[发明专利]电光晶体通光面法线与晶体光轴的夹角测量装置和方法

权利要求书

1.一种电光晶体通光面法线与晶体光轴的夹角测量装置，包括：激光器(1)、第一透镜(2)、小孔光阑(3)、第二透镜(4)、分光镜(5)、接收屏(6)、平面反射镜(7)、第三透镜(8)、一维精密电动位移台(9)、待测电光晶体(10)、第四透镜(11)、线偏振片(12)、第五透镜(13)、图像探测器(14)和计算机(15)；其特征在于：

所述的激光器(1)为线偏振光激光器(1)，沿所述的线偏振光激光器(1)发出的激光方向依次是所述的第一透镜(2)、小孔光阑(3)、第二透镜(4)和分光镜(5)，该分光镜(5)将入射光分为反射光和透射光，在所述的反射光方向上放置所述的平面反射镜(7)，该平面反射镜(7)又将光线反射经所述的分光镜(5)到达所述的接收屏(6)上；在所述的透射光方向依次放置所述的第三透镜(8)、待测电光晶体(10)、第四透镜(11)、线偏振片(12)、第五透镜(13)和图像探测器(14)，所述的第三透镜(8)被固定在所述的一维精密电动位移台(9)上，所述的线偏振片(12)的检偏方向与所述的线偏振光激光器(1)出射光的振动方向相互垂直；所述的图像探测器(14)的输出端与所述的计算机(15)的输入端相连；所述的分光镜(5)、接收屏(6)、平面反射镜(7)和待测电光晶体(10)组成泰曼格林型干涉系统；所述的第三透镜(8)和第四透镜(11)的口径相同、焦距相同且在光路上严格共轭，所述的第三透镜(8)和第四透镜(11)的F数与所述的待测电光晶体(10)的厚度d的关系为：2F≤d≤3F；所述的线偏振光激光器(1)的出射光束、第一透镜(2)、第二透镜(4)、第三透镜(8)和第四透镜(11)同光轴；所述的第三透镜(8)可被所述的一维精密电动位移台(9)移出和移入光路，且所述的第三透镜(8)每次被所述的一维精密电动位移台(9)移入光路后都在同一位置，用平行度为1″的平行平板玻璃(16)对平面反射镜(7)、第三透镜(8)、第四透镜(11)和待测电光晶体(10)进行姿态调整。

2.采用权利要求1所述的测量装置测量电光晶体通光面法线与晶体光轴夹角的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)在所述的线偏振光激光器(1)的激光输出方向依次放置所述的第一透镜(2)、第二透镜(4)、分光镜(5)和一块用于装调光路的平行平板玻璃(16)，该平行平板玻璃(16)的平行度为1″，倾斜44°至46°放置，它将光束反射到光路的一侧；在所述的反射光方向上放置所述的接收屏(6)；通过前、后、左、右、上、下移动所述的第一透镜(2)和第二透镜(4)并同时调整它们的俯仰和偏摆方向，在所述的接收屏(6)上观察到剪切干涉条纹，当干涉条纹数最少时，将所述的第一透镜(2)和第二透镜(4)固定，再将所述的小孔光阑(3)移动到所述的第一透镜(2)的焦点处，该小孔光阑(3)的作用是滤掉所述的第一透镜(2)焦点外的杂散光；然后，将所述的平行平板玻璃(16)和接收屏(6)移出光路，此时，所述的分光镜(5)输出的透射光为均匀的圆形准直光束；

2)在所述的分光镜(5)的透射光方向放置数字光电自准直仪(17)，并与所述的计算机(15)相连，所述的数字光电自准直仪(17)的精度为1″，调整所述的数字光电自准直仪(17)的俯仰和偏摆方向，使所述的分光镜(5)的透射光光斑的中心正好与所述的数字光电自准直仪(17)内置CCD像面中央的十字叉标线的中心重合；

3)在所述的分光镜(5)的反射光方向上放置所述的平面反射镜(7)，该平面反射镜(7)将光线反射经所述的分光镜(5)到达所述的接收屏(6)上；在所述的分光镜(5)与所述的数字光电自准直仪(17)之间放置所述的平行平板玻璃(16)；关闭所述的线偏振光激光器(1)，打开所述的数字光电自准直仪(17)的内置激光光源，其出射光为十字叉形状，通过调整所述的平行平板玻璃(16)的俯仰和偏摆方向，使所述的平行平板玻璃(16)的后表面(16b)的反射光在所述的数字光电自准直仪(17)中所成的十字叉像与所述的数字光电自准直仪(17)内置CCD像面中央的十字叉线重合；此时，所述的平行平板玻璃(16)的前表面严格垂直于光路的光轴，又因所述的平行平板玻璃(16)的平行度为1″，故所述的平行平板玻璃(16)的后表面(16a)也严格垂直于光路的光轴；其次，通过装调所述的平面反射镜(7)的俯仰和偏摆方向，在所述的接收屏(6)上观察到干涉条纹，当干涉条纹数最少时，所述的平面反射镜(7)上的光线的入射角和反射角均为90°；

4)选择所述的第三透镜(8)和第四透镜(11)的F数与所述的待测电光晶体(10)的厚度d应满足关系2F≤d≤3F；将所述的数字光电自准直仪(17)和所述的计算机(15)移出光路，在所述的分光镜(5)与所述的平行平板玻璃(16)之间依次放置所述的第三透镜(8)和第四透镜(11)，所述的第三透镜(8)被固定在所述的一维精密电动位移台(9)上，通过前、后、左、右、上、下移动所述的第三透镜(8)和第四透镜(11)并同时调整它们的俯仰和偏摆方向，在所述的接收屏(6) 上观察到干涉条纹，当干涉条纹数最少时，所述的第三透镜(8)与所述的第四透镜(11)严格共轭，此时将所述的第三透镜(8)与所述的第四透镜(11)固定；

5)将所述的平行平板玻璃(16)移出光路，使用所述的一维精密电动位移台(9)记录下所述的第三透镜(8)的位置，并记为位置A后，将所述的第三透镜(8)沿导轨平移出光路；在所述的一维精密电动位移台(9)与所述的第四透镜(11)之间放置所述的待测电光晶体(10)，通过调整所述的待测电光晶体(10)的俯仰和偏摆方向，在所述的接收屏(6)上观察到干涉条纹，当干涉条纹数最少时，所述的待测电光晶体(10)的通光面与光路的光轴之间的夹角为90°，将所述的待测电光晶体(10)固定；

6)在所述的第四透镜(11)的透射光方向上依次放置所述的线偏振片(12)、第五透镜(13)和图像探测器(14)，将所述的图像探测器(14)的输出端与所述的计算机(15)的输入端相连，所述的第五透镜(13)为成像透镜，令j＝1；

7)用所述的一维精密电动位移台(9)将所述的第三透镜(8)沿导轨平移到记录位置A后，此时，在所述的图像探测器(14)的感光面上形成锥光干涉图；

8)所述的图像探测器(14)将所述的锥光干涉图输入所述的计算机(15)，该计算机(15)用图像连通区域重心连线的方法找到锥光干涉图黑十字叉交点的位置，该位置即为所述的待测电光晶体(10)光轴在所述的图像探测器(14)感光面上的出露点的位置，该位置坐标记为N_j，当j＝4时，跳转到步骤10)，否则进入步骤9)；

9)用所述的一维精密电动位移台(9)将所述的第三透镜(8)沿导轨平移出光路，所述的待测电光晶体(10)垂直于光路的光轴旋转90°，并令j＝j+1，返回步骤7)；

10)利用多点拟合圆算法拟合出上述计算出的4幅锥光干涉图中4个出露点(N1、N₂、N₃和N₄)的位置所在的轨迹圆，该轨迹圆的半径为单位为像素，令k＝1；

11)对上述得到的第k幅锥光干涉图测量入射到所述的待测电光晶体(10)的边缘光线与所述的待测电光晶体(10)的通光面法线方向分别在所述的图像探测器(14)上的两个出露点的距离单位为像素；测量所述的第四透镜(11)的焦距f，单位为毫米；测量透过所述的第四透镜(11)的光斑半径单位为毫米；在所述的线偏振光激光器(1)的工作波长下，所述的待测电光晶体(10)的o光折射率的测量值为n_o，空气折射率的测量值为n_air，当k＝4时，跳转到步骤13)，否则进入步骤12)；

12)将上述测量的参数代入下列公式计算夹角θ_k：

并令k＝k+1，返回步骤11)；

13)将上述求解得到的4个夹角(θ₁、θ₂、θ₃和θ₄)代入下列公式计算夹角θ_axis：

即为测量得到的待测电光晶体(10)的通光面法线与晶体光轴的夹角θ_axis。