一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及玻璃材料的光学质量检测的技术领域，具体涉及一种过球形碱金属气 室后偏振光偏振特性检测系统，可用于检测球形碱金属气室对通过光束的偏振态特性的影 响。
【背景技术】
[0002] 碱金属气室在量子科学仪器领域有着重要的用途，特别是球形碱金属气室，常作 为量子仪器的中心工作元件，球形碱金属气室的光学质量因而直接影响到仪器的性能和精 度指标。
[0003] 球形碱金属气室的光学质量，主要指的是气室玻璃材料对通过的光束有多大的影 响以及是否有瑕疵。当前的玻璃光学质量检测方法主要有光学检测方法、图像处理方法与 人工检测方法等。光学检测法是基于偏振光学原理对光束经过材料后的偏振状态发生的改 变进行测量的，如偏光计法可以用于测量由于应力导致的光束偏振状态发生改变；图像处 理方法通常，通过不同的照明方式得到玻璃图像，后期利用图像处理的方法进行分析；人工 检测方法通常不需要借助仪器设备，仅依靠人工方式筛查废品。以上这些方法通常测试的 是平面玻璃的质量信息，大多对于曲面玻璃并不适用且不能测量材料的偏振影响，此外，这 些方法通常对所测量的玻璃材料的形状有具体要求，对于特殊形状材料的测量并不适用， 因而对曲面玻璃材料进行光学质量检测的问题亟待解决。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于设计一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，解 决的问题是：克服现有玻璃光学质量检测方法在测量曲面玻璃上的不足之处，同时测量整 个气室对通过的光束的偏振态的影响，操作简单方便；采用图像形式进行采集和分析，直观 性强。
[0005] 本发明采用的技术方案为：一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系 统，包括光路系统、图像数据采集系统和图像数据处理系统，其中，光路系统包括激光器、半 波片、偏振分光棱镜PBS、平面反射镜组、扩束与整形透镜组、光阑、起偏器PBS、球形碱金属 气室、检偏器偏振片，图像数据采集系统包括CCD相机和控制与连接组件，图像数据处理系 统为计算机；光路系统由激光器发出检测用激光光束，经过半波片与偏振分光棱镜PBS的 调制，形成振动方向为竖直方向的线偏光，此后入射到呈45°角放置的平面反射镜组，对光 束的传播方向进行精细调整，使其保持水平，后入射扩束与整形透镜组进行扩束，使得原始 激光变为直径较大的均匀光斑，此后通过光阑对光斑的直径进行调整，同时对光斑边缘进 行调整，经过以上整形过程的光斑入射到起偏器PBS进行重新起偏，入射到待测球形玻璃 气室采集玻璃材料的缺陷与偏振影响信息，出射光携带信息经过检偏器偏振片的过滤后输 入CCD相机，CCD相机将采集到的图像信息经过控制与连接组件传递给计算机终端，并最终 利用计算机进行图像的显示、分析和结果的输出。
[0006] 进一步的，所述的光路系统经过大量的整形与调制器件将光束调制为具有一定直 径的均匀线偏光，振动方向为垂直方向，起偏器与检偏器处于相互消光的位置上，将球形碱 金属气室安装在光路系统中后，气室对线偏光的影响将会体现在通过检偏器后出射到CCD 相机的光强上，光斑的明暗程度将会提供通过气室后光束的偏振质量信息和气室对偏振光 的影响情况的信息。
[0007] 进一步的，所述的图像信息采集系统在取得图像信息后将图像转化为数字信息显 示在计算机上，由计算机进行后续的分析和处理，分析处理过程为图像数据与理论数据结 合的处理方式，具体为首先通过图像处理方式找到光斑的中心，根据理论计算与中心点位 置，即可对应到所有像素点位置所对应的实际气室入射点，再用图像像素点采集的强度信 息对应理论计算强度进行求比，计算出所有像素点的光强比值，像素点的比值在数值上的 差异即反应了气室对偏振光束的偏振状态的影响情况，差异大则认为气室影响较大，质量 较差，比值差异的大小用方差计算来衡量。
[0008] 本发明的原理在于：所述的光路系统通过半波片、偏振分光棱镜、平面镜组、透镜 组等对光束进行了调制，半波片与偏振分光棱镜使激光器出射的激光光束调制为有一定直 径的均勾的偏振光束，偏振方向为垂直方向，检偏器偏振片方向调节为水平方向，放入气室 后，由于气室连续变化的特殊形状及可能存在缺陷，对入射的偏振光进行调制，因而经过检 偏器后不能完全消光，会呈现出经过影响的图像，根据对CCD采集到的图像，结合理论公式 计算和分析即可得到球形玻璃气室的光学质量信息。
[0009] 本发明和现有技术相比的优势在于：
[0010] (1)、本发明对球形碱金属气室的光学质量进行检测，弥补了目前玻璃质量检测方 法中只侧重测试平面玻璃的缺陷，为测量其他种类的曲面玻璃材料的光学质量提供了方 法。
[0011] (2)、本发明所选择的检测光源为线偏光，使得测量得到的图像不仅能够分析出气 室的缺陷，同时能够分析玻璃气室对线偏光的影响，因而可以提供玻璃气室对仪器精度等 参数的影响大小。
[0012] (3)、本发明在结果处理上采用全计算机处理的方式，排除了人为因素对质量检测 的主观影响，为系统的检测玻璃气室质量和统一的检测标准提供了可能。
【附图说明】
[0013] 图1为本发明的一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统整体结构 组成框图，其中，1为光路系统，2为图像数据采集系统，3为图像数据处理系统；
[0014] 图2为本发明的几何原理光路图；
[0015] 图3为本发明的图像计算方法示意图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0017] 如图1所示，本发明为一种通过球形碱金属气室后偏振光偏振特性检测系统，其 结构包括光路系统1、图像数据采集系统2和图像数据处理系统3,其中，光路系统1包括 激光器11、半波片12、偏振分光棱镜PBS 13、平面反射镜组14、扩束与整形透镜组15、光阑 16、起偏器PBS 17、球形碱金属气室18、检偏器偏振片19,图像数据采集系统2主要包括 CCD相机21和控制与连接组件22,图像数据处理系统3为计算机；检测系统由激光器11发 出检测用激光光束，经过半波片12与偏振分光棱镜PBS 13的调制，形成振动方向为竖直 方向的线偏光，此后入射到呈45°放置的平面反射镜组14,对光束的传播方向进行精细调 整，使其成为水平光束，后入射扩束与整形透镜组15进行扩束，使得原始激光变为直径较 大的均匀光斑，用于偏振测量，此后通过光阑16对光斑的直径进行调整，同时对光斑边缘 进行调整，经过以上整形过程的光束入射到起偏器PBS 17进行重新起偏，入射到球形碱金 属气室18采集玻璃材料的缺陷与偏振影响信息，出射光携带信息经过检偏器偏振片19的 过滤后输入CCD相机21，CCD相机21将采集到的图像信息经过控制与连接组件22传递给图 像数据处理系统3即计算机终端，并最终利用计算机进行图像的显示、分析和结果的输出。
[0018] 如图2所示，为本发明的几何原理光路图，本发明的原理在于利用两次折射过程 中玻璃介质对不同方向振动的偏振光的透过率不同来检测球形玻璃气室对偏振光束的影 响情况，进而了解气室的质量状况。首先计算光束的几何光学路径，如图2所示，为光束经 过两次折射的示意图，对碱金属气室的一侧玻璃球面根据几何光学即可计算出任意不同离 轴位置的入射光的几何光学路径情况，设-u"为出射光束偏转角，则有如下结果：
Q1为入射光折射的入射角，θ i'为一次折射的出射角，θ2为二次 折射的入射角，Θ 2'为二次折射的出射角，η为球形碱金属气室18外气体对固定频率光束 的折射率，η'为气室玻璃材料对固定频率光束的折射率，η"为气室内气体对固定频率光束 的折射率，h为测量点的离轴高度