CN101476935A

CN101476935A - 光学焦点区域三维光强分布检测装置

Info

Publication number: CN101476935A
Application number: CNA2009100954894A
Authority: CN
Inventors: 高秀敏; 郭舒文; 王健
Original assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Current assignee: Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2009-07-08

Abstract

本发明涉及光学焦点区域三维光强分布检测装置。现有技术采用调整架与压电陶瓷扫描器连接影响了测量精度，并且光机定位要求高，装置实现难度大。本发明中光源经过光束整形器的整形后，通过物镜聚焦形成被测焦点，一维移动平台带动物镜实现轴向移动进行测试粗定位，三维移动平台带动光纤探针进行在焦点区域进行三维扫描实现三维光强分布检测，由监视光源、分光镜和图像采集器构成的监视光路通过光谱分光镜耦合到被测光路中对装置调节和测试过程进行监视，分析控制单元对整个测试过程和结果进行分析控制协调。本发明具有机械加工定位要求低、系统构成简单、器件要求低、测量精度高，使用便利等特点。

Description

光学焦点区域三维光强分布检测装置

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种光强分布检测装置，特别是一种光学焦点区域三维光强分布检测装置。主要用于光学性质评估，光学信息传播特性研究，聚焦光学系统特性检测，以及光存储、光刻技术、显微成像等领域。

技术背景

对光学焦点区域进行三维光强分布检测的需求广泛存在于光学性质评估，光学信息传播特性研究，聚焦光学系统特性检测，以及光存储、光刻技术、显微成像等领域。例如，在光存储领域中，光盘物镜的聚焦特性直接影响信息存储密度和存储质量，对光盘物镜焦点光强分布进行研究必不可少，检测焦点三维光强分布可以直接给出物镜质量评价水平，对光存储光学系统构建提供实验基础。在先技术中有一种可以光学焦点区域光强分布的装置，(参见中国发明专利“检测光盘物镜小光斑的装置”，专利号：ZL00127831.2)。该检测系统具有相当的优点，但是，仍然存在一些不足：1)装置在使用工作中聚焦物镜不能产生位移，由压电陶瓷扫描器带动光纤探针进行探测扫描，与并同时专利权利要求1中要求物镜置于物镜焦斑落在光纤探针的探针尖上的位置上，由于压电陶瓷扫描器存在有限扫描范围，所以，以上技术方案导致此检测装置扫描位置定位调节难度大，调节使用不便利；2)光纤探针在轴向位置调节是通过与压电陶瓷扫描器连接的手动或电动调整架进行调解，两个可移动部件联接，并且，手动或电动调整架的机械定位特性不如压电陶瓷扫描器，在压电陶瓷扫描器时，手动或电动调整架机械定位特性对测量精度有重要影响，相当于高精度扫描机构的扫描参考基准是建立在低精度调整架上，对装置测量精度有很大影响，降低了光强分布测量精度；3)此检测装置对系统结构的机械加工定位要求高、结构复杂、器件要求高，例如，在专利权利要求1中要求分光镜与激光光源光轴成45°角、分光镜反射面中心点与光纤探针针尖连线为垂直于激光光源光轴的垂直线、用于检测的分光镜为半反半透分光镜、半反半透分光镜的反射面要与入射光线成45°角、装置要包含有带有监视器的摄像机等一系列结构要求和器件要求均增加了检测装置实现难度，限制了检测应用范围。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种光学焦点区域三维光强分布检测装置，具有三维光强分布检测功能，装置定位扫描难度小，调节使用便利，光强分布测量精度高，结构要求和器件要求低，装置实现难度低，应用范围广泛等特点。

本发明的基本构思是：光源经过光束整形器整形后通过物镜聚焦形成被测焦点，一维移动平台带动物镜实现轴向移动进行测试粗定位，三维移动平台带动光纤探针进行在焦点区域进行三维扫描实现三维光强分布检测，由监视光源、分光镜和图像采集器构成的监视光路通过光谱分光镜耦合到被测光路中对装置调节和测试过程进行监视，分析控制单元对整个测试过程和结果进行分析控制协调。

本发明的技术解决方案为：包括系统光源、光束整形器、光谱分光镜、物镜、光纤探针、光电传感器、分析控制单元、一维移动平台、三维移动平台、监视光源、分光镜和图像采集器。光束整形器、光谱分光镜、物镜依次设置在系统光源出射光束的光路上，光纤探针的针尖端对应物镜光束出射方向设置，光纤探针的光能出射端与光电传感器连接。一维移动平台与物镜固定连接，三维移动平台与光纤探针的针尖端连接。监视光源的出射光束方向上设置有分光镜，监视光源的出射光束经过分光镜反射后射入光谱分光镜的分光面，其在光谱分光镜分光面上的射入点与系统光源在光谱分光镜分光面上的射入点重合，并且光谱分光镜的分光面设置在监视光源经过分光镜分光面反射后的光束的光路与系统光源出射光路的角平分线上。图像采集器设置在监视光源经过分光镜分光面反射后光束的反向延长线上。一维移动平台、三维移动平台、光电传感器、图像采集器分别与分析控制单元信号连接。

所述的系统光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器中的一种。

所述光谱分光镜对系统光源出射光束的透过率大于85％，并且对监视光源出射光束的反射率的大于85％。

所述的光束整形器是扩束器、光束波前整形器、光强分布调节器中的一种。

所述的光电传感器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。

所述的一维移动平台为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件中的一种。

所述的三维移动平台为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件中的一种。

所述的图像采集器为面阵电荷耦合器件、面阵互补型金属氧物半导体晶体管、光学微通道板器件的一种。

本发明装置的工作过程为系统光源发射出光束，经过光束整形器进行扩束和整形后射向光谱分光镜，光谱分光镜对于系统光源射出光束高透过率，光谱分光镜的透射光束经过物镜聚会形成被测焦点区域。光纤探针的针尖设置在物镜光束出射方向一侧，光纤探针的光能出射一端与光电传感器相连接，光纤探针将针尖处光能收集传输到光电传感器，实现光电转化，形成与光纤探针针尖处光强对应的电信号，并且传给分析控制单元；一维移动平台与物镜和分析控制单元相连接，分析控制单元控制一维移动平台带动物镜在物镜入射光方向上移动，三维移动平台与分析控制单元和光纤探针的针尖一端相连接，分析控制单元控制三维移动平台带动光纤探针针尖实现三维移动，测试时一维移动平台首先带动物镜移动，当光纤探针的针尖在物镜焦点区域附近时，一维移动平台停止移动，由三维移动平台带动光纤探针针尖实现三维移动扫描，每个光纤探针针尖位置上都检测到一个与光纤探针针尖处光强信号，并传给分析控制单元，分析控制单元对光纤探针三维扫描的各点光强信号进行重构处理，得到物镜光学焦点区域三维光强分布。在测量过程中，监视光源发射光束经过分光镜反射后再被光谱分光镜反射，经过物镜聚焦照射到焦点区域，焦点区域反射光束依次经过物镜、光谱分光镜反射、分光镜透射后被图像采集器接收，将焦点区域情况成像并传输给分析控制单元，对测量过程进行实时监控，便于装置使用。

本发明装置中通过分析控制单元控制一维移动平台、三维移动平台，以及光电传感器和图像采集器将探测信号发送给分析控制单元进行处理，这些都是成熟技术。本发明的发明点在于提供一种光学焦点区域三维光强分布检测装置的光路结构。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)一维移动平台带动物镜实现轴向移动进行测试粗定位，三维移动平台带动光纤探针进行在焦点区域进行三维扫描实现三维光强分布检测，检测装置扫描位置定位调节难度低，调节使用便利；

2)光纤探针在轴向位置粗调节是通过一维移动平台带动物镜实现，光纤探针三维扫描是通过维移动平台实现的，两个可移动部件彼此分离，互不影响，故一维移动平台粗调节对装置测量精度影响很小，提高了光强分布测量精度；

3)此检测装置对系统结构的机械加工定位要求低、结构简单、器件要求低；

4)由监视光源、分光镜和图像采集器构成的监视光路通过光谱分光镜耦合到被测光路中，可以对装置调节和测试过程进行监视。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1，光学焦点区域三维光强分布检测装置包括系统光源1、光束整形器2、光谱分光镜3、物镜4、光纤探针5、光电传感器6、分析控制单元7、一维移动平台8、三维移动平台9、监视光源10、分光镜11和图像采集器12。光束整形器2、光谱分光镜3、物镜4依次设置在系统光源1出射光束的光路上，光纤探针5的针尖端对应物镜4光束出射方向设置，光纤探针5的光能出射端与光电传感器6连接。一维移动平台8与物镜4固定连接，三维移动平台9与光纤探针5的针尖端连接。监视光源10的出射光束方向上设置有分光镜11，监视光源10的出射光束经过分光镜11反射后射入光谱分光镜3的分光面，其在光谱分光镜3分光面上的射入点与系统光源1在光谱分光镜3分光面上的射入点重合，并且光谱分光镜3的分光面设置在监视光源10经过分光镜11分光面反射后的光束的光路与系统光源1出射光路的角平分线上。图像采集器12设置在监视光源10经过分光镜11分光面反射后光束的反向延长线上。分析控制单元7与一维移动平台8、三维移动平台9、光电传感器6、图像采集器12信号连接。

系统光源1为氩离子气体激光器，光束整形器2是扩束倍率可调的光束扩束光学部件，分析控制单元7为工控机，光电传感器6为光电倍增管，光纤探针5采用近场光学显微镜上通用的不待音叉光纤探针，图像采集器12为面阵电荷耦合器件，一维移动平台8为步进电机，三维移动平台9为压电陶瓷位移器，物镜4采用Nikon平常消色差物镜。

本发明装置的工作过程为系统光源1发射出光束，经过光束整形器2进行扩束和整形后射向光谱分光镜3，光谱分光镜3对于系统光源1射出光束高透过率，光谱分光镜3的透射光束经过物镜4聚会形成被测焦点区域。光纤探针5的针尖设置在物镜4光束出射方向一侧，光纤探针5的光能出射一端与光电传感器6相连接，光纤探针5将针尖处光能收集传输到光电传感器6，实现光电转化，形成与光纤探针5针尖处光强对应的电信号，并且传给分析控制单元7；一维移动平台8与物镜4和分析控制单元7相连接，分析控制单元7控制一维移动平台8带动物镜4在物镜4入射光方向上移动，三维移动平台9与分析控制单元7和光纤探针5的针尖一端相连接，分析控制单元7控制三维移动平台9带动光纤探针针5尖实现三维移动，测试时一维移动平台8首先带动物镜4移动，当光纤探针5的针尖在物镜4焦点区域附近时，一维移动平台8停止移动，由三维移动平台9带动光纤探针5针尖实现三维移动扫描，每个光纤探针5针尖位置上都检测到一个与光纤探针5针尖处光强信号，并传给分析控制单元7，分析控制单元7对光纤探针5三维扫描的各点光强信号进行重构处理，得到物镜4光学焦点区域三维光强分布。在测量过程中，监视光源10发射光束经过分光镜11反射后再被光谱分光镜3反射，经过物镜4聚焦照射到焦点区域，焦点区域反射光束依次经过物镜4、光谱分光镜反射3、分光镜11透射后被图像采集器12接收，将焦点区域情况成像并传输给分析控制单元7，对测量过程进行实时监控，便于装置使用。本实施例成功地对Nikon平常消色差物镜实现了光学焦点区域三维光强分布检测。

Claims

1、光学焦点区域三维光强分布检测装置，包括系统光源、光束整形器、光谱分光镜、物镜、光纤探针、光电传感器、分析控制单元、一维移动平台、三维移动平台、监视光源、分光镜和图像采集器，其特征在于：光束整形器、光谱分光镜、物镜依次设置在系统光源出射光束的光路上，光纤探针的针尖端对应物镜光束出射方向设置，光纤探针的光能出射端与光电传感器连接；一维移动平台与物镜固定连接，三维移动平台与光纤探针的针尖端连接；监视光源的出射光束方向上设置有分光镜，监视光源的出射光束经过分光镜反射后射入光谱分光镜的分光面，其在光谱分光镜分光面上的射入点与系统光源在光谱分光镜分光面上的射入点重合，并且光谱分光镜的分光面设置在监视光源经过分光镜分光面反射后的光束的光路与系统光源出射光路的角平分线上；图像采集器设置在监视光源经过分光镜分光面反射后光束的反向延长线上，一维移动平台、三维移动平台、光电传感器、图像采集器分别与分析控制单元信号连接。

2、如权利要求1所述的光学焦点区域三维光强分布检测装置，其特征在于：所述的系统光源为半导体激光器、固体激光器、气体激光器、液体激光器中的一种。

3、如权利要求1所述的光学焦点区域三维光强分布检测装置，其特征在于：所述光谱分光镜对系统光源出射光束的透过率大于85％，并且对监视光源出射光束的反射率的大于85％。

4、如权利要求1所述的光学焦点区域三维光强分布检测装置，其特征在于：所述的光束整形器是扩束器、光束波前整形器、光强分布调节器中的一种。

5、如权利要求1所述的光学焦点区域三维光强分布检测装置，其特征在于：所述的光电传感器为光电二极管、雪崩管、光电倍增管中的一种。

6、如权利要求1所述的光学焦点区域三维光强分布检测装置，其特征在于：所述的一维移动平台为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件中的一种。

7、如权利要求1所述的光学焦点区域三维光强分布检测装置，其特征在于：所述的三维移动平台为步进电机、压电陶瓷位移器、纳米位移元件中的一种。

8、如权利要求1所述的光学焦点区域三维光强分布检测装置，其特征在于：所述的图像采集器为面阵电荷耦合器件、面阵互补型金属氧物半导体晶体管、光学微通道板器件的一种。