一种能精确控制入射角的分光镜测量方法及装置与流程

本发明属于分光镜测量领域，涉及一种能精确控制入射角的分光镜测量方法及装置。本发明适用于波长分光镜和光强分光镜的测量。

背景技术：

分光镜是一种常见的光学元件，能按照不同的分光要求将一束光分为两部分，按照分光特性可以分为光强分光镜，波长分光镜和偏振分光镜。随着光学薄膜技术的发展，分光镜通常是在玻璃基底上镀若干层薄膜来实现分光要求。分光镜最常见的使用就是以一定的入射角度入射，其中45°入射角最为常见，而分光镜由于设计要求的不同，复杂分光膜对角度极其敏感，再加上镀膜工艺造成的偏差，容易造成最佳入射角的偏移。另外，当分光镜应用于光学系统中时，由于装配工艺的影响，装配入射角存在一定误差。入射角的改变会引起分光镜反射率、透过率的改变，降低分光镜的设计指标。因此需要在分光镜加工完成后，对设计入射角和入射角小角度变化范围内的反射率、透射率及其变化进行测量：一是检测设计的入射角在加工过程中是否有偏移，二是精确测量入射角小角度变化范围内的反射率和透射率变化，确定光路装配过程中的公差要求。

传统的分光镜分光比和反射透射率测量方法存在以下问题：为提高测量精度，其测试光路和方法往往比较复杂；另外，无法对入射角度及其小角度变化进行精确控制，测量误差大。

技术实现要素：

为了解决传统分光镜分光比和反射透射率测量方法光路复杂、误差大的技术问题，本发明提供了一种能精确控制入射角的分光镜测量方法及装置，基于分光镜对部分光反射的特性，利用小孔光阑、五棱镜以及第二平面反射镜自准的方法(自准主要是指这三个元件)，降低了测量光路的误差；利用自准直光管垂直入射的方法解决了对45°入射角度基准的标定；利用自准直光管的角度检测功能实现了对分光镜入射角小角度变化的精确控制，角度控制范围与自准直光管视场有关。

本发明的技术解决方案是：

一种能精确控制入射角的分光镜测量方法，包括以下步骤：

步骤1、搭建光路

1.1)将可调谐激光器、准直镜、小孔光阑、第一平面反射镜依次设置；由于小孔光阑的中心孔直径d的大小与测量误差有关，d越小，测量误差越小；但是从光束能量和易于观察的角度来说，d太小导致人眼无法观测，因此所述小孔光阑的中心孔直径d＝0.1～1mm；

1.2)在所述第一平面反射镜的反射光路上设置五棱镜；

1.3)在所述五棱镜的出射光路上设置第二平面反射镜；

上述步骤1.1)-1.3)中，每设置一个光学元件，应调节该光学元件的俯仰，使经过该光学元件的光束位于水平平面内，这样在完成步骤1.3)后，经过所有光学元件的光束都位于同一水平平面内；

步骤2、在水平平面内进行光路调试

2.1)90°光路自准；

2.1.1)将可调谐激光器发出的激光经准直镜准直；

2.1.2)使准直后光束通过所述小孔光阑的中心孔，得到小口径光束；

2.1.3)调节第一平面反射镜，使所述小口径光束通过所述第一平面反射镜折转，入射至五棱镜；

2.1.4)调节五棱镜姿态，使被五棱镜入射面反射的光束入射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后，进入所述小孔光阑的中心孔；

2.1.5)调节第二平面反射镜，使被五棱镜折转90°后的光束经第二平面镜反射后，再次进入五棱镜，经五棱镜折转90°后入射至第一平面反射镜，被第一平面反射镜反射后，进入所述小孔光阑的中心孔；

2.2)待测分光镜45°入射光路自准；

2.2.1将所述五棱镜替换为待测分光镜；

2.2.2调节待测分光镜姿态，使待测分光镜反射偏转之后的光被第二平面反射镜反射回待测分光镜，再次偏转之后，入射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后进入所述小孔光阑的中心孔；

2.3)待测分光镜45°基准标定；

定义待测分光镜面对第一平面反射镜的面为第一入射面，待测分光镜背离第一平面反射镜的面为第二入射面；使用自准直光管垂直入射待测分光镜的第二入射面，进行待测分光镜45°基准标定；

步骤3、测量

3.1)将所述小孔光阑替换为可调光阑或者口径大于待测分光镜口径且不拦光的不可调光阑，将第二平面反射镜替换为第一激光功率计，在待测分光镜第一入射面的透射方向放置第二激光功率计；所述第一激光功率计与可调谐激光器之间的光程与第二激光功率计与可调谐激光器之间的光程相等；

3.2)调节可调光阑使入射至第一平面反射镜的光束达到合适口径；

3.3)测量；

第一种情形：若待测分光镜为波长分光镜；

3.3.1)测量待测分光镜对不同角度入射光的反射效率ηr(θ)；

3.3.1.1)调节待测分光镜姿态，利用自准直光管控制入射角度，利用第一激光功率计测得经待测分光镜反射之后的反射光强度ir1(θ)；

3.1.1.2)移除待测分光镜，利用第二激光功率计测得测量光束的入射强度ir0(θ)；

3.1.1.3)利用下式计算待测分光镜对不同角度入射光的反射效率ηr(θ)：

3.3.2)测量待测分光镜对不同角度入射光的反射效率ηt(θ)；

3.3.2.1)将待测分光镜加入光路，利用步骤2.3)中自准直光管标定的45°基准进行自准，调节可调谐激光器的输出波长为待测分光镜设计的透射光波长；

3.3.2.2)调节待测分光镜姿态，通过自准直光管控制入射角度，利用第二激光功率计测得经待测分光镜透射之后的透射光强度it1(θ)；

3.3.2.3)移除待测分光镜，利用第二激光功率计测得测量光束的入射强度it0(θ)；

3.3.2.4)利用下式计算待测分光镜对不同角度入射光的透射效率ηt(θ)：

第二种情形：若待测分光镜为光强分光镜；

3.1.1)调节待测分光镜姿态，通过自准直光管控制入射角度，利用第一激光功率计测得经待测分光镜反射之后的反射光强度ir1(θ)，利用第二激光功率计测得经待测分光镜透射之后的透射光强度it1(θ)；

3.1.2)利用下式计算待测分光镜对不同角度入射光，其透射光与反射光之比k：

进一步地，考虑到对于某些分光镜的测量，采用的激光只能选择不可见光，所述步骤1.1)中采用的小孔光阑采用由荧光材料制成或者表面涂覆荧光材料的感光小孔光阑，这样在光阑的两个面上，都能够看到入射到其上的光斑大小及位置。

进一步地，所述步骤1.2)中将五棱镜放置在带有调节装置的转台上，将所述转台放置在所述第一平面反射镜的反射光路上。

进一步地，所述步骤2.1.4)和2.1.5)中，应控制使第一平面镜的反射光光斑与小孔光阑中心孔之间的重合度误差小于d/8，以降低测量误差。

本发明同时提供了一种实现上述分光镜测量方法的测量装置，其特殊之处在于：包括可调谐激光器、准直镜、小孔光阑、第一平面反射镜、转台、五棱镜、第二平面反射镜、自准直光管、第一激光功率计、第二激光功率计；所述小孔光阑的中心孔直径d＝0.1～1mm；

所述测量装置还包括可调光阑或者口径大于待测分光镜口径且不拦光的不可调光阑；

所述可调谐激光器、小孔光阑、准直镜、第一平面反射镜依次设置；

所述转台设置在所述第一平面反射镜的反射光路上；所述转台带有六自由度调节装置；所述转台用于固定放置所述五棱镜或者待测分光镜；

所述五棱镜、第二平面反射镜和小孔光阑用于90°光路自准，测量时均被移除；90°光路自准时所述五棱镜通过所述调节装置设置在所述转台上，所述第二平面反射镜设置在所述五棱镜的出射光路上；

所述自准直光管用于标定待测分光镜的45°基准以及进行45°基准角度监测；

测量时，所述小孔光阑被所述可调光阑或者口径大于待测分光镜口径且不拦光的不可调光阑替换，所述第二平面反射镜被所述第一激光功率计替换；所述第一激光功率计位于待测分光镜的反射光路上；所述第二激光功率计设置在待测分光镜的透射光路上，与所述第一激光功率计等光程设置。

进一步地，考虑到对于某些分光镜的测量，采用的激光只能选择不可见光，所述小孔光阑采用由荧光材料制成或者表面涂覆荧光材料的感光小孔光阑，这样在光阑的两个面上，都能够看到入射到其上的光斑大小及位置。

进一步地，所述感光小孔光阑的中心孔直径d、感光小孔光阑到五棱镜入射面的光学距离l1以及第二平面反射镜离五棱镜出射面的光学距离l2由下式选取：

式中，δ1为采用五棱镜调试光路时产生的误差；δ2为采用第二平面反射镜调试光路时产生的误差；δ为90°光路自准的最大误差。

进一步地，所述l1＝3m,l2＝1m，d＝0.5mm时，光路调试方便且精度较高，最大测量误差小于1.88"。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1)本发明利用第一平面反射镜进行光路折转，增加了感光小孔光阑到五棱镜入射面的光学距离，提高了测量精度；

在光路调试时采用感光小孔光阑、五棱镜和第二平面反射镜，在同一光轴平面内实现了五棱镜入射光和第二平面反射镜法线严格垂直，提高了90°自准精度，进而提高了测量精度；

利用自准直光管实现了待测分光镜的45°入射角精确监测和45°基准标定，实现了同一光路一次调试多次测量，测量效率高；

利用自准直光管实现了入射角变化的精确控制，角度控制精度σ为自准直光管精度σ1的一半，即当自准直光管精度为1"时，入射角度控制精度可达到0.5"量级；

装置简单，光路易于调整，测量方法易于掌握；

采用准直镜与可调光阑配合，可以在保证能量集中的前提下，测量不同口径的分光镜。

2)本发明90°光路自准误差δ为：

上式中，d为感光小孔光阑的中心孔口径；

l1为第一平面反射镜到五棱镜入射面的光学距离；

l2为第二平面反射镜离五棱镜出射面的光学距离；

根据上述公式，当选取d＝0.5mm，l1＝3m,l2＝1m时，90°光路自准的最大误差δ小于3.76"，待测分光镜角度测量的最大误差小于δ/2，即最大测量误差小于1.88"，较之现有技术测量误差显著降低。

3)从上述公式可以看出，本发明两次光路自准直的光程越长，测量精度优势越大，因此在测量时可将第一平面反射镜放置于不同位置，调整第二平面反射镜离五棱镜出射面的距离，从而满足不同的误差要求。

4)本发明利用带有六自由度调节装置的转台，调整五棱镜/待测分光镜的位置和姿态，方便快捷。

5)本发明的测量方法适用性广，通过调整自准直光管的位置可以对任意具有一个或多个镜面反射平面的光学器件进行角度控制。

附图说明

图1为本发明实施例90°光路自准原理示意图。

图2为本发明实施例待测分光镜入射光束45°基准标定原理示意图。

图3为发明实施例的分光镜测量原理示意图。

图中标号：1-可调谐激光器，2-准直镜，3-感光小孔光阑，4-第一平面反射镜，5-转台，6-五棱镜，7-待测分光镜，8-第二平面反射镜，9-自准直光管，10-第一激光功率计，11-第二激光功率计，12-可调光阑。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作详细说明。

本发明的方法包括搭建光路、光路调试和测量三大步。

一、搭建光路

步骤1、将可调谐激光器1、准直镜2、由荧光材料制成的感光小孔光阑3、第一平面反射镜4沿同一光路依次设置；可通过感光小孔光阑3的中心孔限制激光光束口径，提高光路调试精度；由于对某些分光镜测量时的所需的激光为不可见光，故采用感光小孔光阑3可清晰观察反射光光斑位置，方便调试光路；在其他实施例中，若可使用可见光测量，则感光小孔光阑3可用普通光阑替代，当然，采用感光小孔光阑3亦可；第一平面反射镜4的作用是折转光路，增加感光小孔光阑3到五棱镜6入射面之间的光学距离；鉴于第一平面反射镜4折转光路的作用，第一平面反射镜4与其入射光束之间的角度无特定要求，只要求第一平面反射镜4的入射光线和反射光线之间的角度为锐角，一方面可以折转光路，使实验光路更紧凑，另一方面可以调节光路距离，调整测量误差；

步骤2、在所述第一平面反射镜4的反射光路上设置五棱镜6；为便于姿态调整，将五棱镜6放置在转台5上；转台5带有六自由度调节装置，可以调节五棱镜6的位置姿态；

步骤3、在所述五棱镜6的折转出射光路上设置第二平面反射镜8；

为了保证测试精度，上述步骤1.1)-1.3)中，每设置一个光学元件，应调节该光学元件的俯仰，使经过该光学元件的光束位于水平平面内，这样在完成步骤1.3)后，经过所有光学元件的光束都位于同一水平平面内；

二、在水平平面内进行光路调试

步骤1、90°光路自准；

1.1将可调谐激光器1发出的激光经准直镜2准直；

1.2使准直后光束通过感光小孔光阑3的中心孔，得到小口径光束；

1.3仅在二维平面内调节第一平面反射镜4(即不调节俯仰，仅调节方位)，使小口径光束通过第一平面反射镜4折转，入射至五棱镜6；

1.4第一次自准；

转动转台5以在水平平面内调节五棱镜6姿态，使被五棱镜6入射面反射的光束入射至第一平面反射镜4，经第一平面反射镜4反射后，返回所述感光小孔光阑3的中心孔，形成五棱镜6垂直入射光路；

1.5第二次自准；

在水平平面内调节第二平面反射镜8，使被五棱镜6折转90°后的光束(即通过五棱镜6的光束)经第二平面镜反射后，再次进入五棱镜6，经五棱镜6折转90°后入射至第一平面反射镜4，被第一平面反射镜4反射后，返回所述感光小孔光阑3的中心孔，形成入射至五棱镜6光束与第二平面反射镜8法线垂直的90°光路；

通过上述步骤1.4和1.5的两次自准直光路的光程越长，测量误差越小，光路如图1所示；可通过调节第一平面反射镜4和第二平面反射镜8各自与五棱镜6镜面之间的光学距离调整测量精度；当第一平面反射镜4与五棱镜6入射镜面的光线距离为3m，第二平面反射镜8与五棱镜6出射镜面的光学距离为1m，感光小孔光阑3的中心孔孔径为0.5m时，90°光路自准的最大误差小于3.76"，分光镜的最大测量误差小于1.88"。

上述步骤1.4和1.5中，应控制使第一平面镜的反射光光斑与感光小孔光阑3中心孔之间的重合度误差小于d/8，以降低测量误差；d为感光小孔光阑3的中心孔口径。

步骤2、待测分光镜745°入射光路自准；

2.1将所述五棱镜6替换为待测分光镜7；

2.2转动转台5以调节待测分光镜7姿态，使待测分光镜7反射偏转之后的光被第二平面反射镜8反射回待测分光镜7，再次偏转之后，入射至第一平面反射镜4，经第一平面反射镜4反射后进入所述感光小孔光阑3的中心孔，完成待测分光镜745°入射光路自准；对于波长分光镜，调节可调谐激光器1的输出波长为待测分光镜7反射光波长，对于光强分光镜，调节可调谐激光器1的输出波长为光强分光镜设计光的波长；

步骤3、待测分光镜745°基准标定；

定义待测分光镜7面对第一平面反射镜4的面为第一入射面，待测分光镜7背离第一平面反射镜4的面为第二入射面；使用自准直光管9垂直入射待测分光镜7的第二入射面，进行待测分光镜745°基准标定，如图2所示。

三、测量

步骤1、光路调试完成之后，将所述感光小孔光阑3替换为可调光阑12或者口径大于待测分光镜7口径且不拦光的不可调光阑，将第二平面反射镜8替换为第一激光功率计10，在待测分光镜7第一入射面的透射方向与反射光路等光程位置放置第二激光功率计11，如图3所示；若采用可调光阑12，则可根据分光镜口径调节光束直径，从而可以调节入射到待测分光镜7的光束直径，以保证稳定和较大的入射光能量，同时消除光斑过大带来的遮挡，对入射光能量进行集中。所述等光程是指第一激光功率计10与可调谐激光器1之间的光程与第二激光功率计11与可调谐激光器1之间的光程相等，由于激光在空气中有衰减，等光程能够保证衰减强度相同，避免因激光衰减强度不同而影响测量精度。

步骤2、调节可调光阑12使入射至第一平面反射镜4的光束达到合适口径；这里所述的合适具体指既无遮拦又能保证较高能量集中度。

步骤3、测量；

(1)若待测分光镜7为波长分光镜：

1.1测量待测分光镜7对不同角度入射光的反射效率ηr(θ)；

1.1.1转动转台5，通过自准直光管9垂直入射待测分光镜7，控制入射至待测分光镜7的激光入射角度θ并读取入射角度θ的变化量，利用第一激光功率计10测得经待测分光镜7反射之后的反射光强度ir1(θ)；

1.1.2移除待测分光镜7，利用第二激光功率计11测得测量光束的入射强度ir0(θ)；

1.1.3利用下式计算待测分光镜7对不同角度入射光的反射效率ηr(θ)：

1.2测量待测分光镜7对不同角度入射光的透射效率ηt(θ)；

1.2.1将待测分光镜7加入光路，利用自准直光管9标定的45°基准进行自准，调节可调谐激光器1的输出波长为待测分光镜7设计的透射光波长；

1.2.2转动转台5，通过自准直光管9垂直入射待测分光镜7，控制入射角度并读取入射角度变化量，利用第二激光功率计11测得经待测分光镜7透射之后的透射光强度it1(θ)；

1.2.3移除待测分光镜7，利用第二激光功率计11测得测量光束的入射强度it0(θ)；

1.2.4利用下式计算待测分光镜7对不同角度入射光的透射效率ηt(θ)：

(2)若待测分光镜7为光强分光镜：

1.1转动转台5，通过自准直光管9垂直入射待测分光镜7，控制入射至待测分光镜7的激光入射角度θ并读取入射角度θ的变化量，利用第一激光功率计10测得经待测分光镜7反射之后的反射光强度ir1(θ)，利用第二激光功率计11测得经待测分光镜7透射之后的透射光强度it1(θ)；

1.2利用下式计算待测分光镜7对不同角度入射光，其透射光与反射光之比k：

上述步骤3中，利用自准直光管9控制入射至待测分光镜7的激光入射角度时，激光入射角度的变化值为入射值的两倍，因此，角度控制精度为自准直光管9精度的1/2。另外，调整自准直光管9的位置，利用本发明的方法可以对具有一个或多个反射面的任意光学器件的45°入射角度进行精确控制。

本发明测量原理：

90°光路自准完成后，首先将五棱镜6替换为待测分光镜7，根据待测分光镜7对反射光的光学杠杆作用，只有当待测分光镜7的入射角为45°时，待测分光镜7对光束的反射作用可以替代五棱镜6的90°折转作用，进行光路自准，形成分光镜45°角入射。然后，用自准直光管9垂直入射待测分光镜7进行45°基准角度监测，将感光小孔光阑3替换为可调光阑12，测量待测分光镜7反射光和透射光的光强，以及移除待测分光镜7后测得的入射光光强，进而可得到待测分光镜7的分光比、反射效率、透射效率。