一種通過(guò)球形堿金屬氣室后偏振光偏振特性檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及玻璃材料的光學(xué)質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種過(guò)球形堿金屬氣 室后偏振光偏振特性檢測(cè)系統(tǒng)，可用于檢測(cè)球形堿金屬氣室對(duì)通過(guò)光束的偏振態(tài)特性的影 響。
【背景技術(shù)】
[0002] 堿金屬氣室在量子科學(xué)儀器領(lǐng)域有著重要的用途，特別是球形堿金屬氣室，常作 為量子儀器的中心工作元件，球形堿金屬氣室的光學(xué)質(zhì)量因而直接影響到儀器的性能和精 度指標(biāo)。
[0003] 球形堿金屬氣室的光學(xué)質(zhì)量，主要指的是氣室玻璃材料對(duì)通過(guò)的光束有多大的影 響以及是否有瑕疵。當(dāng)前的玻璃光學(xué)質(zhì)量檢測(cè)方法主要有光學(xué)檢測(cè)方法、圖像處理方法與 人工檢測(cè)方法等。光學(xué)檢測(cè)法是基于偏振光學(xué)原理對(duì)光束經(jīng)過(guò)材料后的偏振狀態(tài)發(fā)生的改 變進(jìn)行測(cè)量的，如偏光計(jì)法可以用于測(cè)量由于應(yīng)力導(dǎo)致的光束偏振狀態(tài)發(fā)生改變；圖像處 理方法通常，通過(guò)不同的照明方式得到玻璃圖像，后期利用圖像處理的方法進(jìn)行分析；人工 檢測(cè)方法通常不需要借助儀器設(shè)備，僅依靠人工方式篩查廢品。以上這些方法通常測(cè)試的 是平面玻璃的質(zhì)量信息，大多對(duì)于曲面玻璃并不適用且不能測(cè)量材料的偏振影響，此外，這 些方法通常對(duì)所測(cè)量的玻璃材料的形狀有具體要求，對(duì)于特殊形狀材料的測(cè)量并不適用， 因而對(duì)曲面玻璃材料進(jìn)行光學(xué)質(zhì)量檢測(cè)的問(wèn)題亟待解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種通過(guò)球形堿金屬氣室后偏振光偏振特性檢測(cè)系統(tǒng)，解 決的問(wèn)題是：克服現(xiàn)有玻璃光學(xué)質(zhì)量檢測(cè)方法在測(cè)量曲面玻璃上的不足之處，同時(shí)測(cè)量整 個(gè)氣室對(duì)通過(guò)的光束的偏振態(tài)的影響，操作簡(jiǎn)單方便；采用圖像形式進(jìn)行采集和分析，直觀 性強(qiáng)。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種通過(guò)球形堿金屬氣室后偏振光偏振特性檢測(cè)系 統(tǒng)，包括光路系統(tǒng)、圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其中，光路系統(tǒng)包括激光器、半 波片、偏振分光棱鏡PBS、平面反射鏡組、擴(kuò)束與整形透鏡組、光闌、起偏器PBS、球形堿金屬 氣室、檢偏器偏振片，圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括CCD相機(jī)和控制與連接組件，圖像數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)為計(jì)算機(jī)；光路系統(tǒng)由激光器發(fā)出檢測(cè)用激光光束，經(jīng)過(guò)半波片與偏振分光棱鏡PBS的 調(diào)制，形成振動(dòng)方向?yàn)樨Q直方向的線偏光，此后入射到呈45°角放置的平面反射鏡組，對(duì)光 束的傳播方向進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，使其保持水平，后入射擴(kuò)束與整形透鏡組進(jìn)行擴(kuò)束，使得原始 激光變?yōu)橹睆捷^大的均勻光斑，此后通過(guò)光闌對(duì)光斑的直徑進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)光斑邊緣進(jìn) 行調(diào)整，經(jīng)過(guò)以上整形過(guò)程的光斑入射到起偏器PBS進(jìn)行重新起偏，入射到待測(cè)球形玻璃 氣室采集玻璃材料的缺陷與偏振影響信息，出射光攜帶信息經(jīng)過(guò)檢偏器偏振片的過(guò)濾后輸 入CCD相機(jī)，CCD相機(jī)將采集到的圖像信息經(jīng)過(guò)控制與連接組件傳遞給計(jì)算機(jī)終端，并最終 利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的顯示、分析和結(jié)果的輸出。
[0006] 進(jìn)一步的，所述的光路系統(tǒng)經(jīng)過(guò)大量的整形與調(diào)制器件將光束調(diào)制為具有一定直 徑的均勻線偏光，振動(dòng)方向?yàn)榇怪狈较?，起偏器與檢偏器處于相互消光的位置上，將球形堿 金屬氣室安裝在光路系統(tǒng)中后，氣室對(duì)線偏光的影響將會(huì)體現(xiàn)在通過(guò)檢偏器后出射到CCD 相機(jī)的光強(qiáng)上，光斑的明暗程度將會(huì)提供通過(guò)氣室后光束的偏振質(zhì)量信息和氣室對(duì)偏振光 的影響情況的信息。
[0007] 進(jìn)一步的，所述的圖像信息采集系統(tǒng)在取得圖像信息后將圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息顯 示在計(jì)算機(jī)上，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理，分析處理過(guò)程為圖像數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)結(jié) 合的處理方式，具體為首先通過(guò)圖像處理方式找到光斑的中心，根據(jù)理論計(jì)算與中心點(diǎn)位 置，即可對(duì)應(yīng)到所有像素點(diǎn)位置所對(duì)應(yīng)的實(shí)際氣室入射點(diǎn)，再用圖像像素點(diǎn)采集的強(qiáng)度信 息對(duì)應(yīng)理論計(jì)算強(qiáng)度進(jìn)行求比，計(jì)算出所有像素點(diǎn)的光強(qiáng)比值，像素點(diǎn)的比值在數(shù)值上的 差異即反應(yīng)了氣室對(duì)偏振光束的偏振狀態(tài)的影響情況，差異大則認(rèn)為氣室影響較大，質(zhì)量 較差，比值差異的大小用方差計(jì)算來(lái)衡量。
[0008] 本發(fā)明的原理在于：所述的光路系統(tǒng)通過(guò)半波片、偏振分光棱鏡、平面鏡組、透鏡 組等對(duì)光束進(jìn)行了調(diào)制，半波片與偏振分光棱鏡使激光器出射的激光光束調(diào)制為有一定直 徑的均勾的偏振光束，偏振方向?yàn)榇怪狈较颍瑱z偏器偏振片方向調(diào)節(jié)為水平方向，放入氣室 后，由于氣室連續(xù)變化的特殊形狀及可能存在缺陷，對(duì)入射的偏振光進(jìn)行調(diào)制，因而經(jīng)過(guò)檢 偏器后不能完全消光，會(huì)呈現(xiàn)出經(jīng)過(guò)影響的圖像，根據(jù)對(duì)CCD采集到的圖像，結(jié)合理論公式 計(jì)算和分析即可得到球形玻璃氣室的光學(xué)質(zhì)量信息。
[0009] 本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)勢(shì)在于：
[0010] (1)、本發(fā)明對(duì)球形堿金屬氣室的光學(xué)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，彌補(bǔ)了目前玻璃質(zhì)量檢測(cè)方 法中只側(cè)重測(cè)試平面玻璃的缺陷，為測(cè)量其他種類(lèi)的曲面玻璃材料的光學(xué)質(zhì)量提供了方 法。
[0011] (2)、本發(fā)明所選擇的檢測(cè)光源為線偏光，使得測(cè)量得到的圖像不僅能夠分析出氣 室的缺陷，同時(shí)能夠分析玻璃氣室對(duì)線偏光的影響，因而可以提供玻璃氣室對(duì)儀器精度等 參數(shù)的影響大小。
[0012] (3)、本發(fā)明在結(jié)果處理上采用全計(jì)算機(jī)處理的方式，排除了人為因素對(duì)質(zhì)量檢測(cè) 的主觀影響，為系統(tǒng)的檢測(cè)玻璃氣室質(zhì)量和統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)提供了可能。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明的一種通過(guò)球形堿金屬氣室后偏振光偏振特性檢測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 組成框圖，其中，1為光路系統(tǒng)，2為圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，3為圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；
[0014] 圖2為本發(fā)明的幾何原理光路圖；
[0015] 圖3為本發(fā)明的圖像計(jì)算方法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0017] 如圖1所示，本發(fā)明為一種通過(guò)球形堿金屬氣室后偏振光偏振特性檢測(cè)系統(tǒng)，其 結(jié)構(gòu)包括光路系統(tǒng)1、圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2和圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3,其中，光路系統(tǒng)1包括 激光器11、半波片12、偏振分光棱鏡PBS 13、平面反射鏡組14、擴(kuò)束與整形透鏡組15、光闌 16、起偏器PBS 17、球形堿金屬氣室18、檢偏器偏振片19,圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)2主要包括 CCD相機(jī)21和控制與連接組件22,圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3為計(jì)算機(jī)；檢測(cè)系統(tǒng)由激光器11發(fā) 出檢測(cè)用激光光束，經(jīng)過(guò)半波片12與偏振分光棱鏡PBS 13的調(diào)制，形成振動(dòng)方向?yàn)樨Q直 方向的線偏光，此后入射到呈45°放置的平面反射鏡組14,對(duì)光束的傳播方向進(jìn)行精細(xì)調(diào) 整，使其成為水平光束，后入射擴(kuò)束與整形透鏡組15進(jìn)行擴(kuò)束，使得原始激光變?yōu)橹睆捷^ 大的均勻光斑，用于偏振測(cè)量，此后通過(guò)光闌16對(duì)光斑的直徑進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)光斑邊緣 進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)以上整形過(guò)程的光束入射到起偏器PBS 17進(jìn)行重新起偏，入射到球形堿金 屬氣室18采集玻璃材料的缺陷與偏振影響信息，出射光攜帶信息經(jīng)過(guò)檢偏器偏振片19的 過(guò)濾后輸入CCD相機(jī)21，CCD相機(jī)21將采集到的圖像信息經(jīng)過(guò)控制與連接組件22傳遞給圖 像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)3即計(jì)算機(jī)終端，并最終利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像的顯示、分析和結(jié)果的輸出。
[0018] 如圖2所示，為本發(fā)明的幾何原理光路圖，本發(fā)明的原理在于利用兩次折射過(guò)程 中玻璃介質(zhì)對(duì)不同方向振動(dòng)的偏振光的透過(guò)率不同來(lái)檢測(cè)球形玻璃氣室對(duì)偏振光束的影 響情況，進(jìn)而了解氣室的質(zhì)量狀況。首先計(jì)算光束的幾何光學(xué)路徑，如圖2所示，為光束經(jīng) 過(guò)兩次折射的示意圖，對(duì)堿金屬氣室的一側(cè)玻璃球面根據(jù)幾何光學(xué)即可計(jì)算出任意不同離 軸位置的入射光的幾何光學(xué)路徑情況，設(shè)-u"為出射光束偏轉(zhuǎn)角，則有如下結(jié)果：

Q1為入射光折射的入射角，θ i'為一次折射的出射角，θ2為二次 折射的入射角，Θ 2'為二次折射的出射角，η為球形堿金屬氣室18外氣體對(duì)固定頻率光束 的折射率，η'為氣室玻璃材料對(duì)固定頻率光束的折射率，η"為氣室內(nèi)氣體對(duì)固定頻率光束 的折射率，h為測(cè)量點(diǎn)的離軸高度