CN1475780A

CN1475780A - 宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置

Info

Publication number: CN1475780A
Application number: CNA031293441A
Authority: CN
Inventors: 徐学科; 汤兆胜; 范正修; 邵建达
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2004-02-18

Abstract

一种宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，其特点是沿主光路依次包括光源、单色仪、起偏棱镜、分束镜、光阑、锥状棱镜、能量计，所述的起偏棱镜置于旋转平台1上，所述的锥状棱镜和待测样品都置于旋转平台2上，在分束镜的反射光路上设对比光能量计，还有一计算机，该计算机一方面按测量程序控制旋转平台1和旋转平台2的运动，另一方面接收能量计和对比光能量计的测试结果并进行数据处理，显示或打印出测试样品的光谱和消光比。本装置具有性能稳定可靠、操作方便、测试结果精确的优点。

Description

宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置

技术领域

本发明涉及薄膜的光谱测量，特别是一种宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置。

背景技术

信息时代的网络技术，使共享信息和集合信息的需要日益突出，这造就了对超大屏幕显示的最大需求，传统的以CRT作为图像发生源的显示技术由于其大体积、大重量以及受自身亮度的限制，逐渐成为限制其发展的瓶颈，代之而来的是以LCD(Liquid Crystal Display)、DLP(Digital Light Processing)、LCOS(Liquid Crystal on Silicon)为机理的大屏幕投影显示***，除了DLP显示之外，投影显示***都要用到含有宽角度宽光谱偏振分光镜的光学元件。偏振分光镜是上述投影显示***中重要的薄膜元件，它的性能直接影响到图像的对比度、色彩的一致性和光能的利用率。

在上述宽角度宽光谱薄膜元件的研制过程中，一个一直让所有人困惑的问题是如何精确测量它在每个角度和每个波长上的两个偏振光的光谱特性及其消光比。现有的光谱测量最先进Lambda系列测试装置，如果想满足以上的测量需求，需要制作大量不同角度的放置架，而且它还不能直接给出消光比，因此在实际应用中受到很大的限制。在有些文献中也报道过这方面的装置，但他们只能粗略测出消光比，或者只能测出两种偏振光的光谱特性。因此实际上如何研究发明出一个既能测量消光比又能测量光谱的测量装置还一直是空白。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难，提供一种宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，它既能测宽光譜偏振分束膜的光谱，又能测量其消光比，最主要的是它能开展不同入射角度的光谱测量。

本发明的技术解决方案：

一种宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，其特点是沿主光路依次包括光源、单色仪、起偏棱镜、分束镜、光阑、锥状棱镜、能量计，所述的起偏棱镜置于旋转平台1上，所述的锥状棱镜和待测样品都置于旋转平台2上，在分束镜的反射光路上设对比光能量计，还有一计算机，该计算机一方面按测量程序控制旋转平台1和旋转平台2的运动，另一方面接收能量计和对比光能量计的测试结果并进行数据处理，显示或打印出测试样品的光谱和消光比。

所述的光源为宽光谱卤钨灯，以提供可见波段的寬光谱的光源。

所述的光栅单色仪其精度应≤0.1nm。

所述的起偏棱镜为起偏棱镜组合，主要目的在于能保证输出光有高度的偏振特性，平行入射光的出射光为P偏振态光、垂直出射光为S偏振态光)，该组合被放置在一个可精确控制的旋转平台1上，从而可以根据后面测量程序的需要，选择所需要的偏振态。

可旋转平台2应能精确控制入射光和测量样品膜面的入射角度，实现宽角度光谱测量。

分束镜，通过它的精确分光特性，可以为我们提供一个和测量光束相比较的对比光束，它可以消除由于光源的抖动和不稳定性对测量结果的影响。

锥状棱镜在于消除由于测量角度的变化带来出射光斑的偏移。

本发明装置的测试原理如下：

设分束镜对P光的分束比为α(T/R+T)(该项为已知条件)，设分束镜前光的能量为I，两个能量计的读数分别为I₁，I₂，待测样品的的P光的透过率为T_p，则对某一单一波长和特定的入射角来说，有：

I·α·T_p＝I₁

I·(1-α)＝I₂由上式得：

\frac{α}{1 - α} T_{p} = \frac{I_{1}}{I_{2}}

所以：

T_{p} = \frac{I_{1}}{I_{2}} \cdot \frac{α}{1 - α}

同样道理，当旋转棱镜组合90度，由于入射面的变化，此时透射的光的偏振态即为S光，按照上述方法我们也可以求得T。所以消光比

ρ = \frac{T_{p}}{T_{s}}

亦可求出。

因此我们对一特定波长测出其对每一个入射角度的T_p，T_s，ρ，然后我们重复以上的测试方式对需要测试光谱范围内的每一个波长进行测试，分别测出各自的T_p，T_s，ρ，最后我们将所有的测试数据经过计算机处理，就能获得所需要的测试结果。

如何消除由于角度变化带来的光斑的移动？

由于入射角度的变化导致待测样品出射面出射光束焦斑的移动，这给能量计的对准测量带来了一定的困难，如何实现对出射光的动态跟踪，我们采用的是梯形锥状棱镜的全反射原理来实现的，如图2：8-1聚焦透镜，8-2光纤，不同入射角的出射光束经过棱镜的全反射作用，会聚到一点，然后通过透镜的耦合进入光纤，其中带测样品、锥状棱镜、耦合透镜和光纤的尾端都是固定在一起的，同时置于可旋转平台2上，这样就可以克服一切因为角度的变化对测量带来的问题。

假设锥状棱镜的的折射率为n，则其全反射角度θ_c＝Sin^-1(1/n)，设该棱镜的剖视图如图3所示，其顶角为ω，由于ω＞0，所以光线在内壁上发生一次反射后，发射角就减小ω/2，从第二次反射开始，以后每次反射后，反射角就减小ω，

所以为了满足全反射条件棱镜实现“漏斗”的条件：

\sin (θ_{0} + ω / 2) < \frac{a_{1}}{a_{2}} {[1 - {(\frac{1}{n})}^{2}]}^{1 / 2}

若ω很小，则：

\sin (ω / 2) < \frac{\frac{a_{1}}{a_{2}} {[1 - {(\frac{1}{n})}^{2}]}^{1 / 2} - {\sin θ}_{0}}{\cos θ_{0}}

而：

\sin (ω / 2) = \frac{a_{2} - a_{1}}{l}

所以

l > \frac{(a_{2} - a_{1}) \cos θ_{0}}{\frac{a_{1}}{a_{2}} {[1 - {(\frac{1}{n})}^{2}]}^{1 / 2} - \sin θ_{0}}

因此只要在选择锥状棱镜的大小时满足这个条件就可以实现其“漏斗”效应，达到我们的目的。

本发明的优点：

1、本发明装置既能测试偏振分束镜的对每一个入射角度的光谱，同时也能给出其消光比。

2、锥状棱镜的引入，解决了由于入射角度的变化，出射光的光斑产生移动给能量计的测量带来的困难，本发明可以实现动态跟踪，从而达到多角度测量。

3、采用棱镜组合起偏，在保持非常高的消光比的同时比一般的的格兰泰勒棱镜便宜、易于制作、不受到尺寸大小的限制且易于安装。

4、对比光束的引入，消除了由于光源的抖动和不稳定性给测量结果带来的影响。

5、部分光路采用光纤传输，减少了光能量的损失，提高了耦合精度和测量精度。

6、本装置全部用计算机精确控制，测试结果能直接显示出来。装置的性能稳定可靠，测试结果精确。

附图说明

图1是本发明宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置最佳实施例的结构框图

图2是带测样品、锥状棱镜、耦合透镜和光纤的尾端的组合图

图3是锥状棱镜剖视图

具体实施方式

先请参阅图1，图1是本发明宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置最佳实施例的结构框图，由图可见，本发明宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置的构成是沿主光路依次包括宽光谱卤钨灯光源1、单色仪2、一对起偏棱镜组合3、分束镜5、光阑6、锥状棱镜8、能量计10，所述的起偏棱镜3置于旋转平台4上，所述的锥状棱镜8后还有耦合透镜81和光纤82，并将待测样品7、锥状棱镜8、耦合透镜81和光纤82的尾端都固定在一起，同时置于可旋转平台9上。在分束镜5的反射光路上设对比光能量计11，还有一计算机12，该计算机12一方面按测量程序控制旋转平台4和旋转平台9的运动，另一方面接收能量计10和对比光能量计11的测试结果并进行数据处理。

所述的光栅单色仪2其精度应≤0.1nm。

整个光路的流程是：由宽光谱卤钨灯光源1发出的光，经过光栅单色仪2以后成为一准单色光，经过一棱镜组合的起偏装置3，透射的光为P光，经过分束镜5以后，被分成两部分，其中被反射的一束作为对比光，透射的为测量光束，测量光束经过准直后直接入射到带测样品7上，通过锥状棱镜8的后由耦合透镜81耦合到光纤82里面，能量计10检测到透射能量，将其和由对比光能量计11测得的对比光束能量进行比较，便可由计算机12计算出光谱和消光比。具体测试过程如上所述，在此不再赘述。

Claims

1、一种宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，其特征在于沿主光路依次包括光源(1)、单色仪(2)、起偏棱镜(3)、分束镜(5)、光阑(6)、锥状棱镜(8)、能量计(10)，所述的起偏棱镜(3)置于旋转平台1(4)上，所述的锥状棱镜(8)和待测样品(7)都置于旋转平台2(9)上，在分束镜(5)的反射光路上设对比光能量计(11)，还有一计算机(12)，该计算机(12)一方面按测量程序控制旋转平台1(4)和旋转平台2(9)的运动，另一方面接收能量计(10)和对比光能量计(11)的测试结果并进行数据处理。

2、根据权利要求1所述的宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，其特征在于所述的光源(1)为宽光谱卤钨灯。

3、根据权利要求1所述的宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，其特征在于所述的光栅单色仪(2)其精度应≤0.1nm。

4、根据权利要求1所述的宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，其特征在于所述的起偏棱镜(3)为起偏棱镜组合。

5、根据权利要求1所述的宽角度宽光谱的偏振分束膜特性的测量装置，其特征在于所述的锥状棱镜(8)后还有耦合透镜(81)和光纤(82)，并将待测样品(7)、锥状棱镜(8)、耦合透镜(81)和与能量计(10)相连的光纤(82)的尾端都固定在一起，同时置于可旋转平台2(9)上。