CN101476976A - 显微分光测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种显微分光测量装置，可以确保测试系统的光轴与被测面法线重合，从而提高测量精度。所述显微分光测量装置包括照明系统、投光系统和成像光学系统，照明系统用以将光源所发出的光输送给投光光学系统，投光系统包括半透半反镜，将照明系统的光经半透半反镜后投射到被测面上，被测面的反射光再经半透半反镜后被送入成像光学系统，成像光学系统包括包括左目镜和右目镜，右目镜前设有补偿透镜，进入成像光学系统的被测面的反射光被分光后，一束经补偿透镜会聚在右目镜的焦平面上，一束成像于左目镜焦平面上。本发明结构简单、构思新颖，可以有效提高光能利用率、确保被测面法线与测试系统的光轴重合，从而有效提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种显微分光测量装置，尤其是用于测量光谱反射率的显微分光测量装置。
背景技术
随着光学产品质量控制要求的不断提高，研究开发和工业生产中对于透镜表面、特别是镀膜后光学零件表面的实际光谱反射率及反射率分布进行精确测量的要求越来越多。由于透镜表面曲率种类繁多、材料透明、镀减反膜后样品表面的反射光非常微弱，所以測试仪器面临着测试中如何使测试系统的光轴与被测面法线重合？如何使微弱的反射光经过分光后仍能够获得足够的信噪比保证测量精度等一系列设计困难。目前世界上能够上述测量工作的有日本Olympus公司的USPM-RU透镜反射率测量仪，但该仪器价格非常昂贵许多国内厂家只能望而兴叹。
发明内容
本发明提供了一种显微分光测量装置，可以确保测试系统的光轴与被测面法线重合，提高测量精度。
所述显微分光测量装置包括照明系统、投光系统和成像光学系统，照明系统用以将光源所发出的光输送给投光光学系统，投光系统包括半透半反镜，将照明系统的光经半透半反镜后投射到被测面上，被测面的反射光再经半透半反镜后被送入成像光学系统，成像光学系统包括包括左目镜和右目镜，右目镜前设有补偿透镜，进入成像光学系统的被测面的反射光被分光后，一束经补偿透镜会聚在右目镜的焦平面上，一束成像于左目镜焦平面上。
所述显微分光测量装置还可以包括分析系统，被测面的反射光经半透半反镜后被分光，一束送入成像光学系统，一束送入分析系统，所述分析系统通过光纤接受被测面的反射光并将其汇聚到光接收器上。作为改进方案，所述分析系统还包括受光耦合系统，受光耦合系统接收从光纤发出的被测面的反射光，耦合后汇聚到光接收器上。受光耦合系统包括透镜和小球，透镜光轴与光芯中轴线重合，小球球心在光芯中轴线的延长线上，从光纤发出的被测面反射光经透镜聚焦，使反射光耦合入光接收器内。通常为提高作为光接收器的光谱仪的分辨率，同时不降低能量，其入射端都做成狭缝，缝隙越小分辨率越高，由于显微分光测量装置中的被测面反射光光束是圆的，如果直接成像在光接收器(光谱仪)的入口狭缝上，则有很大的能量损失。用多芯光纤来耦合的好处是：光纤的一端排成圆形，另一端排成“一”字形，即狭缝状，从而光纤的圆形一端接收的被测面反射光光束，从另一端射出时转换成狭缝状，再经透镜和小球聚焦后耦合入光接收器内，与光接收器的入射端形状完全匹配，减小了能量的损失。
作为本发明的改进，所述半透半反镜以光轴为对称轴，反射部分与透过部分对称配置，而且反射部分与透过部分的个数均为奇数。
所述半透半反镜位于投光系统中的物镜系统的出瞳附近。
所述照明系统、投光系统、成像光学系统和分析系统分别设计成无限远光学系统。
采用本发明，由于在成像光学系统的右目镜前设有补偿透镜，使被测面的反射光经补偿透镜会聚在右目镜的焦平面上，射入右目镜，从而可以在右目镜中观察到半透半反镜的像。而左目镜为常规设计，可以通过左目镜进行对焦，观察被测面是否位于投光系统中物镜的焦平面上。当被测面位于物镜焦平面上时，只有当被测面法线与投光系统的光轴(即测试系统的光轴)重合时，被测面的反射光与入射光相对于投光系统的光轴对称，可以全部经半透半反镜被送入显微观察光学系统，使得右目镜中观察到的半透半反镜的像对称分布，从而可以通过观察右目镜中的半透半反镜的像来确定被测面法线与测试系统的光轴是否重合。采用本发明，不仅可以确定被测面位于物镜焦平面上，还可以通过使被测面法线与测试系统的光轴重合，使被测面的反射光全部经半透半反镜透射出去，可以大大提高显微分光测量装置的测量精度。
当所述半透半反镜以光轴为对称轴，反射部分与透过部分对称配置，而且反射部分与透过部分的个数均为奇数时，从光源所发出的光在半透半反镜的反射部分反射(或在透过部分透过)后，入射到被测面上，经被测面反射返回后透过半透半反镜镜入射到成像光学系统和分析系统中，并汇聚到接收器上。目前公知公用的半反半透镜利用蒸镀等镀膜手段制成一种反射率与透过率接近50％的半透明膜。在显微分光测量装置中，光源所发出的照明光镜光(经过)透镜照射到该半透半反镜上；在没有吸收的理想情况下，入射光的一半被反射或透射后作为测量光经物镜照射到被测面的制定区域上。被测面的反射光作为信号光再次通过回到半透半反镜；在没有吸收的情况下，信号光的约50％被半透半反镜反射(或)透射后经成像光学系统将被测面反射的测量光成像在光探测器面上。当被测面的反射率很低的情况下，信号光本来就非常弱，在半透半反镜处再损失一半以上，将引起N/S恶化，反射率测量精度降低。本发明中所述半透半反镜，可提高进入显微观察光学系统的信号光的比率，改善N/S比。该半反半透镜可广泛用于短波或长波。另外，该半反半透镜用于显微分光测量装置，可实现薄膜厚样品的薄膜厚度、反射率、复折射率测量。使用透过率良好的石英材料做为半反半透镜的基板，如果在透过部分镀紫外光减反膜的话可以减少紫外光的吸收，能够在更短的波长范围内实现测量。如果不在基板上镀减反膜，而是用金属体作为反射部分，将透过部分将金属板镂空，不用在玻璃基板上镀膜，单用机械方面加工金属板即可制作出半反半透镜。还可以不用基板，通过透过部分为镂空的半反射镜，实现廉价的半反射镜制作。在金属板表面镀制与使用波长相对应的反射金属膜即可应用于比可见光波长短或长的波长领域。在半反半透镜的光轴周围将反射部分制作成环状，可以将光轴周围一定角度以下的信号光挡掉，这样就可以将被测样品前、后表面的反射光分开，提高N/S比和测量精度。
在显微分光测量装置中，将照明系统、投光系统、成像光学系统和分析系统分别设计成无限远光学系统，通过将半透半反镜安置在物镜系统的出瞳附近，可以实现被测样品的反射光可以损耗很少地通过半反射传输到成像光学系统中。
总之，本发明结构简单、构思新颖，可以有效提高光能利用率、确保被测面法线与测试系统的光轴重合，从而有效提高测量精度。
附图说明
图1是本发明光路示意图；
图2是图1中分析系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，显微分光测量装置包括照明系统、投光系统、成像光学系统和分析系统，照明系统包括光源1、电子快门2、单光纤18和无限远照明透镜系统3，投光系统包括半透半反镜5和无限远物镜系统4，半透半反镜5以光轴为对称轴，反射部分与透过部分对称配置，而且反射部分与透过部分的个数均为奇数。成像光学系统包括棱镜系统12、补偿透镜7、右目镜8和左目镜9，分析系统包括光纤10和受光耦合系统11。结构如图2所示，光纤10为多芯光纤，含7根纤芯，接收端截面为圆形，中心一根纤芯，周围均匀分布六根纤芯，射出端为“一”字形。受光耦合系统包括透镜15和圆球16，为本领域公知的系统。照明系统的光经半透半反镜5反射后作为测量光，经无限远物镜系统4投影到被测面6上。被测面6的反射光经半透半反镜5透射后，经棱镜系统12先分为两束光，一束光被送入分析系统，通过光纤10，从光纤10的端面射出，经过受光耦合系统中的透镜15聚焦，再与圆球耦合，汇聚到光谱仪的狭缝14上，进入数据处理装置13；另一束光被送入成像光学系统，经棱镜系统12再次分光后又分为两路，一束经补偿透镜7会聚在右目镜8的焦平面上，一束成像于左目镜9的焦平面上。
由图1可以看出，成像光学系统和分析系统均为无限远光学系统。半透半反镜5位置处的光束为无限远照明透镜系统3、无限远物镜系统4所形成的平行光。
检测时，先粗调整被测样品，使被测面(对于透镜，一般测其顶点处的反射率)大致处于成像系统的光轴上；通过左目镜调焦，确认被测样品的被测面处于物镜系统的焦平面上，在右目镜中显示清晰的物象光斑；通过右目镜确认被测样品的被测面的法线是否处于投光系统的光轴上；反复调节显微镜平台的X、Y轴，使经过被测面反射的光完全通过半透半反镜，即右目镜中观察到的半透半反镜观察到的成像对称分布，并且通过左目镜观察到的成像为一清晰光斑时，被测面处于物镜系统的焦平面上，同时被测面法线与投光系统的光轴重合。然后再进行软件的反射率测定。
Claims (10)
1、一种显微分光测量装置，包括照明系统、投光系统和成像光学系统，照明系统用以将光源所发出的光输送给投光光学系统，投光系统包括半透半反镜，将照明系统的光经半透半反镜后投射到被测面上，被测面的反射光再经半透半反镜后被送入成像光学系统，成像光学系统包括包括左目镜和右目镜，其特征在于，右目镜前设有补偿透镜，进入成像光学系统的被测面的反射光被分光后，一束经补偿透镜会聚在右目镜的焦平面上，一束成像于左目镜焦平面上。
2、如权利要求1所述的显微分光测量装置，其特征在于所述显微分光测量装置还包括分析系统，被测面的反射光经半透半反镜后被分光，一束送入成像光学系统，一束送入分析系统，所述分析系统通过光纤接受被测面的反射光并将其汇聚到光接收器上。
3、如权利要求2所述的显微分光测量装置，其特征在于所述光纤为多芯光纤。
4、如权利要求3所述的显微分光测量装置，其特征在于所述光纤接收端截面为圆形，射出端截面为“一”字形。
5、如权利要求4所述的显微分光测量装置，其特征在于所述光纤含7根纤芯，接受端中心一根纤芯，周围均匀分布六根纤芯。
6、如权利要求2所述的显微分光测量装置，其特征在于所述分析系统还包括受光耦合系统，受光耦合系统接收从光纤发出的被测面的反射光，耦合后汇聚到光接收器上。
7、如权利要求6所述的显微分光测量装置，其特征在于受光耦合系统包括透镜和小球，透镜光轴与光芯中轴线重合，小球球心在光芯中轴线的延长线上，从光纤发出的被测面反射光经透镜聚焦，再与小球耦合，汇聚到光接收器上。
8、如权利要求1-7任一项所述的显微分光测量装置，其特征在于所述半透半反镜以光轴为对称轴，反射部分与透过部分对称配置，而且反射部分与透过部分的个数均为奇数。
9、如权利要求8所述的显微分光测量装置，其特征在于投光系统包括物镜系统，所述半透半反镜位于物镜系统的出瞳附近。
10、如权利要求1-7任一项所述的显微分光测量装置，其特征在于照明系统、投光系统、显微观察光学系统构成无限远光学系统。
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