。本发明解决了传统方法难以准确测量半球形光学元件透射率及其均匀性的技术难题；并且测量点取样均匀，能真实反映半球光学元件透射率的均匀性；此外测量***自动化程度高，能实现一键测量。

Description

半球形光学元件透射率及其均匀性的测量装置和方法
技术领域
本发明涉及光学元件透射率的测量领域，特别是一种半球形光学元件全口径内透射率及其均匀性的测量装置和方法。
背景技术
光学元件的透射率是其非常重要的光学参数，目前常见测量光学元件透射率的方法是利用分光光度计来完成的[1-3]，对于平板光学元件，分光光度计可以轻松的完成其透射率的测量，但是对于半球形光学元件(外表面为半球，内部掏空，也为半球形)，分光光度计在测量其透射率的时候主要存在如下问题：
(1)由于入射光在穿过半球形光学元件的时候会发生光线的偏折，分光光度计的探测器无法完全收集到透射光，因而会造成透射率的测量错误。
(2)半球形光学元件全口径内的透射率均匀性是其重要的一个技术指标，但是分光光度计往往只能测量光学元件一个位置处的透射率，因而无法对半球形光学元件透射率的均匀性进行表征。
参考文献：
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发明内容
为了解决分光光度计测量半球形光学元件透射率及其均匀性时存在的问题，本发明专利提出了一种准确、便捷、快速测量半球形光学元件透射率及其均匀性的装置和方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种半球形光学元件透射率及均匀性的测量装置，包括超连续谱激光器、单色器、光学衰减器、分束器、参考光探测器、光阑、多维机械调整架、步进电机控制器、测试光探测器、数据采集器和计算机；
沿所述的超连续谱激光器的光束出射方向依次放置所述的单色器、光学衰减器和分束器，该分束器将入射光束分为反射光束和透射光束，该反射光束作为参考光束，在该参考光束传播方向是所述的参考光探测器，所述的透射光束作为测试光束，在该测试光束传播方向依次是光阑和待测半球形光学元件，该待测半球形光学元件固定在所述的多维机械调整架上，所述的步进电机控制器分别与所述的多维机械调整架和计算机相连，所述的测试光束经待测半球形光学元件后被所述的测试光探测器接收，该测试光探测器的输出端与所述的数据采集器的第一输入端相连，所述的参考光探测器的输出端与所述数据采集器的第二输入端相连，所述的数据采集器的输出端与所述的计算机的输入端相连。
所述的多维机械调整架包括光学精密位移台、光学精密旋转台、光学精密位移台、光学精密位移台、光学精密升降台、光学精密旋转台和三爪夹持架；
所述的光学精密旋转台固定在所述的光学精密位移台上，所述的光学精密位移台固定在所述的光学精密旋转台上，所述的光学精密位移台固定在所述的光学精密旋转台上，所述的光学精密升降台固定在所述的光学精密位移台上，所述的光学精密旋转台固定在所述的光学精密升降台上，所述的三爪夹持架固定在所述的光学精密旋转台上。
利用半球形光学元件透射率及均匀性的测量装置对半球形光学元件进行透射率及其均匀性的测量方法，包括以下步骤：
①不放置待测半球形光学元件，使单色器输出测量所需波长的单色激光光束，通过数据采集器采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算测试光束光强和参考光束光强的比值，记为k1；
②使单色器输出632.8nm的激光光束，在光学精密旋转台上拆卸光学精密平移台，然后在光学精密旋转台的中心安装光学支杆，通过调节光学精密位移台,使入射光线经过光学精密旋转台的旋转轴上；
③在光学精密旋转台上安装光学精密平移台，通过调节光学精密升降台使入射光线通过三爪夹持架的中心位置处，然后在三爪夹持架上安装待测半球形光学元件；
④通过反馈调节使待测半球形光学元件的球心位于光学精密旋转台的旋转轴上；
⑤通过旋转光学精密旋转台使入射光线处于待测半球形光学元件的第一圈处。
⑥用数据采集器采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算测试光束光强和参考光束光强的比值，记为则待测半球形光学元件在该测量位置处的透射率T按照如下公式计算得到：
⑦在360°内按照一定的步长间断旋转光学精密旋转台，并依次在各个扫描位置处重复步骤⑥，进而完成待测半球形光学元件上第一圈的扫描测量；
⑧按照一定的角度旋转光学精密旋转台，使入射光线处于待测半球形光学元件的第二圈，重复步骤⑦，即可完成待测半球形光学元件上第二圈的扫描测量；
⑨重复步骤⑧，直到在待测半球形光学元件上完成总共n圈的扫描。
⑩根据测得的数据，绘制待测半球形光学元件全口径内透射率的分布图，并统计待测半球形光学元件透射率均匀性的数值结果。
待测半球形光学元件上的第一圈、第二圈…第n圈依次均匀分布于从半球边界到中心的位置处。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)解决了传统方法难以准确测量半球形光学元件透射率及其均匀性的技术难题；
(2)测量点取样均匀，能真实反映半球光学元件透射率的均匀性；
(3)测量***自动化程度高，能实现一键测量。
附图说明
图1是本发明半球形光学元件透射率及其均匀性测量装置的结构图；
图2是多维机械调整架的结构图；
图3是反馈调节的原理示意图；
图4是第一圈扫描时光斑在半球面上位置的分布图；
图5是第二圈扫描时光斑在半球面上位置的分布图；
图6是半球面上所有扫描位置的分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
多维机械调整架的机械结构图如图2所示，主要包括光学精密位移台13，光学精密旋转台14，光学精密位移台15，光学精密位移台16，光学精密升降台17，光学精密旋转台18和三爪夹持架19，光学精密位移台13用于调节光学精密旋转台14旋转轴的位置，光学精密旋转台14用于旋转待测半球形光学元件的方位，光学精密位移台15用于在水平方向调节待测半球形光学元件的方位，光学精密位移台16用于在另一个水平方向调节待测半球形光学元件的方位，光学精密升降台17用于在竖直方向调节待测半球形光学元件的方位，三爪夹持架19用于夹持待测半球形光学元件，光学精密旋转台18用于旋转待测半球形光学元件的方位。
工作原理：
在如图1所示的半球形光学元件透射率及其均匀性的测量装置中，复色光源发出的复色光依次传输通过单色器、衰减片、分束器，然后形成一束参考光和一束测试光，参考光束的光强被参考光探测器采集，测试光束通过光阑、待测半球形光学元件后被测试光探测器所收集。
在测量过程中，首先使单色器输出测量所需波长的单色激光光束，然后不放置样品使测试光束直接被测试光探测器所收集，接着用数据采集器同时采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算此时测试光束光强和参考光束光强的比值，记为k1。然后使单色器输出632.8nm的激光光束，把待测半球形光学元件安装于三爪夹持架上，通过反馈调节使半球形光学元件的球心位于光学精密旋转台14的旋转轴上(反馈调节的原理如图3所示，当半球形光学元件的球心不在光学精密旋转台14的旋转轴上的时候，如果旋转光学精密旋转台14，则半球形光学元件内表面反射光的传播方向则会偏离入射光束的传播方向，通过调节光学精密位移台15，结合测试光束中的光阑，使得在不断持续旋转光学精密旋转台14的过程中，半球形光学元件内表面反射光的传播方向始终与入射光束的传播方向共线，即可实现半球形光学元件的球心位于光学精密旋转台14旋转轴上的目的)，接着用数据采集器同时采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算此时测试光束光强和参考光束光强的比值，记为则待测半球形光学元件在该测量位置处的透射率T可按照公式(1)计算得到：
图4所示是利用光学精密旋转台18，测量光斑在待测半球形光学元件上第一圈扫描的位置示意图，图5所示是利用光学精密旋转台14和光学精密旋转台18，测量光斑在待测半球形光学元件8上第一圈和第二圈扫描的位置示意图，图6所示是利用光学精密旋转台14和光学精密旋转台18，测量光斑在待测半球形光学元件上所有n圈扫描的位置示意图，在每一个扫描位置，利用数据采集器同时采集测试光束和参考光束的光强信号，按照公式(1)计算待测半球形光学元件在该测量位置处的透射率，即可完成待测半球形光学元件全口径内透射率及其均匀性的测量。
根据公式(2)计算待测半球形光学元件全口径内透射率的平均值
其中为待测半球形光学元件全口径内透射率的平均值，Ti为单个测量位置处的透射率，N为总的采样点数。
根据公式(3)计算待测半球形光学元件全口径内透射率的PV值：
PV＝Tmax-Tmin (3)
其中PV为待测半球形光学元件全口径内透射率的峰谷值，Tmax为待测半球形光学元件全口径内透射率的最大值，Tmin为待测半球形光学元件全口径内透射率的最小值。
根据公式(4)计算待测半球形光学元件全口径内透射率的相对峰谷值ξ：
其中为待测半球形光学元件全口径内透射率的相对峰谷值，PV为待测半球形光学元件全口径内透射率的峰谷值，为待测半球形光学元件全口径内透射率的平均值。
根据公式(5)计算待测半球形光学元件全口径内透射率的标准差σ：
其中σ为待测半球形光学元件全口径内透射率的标准差，为待测半球形光学元件全口径内透射率的平均值，Ti,j为单点位置处的透射率，N为总的采样点数。
根据公式(6)计算待测半球形光学元件全口径内透射率的标准差率χ：
其中χ为待测半球形光学元件全口径内透射率的标准差率，σ为待测半球形光学元件全口径内透射率的标准差，为待测半球形光学元件全口径内透射率的平均值。
基于如图1所示的半球形光学元件透射率及其均匀性的测量装置和如图2所示的多维机械调整架，一种半球形光学元件透射率及其均匀性的测量方法，主要包括以下步骤：
①使单色器2输出测量所需波长的单色激光光束，然后不放置样品使测试光束直接被测试光探测器10所收集，接着用数据采集器11同时采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算此时测试光束光强和参考光束光强的比值，记为k1。
②首先使单色器2输出632.8nm的激光光束，在光学精密旋转台14上拆卸光学精密平移台15，然后在光学精密旋转台14的中心安装光学支杆，通过调节光学精密位移台13,使入射光线经过光学精密旋转台14的旋转轴上。
③在光学精密旋转台14上安装光学精密平移台15，通过调节光学精密升降台17使入射光线通过三爪夹持架19的中心位置处，然后在三爪夹持架19上安装待测半球形光学元件8。
④通过反馈调节使待测半球形光学元件8的球心位于光学精密旋转台14的旋转轴上。
⑤通过旋转光学精密旋转台14，使入射光线处于待测半球形光学元件8的第一圈处。
⑥用数据采集器11同时采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算此时测试光束光强和参考光束光强的比值，记为则待测半球形光学元件8在该测量位置处的透射率T可按照如下公式计算得到：
⑦在360°内按照一定的步长间断旋转光学精密旋转台18，并依次在各个扫描位置处重复步骤⑥，进而完成待测半球形光学元件8上第一圈的扫描测量。
⑧按照一定的角度旋转光学精密旋转台14，使入射光线处于待测半球形光学元件(8)的第二圈，重复步骤⑦，即可完成待测半球形光学元件8上第二圈的扫描测量。
⑨重复步骤⑧，直到在待测半球形光学元件8上完成总共n圈的扫描。
⑩根据测得的数据，绘制待测半球形光学元件8全口径内透射率的分布图，并计算待测半球形光学元件8透射率均匀性的数值统计结果。
实施例1：
图2和图3是基于本发明专利的思想，构建的半球形光学元件透射率及其均匀性测量***的结构图，超连续谱激光器采用FemtoPower FP1060-20超连续光纤激光器，单色器采用Photon etc公司生产的光栅单色器，衰减片采用Thorlabs公司的可调节光学衰减片，分束器采用Thorlabs公司的CM1-BP145B2笼式立方体安装的薄膜分束器，光阑采用Thorlabs公司ID20接杆安装可变光阑，参考光探测器和测试光探测器均采用Ophir公司PD-300系列光功率计，多维机械调整架由非标定制加工完成，步进电机控制器采用上海联谊光纤激光器械有限公司的3轴控制器，数据采集器采用Ophir公司的Laser star系列双通道数据采集器。
在扫描测量的时候，第1圈的扫描点为30个，如图3所示，第2圈的扫描点为27个，如图4所示，第3圈的扫描点为24个，第4圈的扫描点为21个，第5圈的扫描点为18个，第6圈的扫描点为15个，第7圈的扫描点为12个，第8圈的扫描点为9个，第9圈的扫描点为6个，第10圈的扫描点为1个，一共扫描10圈，总的扫描位置如图6所示，这种取点方式可实现半球面上取点均匀，从而能最优化的实现半球面透射率均匀性的表征。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种半球形光学元件透射率及均匀性的测量装置，其特征在于，包括超连续谱激光器(1)、单色器(2)、光学衰减器(3)、分束器(4)、参考光探测器(5)、光阑(6)、多维机械调整架(7)、步进电机控制器(9)、测试光探测器(10)、数据采集器(11)和计算机(12)；
沿所述的超连续谱激光器(1)的光束出射方向依次放置所述的单色器(2)、光学衰减器(3)和分束器(4)，该分束器(4)将入射光束分为反射光束和透射光束，该反射光束作为参考光束，在该参考光束传播方向是所述的参考光探测器(5)，所述的透射光束作为测试光束，在该测试光束传播方向依次是光阑(6)和待测半球形光学元件(8)，该待测半球形光学元件(8)固定在所述的多维机械调整架(7)上，所述的步进电机控制器(9)分别与所述的多维机械调整架(7)和计算机(12)相连，所述的测试光束经待测半球形光学元件(8)后被所述的测试光探测器(10)接收，该测试光探测器(10)的输出端与所述的数据采集器(11)的第一输入端相连，所述的参考光探测器(5)的输出端与所述数据采集器(11)的第二输入端相连，所述的数据采集器(11)的输出端与所述的计算机(12)的输入端相连。
2.根据权利要求1所述的半球形光学元件透射率及均匀性的测量装置，其特征在于，所述的多维机械调整架(7)包括光学精密位移台(13)、光学精密旋转台(14)、光学精密位移台(15)、光学精密位移台(16)、光学精密升降台(17)、光学精密旋转台(18)和三爪夹持架(19)；
所述的光学精密旋转台(14)固定在所述的光学精密位移台(13)上，所述的光学精密位移台(15)固定在所述的光学精密旋转台(14)上，所述的光学精密位移台(16)固定在所述的光学精密旋转台(15)上，所述的光学精密升降台(17)固定在所述的光学精密位移台(16)上，所述的光学精密旋转台(18)固定在所述的光学精密升降台(17)上，所述的三爪夹持架(19)固定在所述的光学精密旋转台(18)上。
3.利用权利要求1或2所述的半球形光学元件透射率及均匀性的测量装置对半球形光学元件进行透射率及其均匀性的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
①不放置待测半球形光学元件(8)，使单色器(2)输出测量所需波长的单色激光光束，通过数据采集器(11)采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算测试光束光强和参考光束光强的比值，记为k1；
②使单色器(2)输出632.8nm的激光光束，在光学精密旋转台(14)上拆卸光学精密平移台(15)，然后在光学精密旋转台(14)的中心安装光学支杆，通过调节光学精密位移台(13),使入射光线经过光学精密旋转台(14)的旋转轴上；
③在光学精密旋转台(14)上安装光学精密平移台(15)，通过调节光学精密升降台(17)使入射光线通过三爪夹持架(19)的中心位置处，然后在三爪夹持架(19)上安装待测半球形光学元件(8)；
④通过反馈调节使待测半球形光学元件(8)的球心位于光学精密旋转台(14)的旋转轴上；
⑤通过旋转光学精密旋转台(14)使入射光线处于待测半球形光学元件(8)的第一圈处。
⑥用数据采集器(11)采集测试光束和参考光束的光强信号，并计算测试光束光强和参考光束光强的比值，记为则待测半球形光学元件(8)在该测量位置处的透射率T按照如下公式计算得到：
<mrow> <mi>T</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>k</mi> <mn>1</mn> <mo>*</mo> </msubsup> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> </mfrac> </mrow>
⑦在360°内按照一定的步长间断旋转光学精密旋转台(18)，并依次在各个扫描位置处重复步骤⑥，进而完成待测半球形光学元件(8)上第一圈的扫描测量；
⑧按照一定的角度旋转光学精密旋转台(14)，使入射光线处于待测半球形光学元件(8)的第二圈，重复步骤⑦，即可完成待测半球形光学元件(8)上第二圈的扫描测量；
⑨重复步骤⑧，直到在待测半球形光学元件(8)上完成总共n圈的扫描。
⑩根据测得的数据，绘制待测半球形光学元件(8)全口径内透射率的分布图，并统计待测半球形光学元件(8)透射率均匀性的数值结果。
4.权利要求3所述的对半球形光学元件进行透射率及其均匀性的测量方法，其特征在于，待测半球形光学元件(8)上的第一圈、第二圈…第n圈依次均匀分布于从半球边界到中心的位置处。
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