CN103424843B - 全内反射原位照明装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种全内反射原位照明装置及其控制方法，全内反射原位照明装置，包括激光光源、偏振态转换单元、第一反射镜、第二反射镜、直角导光棱镜和计算机，本发明通过计算机的控制所述的一维电机平移台和一维电机转动台的组合来精确控制第二反射镜的高度位置和角度状态实现了改变光线入射角前后样品表面的照明区域位置基本不变的目的。本发明装置结构简单紧凑，具有良好的应用前景。

Description

全内反射原位照明装置及其控制方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，特别是一种全内反射原位照明装置及其控制方法。

背景技术

光学元件在加工过程中会不可避免的引入亚表面缺陷。在大功率激光系统中，这些亚表面缺陷是造成光学元件损伤的主要因素之一。全内反射显微镜技术（TIRM）是美国利弗莫尔实验室（LLNL）最先提出的一种亚表面缺陷无损探测技术。该技术使用激光作为照明光源，利用光的全内反射原理，对光学元件及其亚表面的缺陷散射点进行显微成像。具体来讲，当光线被经过导光直角棱镜和折射率匹配液后入射到样品内部。当入射角大于临界角且样品上表面没有瑕疵的情况下，光线将由于满足全内反射条件，在样品上表面产生全内反射并从棱镜另一直角边射出。当样品存在表面疵病和亚表面缺陷时，在这些缺陷处全内反射条件将被破坏，导致一小部分光发生散射或者折射从样品上表面“漏出”。这些散射光被显微镜接受到之后会得到一幅散射图像。由于得到的散射图像为暗场图像，具有较高的性噪比，可以很好的表征出样品的亚表面缺陷。

在全内反射显微技术的基础上，人们还提出了iTIRM（intensity-detectingtotalinternalreflectionmicroscopy）技术，并成功将其应用于抛光过程的实时监测。

在细胞生物研究领域，以全内反射方式提供照明光源的全内反射荧光显微镜（TIRFM）常用来作为浆膜附近分子定位和运动过程观察的工具。TIRFM利用全内反射的消逝波激发样品，从而使样品表面数百纳米厚的薄层内的荧光团受到激发，大大提高了荧光成像的信噪比，可以看到样品表面单分子的运动情况。

以上各种全内反射显微技术在应用中都会改变入射角来改变照明光波的状态。比如，在使用偏振单色光照明样品时，入射光与从样品表面反射回来的全内反射光将在样品内部一定区域内形成驻波。使用该驻波波节与波腹照明亮度不同的性质，可以对样品进行分层观测。理论计算表明，这种驻波的状态除了与入射光的偏振态和入射波波长有关外，还与入射角有关。相对于照明光波偏振态和波长，驻波场状态对入射角有更高的灵敏度，所以实际检测中经常采用控制入射角的变化来控制驻波场状态。但是，当入射角改变时，在样品表面的照明位置也会发生相应的位移，使得改变入射角前后拍摄的图像不具有可比性，无法利用数字图像处理技术对这些图像进行后续处理以得到更多的信息。所以应当避免在改变入射角时，在样品表面的照明位置的变动。因此现有的全内反射显微装置，都无法实现原位照明，即保持在样品表面的照明位置不动，或者仅仅停留在人工粗调的层面上，很难达到图像处理的要求。如图1所示的大口径光学元件亚表面缺陷的检测装置（授权公告号：CN201589753U）中光束入射角度控制单元中的两个反射镜3、4简单地安装在支撑架1上。此外，现有技术一般通过观测散射斑在显微镜视场内的大致位置来确定照明位置。然而，当样品质量很好时，通过显微镜将不易观测到明显的散射斑，现有的方法也就很难找到照明位置，更无法精确控制照明区域位置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全内反射原位照明装置及其控制方法。该装置可实现改变入射角前后，辐照在样品表面的光斑位置不变。

本发明技术解决方案是：

一种全内反射原位照明装置，包括激光光源、偏振态转换单元、第一反射镜、第二反射镜、和直角导光棱镜和计算机，其特点是：第一反射镜安装于支撑架上，第二反射镜固定在一维电机转动台上，所述的第二反射镜的镜面与一维电机转动台的中心轴共面，该一维电机转动台固定在一维电机平移台上，所述的一维电机转动台和一维电机平移台与计算机相连；所述的直角导光棱镜通过一个支架置于载物台上，使所述的直角导光棱镜的斜面朝上，所述的直角导光棱镜的斜面供所述的样品置放，所述的样品与所述的直角导光棱镜之间使用折射率匹配液耦合，沿激光光源的激光光束方向依次是所述的偏振态转换单元、第一反射镜、第二反射镜和直角导光棱镜，经该直角导光棱镜的透射光进入所述的样品，从样品的反射光进入光束截止器。

所述的全内反射原位照明装置的控制方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

①设定装置的光束对第二反射镜的入射角θ为22.5°；

②根据实验或测量的目的，确定第二反射镜的入射角的改变量Δθ；

③计算机利用下列公式计算第二反射镜的高度位置变化量Δh：

$\mathrm{\Δh}=(1-\cot 2{\mathrm{\θ}}_{\left(\mathrm{\β}\right)})\·[L_1-d+\frac{1}{1+\tan \mathrm{\β}}(L_2+d)]$

其中：θ_(β)表示θ是β的函数，β为照明光在样品的上表面的入射角；n_prism为导光直角棱镜的折射率；L₁为导光直角棱镜在光学平台上投影的左边界与第二反射镜上激光斑点在光学平台上投影的水平距离；L₂为导光直角棱镜在光学平台上投影的左边界与样品表面照明区域中心在光学平台上投影的水平距离；d为样品厚度；

④计算机向所述的一维电机平移台发出指令第二反射镜高度改变Δh，实现原位照明。

本发明的有益效果是：

采用一维电机平移台和一维电机转动台的组合来精确控制反射镜的高度位置和角度状态，装置结构简单紧凑；实现了在改变光线入射角前后照明光斑在样品表面的位置基本不变的目的。

附图说明

图1为现有大口径光学原件亚表面缺陷的检测装置示意图。

图2为本发明全内反射原位照明装置的结构示意图。

图3为关系式1、2中各符号示意图。

图4为微调Δh与光斑偏移位置Δd的关系示意图。

具体实施方式

本发明是全内反射原位照明装置，可在全内反射显微过程中实现原位照明。如图2所示，激光由激光器1出射后依次通过偏振态转换单元2、第一反射镜3、第二反射镜4、直角棱镜9、样品10、光束截止器14。本发明装置主要包括三大部分：由激光器1和偏振态转换单元2组成的照明光源；由直角导光棱镜9和棱镜支架12等组成的全内反射光引导单元以及由一维平移台7、一维转动台4、第二反射镜5和计算机11组成的入射角控制单元。棱镜支架12固定于三维载物台13之上。此外，起导光作用的第一反射镜3固定在光学支架8上，由所述第一反射镜3反射出的光束方向与光学平台垂直；第二反射镜5安装在支架6上，支架6固定于一维电机转动台4上，保持第二反射镜镜面与一维电机转动台中心轴共面；光束截止器14固定在光学支架16上。10为待测光学元件；平移台7、转动台4的步进电机均与计算机11连接。一维平移台7、光学支架8和三维载物台13都固定在光学平台15上。

本发明使用与样品折射率一样的直角棱镜导光。样品10置于直角棱镜9的斜边上，棱镜9与样品10通过折射率匹配液耦合在一起。照明光从直角棱镜的一直角边射入，经过棱镜、折射率匹配液后进入样品内部。当角度大于样品临界角时，将在样品上表面发射全内反射。反射光再经过棱镜另一直角边射出，被光束截止器14截止。所述的直角棱镜倒放置于棱镜支架12上，棱镜支架12随着载物台13的移动可以在三维方向一定范围内移动，能够通过载物台的移动改变样品的考察区域。

本发明使用步进电机驱动的一维平移台7和一维转动台4的组合来控制入射光束的入射角度和入射位置。将入射角为45°时第二反射镜5的状态视为初始状态，通过平移台7调整第二反射镜5的高度、转动台4调整第二反射镜5的角度都是依此状态为基准。显然，当装置固定以后，第二反射镜5的状态决定了照明光束在样品上表面的入射角。可以推导出第二反射镜5角度变化量Δθ（相对于前述的初始状态）与第二反射镜5高度位置变化量Δh与入射角和系统部分结构参数的关系：

Δθ＝θ_(β)-22.5°（1）

$\mathrm{\Δh}=(1-\cot 2{\mathrm{\θ}}_{\left(\mathrm{\β}\right)})\·[L_1-d+\frac{1}{1+\tan \mathrm{\β}}(L_2+d)]---\left(2\right)$

其中：θ_(β)表示θ是β的函数，θ为照明激光在第二反射镜5上的入射角或反射角，Δθ为本装置状态改变前后θ角相对于初始状态的变化量；β为照明光在样品的上表面的入射角；n_prism为导光直角棱镜的折射率；L₁为导光直角棱镜在光学平台上投影的左边界与第二反射镜5上激光斑点在光学平台上投影的水平距离；L₂为导光直角棱镜在光学平台上投影的左边界与样品表面照明区域中心在光学平台上投影的水平距离；d为样品厚度；Δh为第二反射镜在垂直方向上的位移量。图3标示出了以下公式中各符号的意义。

实际情况中，改变入射角β前后，保持照明位置不变的过程如下：

1、设定装置的光束对第二反射镜的入射角θ为22.5°；

2、改变θ角将获得不同的入射角度β，θ改变的同时，照明光束在样品表面的照明区域将发生变化；

3、公式（2）是保障照明光束在样品中照明位置不变，第二反射镜5高度位置变化量Δh与第二反射镜5的光束的反射角θ变化量Δθ之间的关系式，可根据公式（2）自动计算出随角度变化量Δθ的回调量Δh；

4、计算机根据由上述公式获得的结果驱动步进电机转动相应步数，使得第二反射镜5转换到满足新的入射角的状态。Δθ和Δh的正负对应于电机两个方向的运动，在程序中作如下定义：Δθ为正时，一维转动台顺时针转动，Δθ为负时，一维转动台逆时针转动；Δh为正时，一维平移台向上移动，Δh为负时，一维平移台向下移动。

由式（1）和式（2）可以看出，整个电机调节过程中的误差来源主要有两个方面：一个是步进电机的精度，一个是长度量的测量误差。当前步进电机的精度已经非常高，如0.9度的步进电机在使用64微步驱动模式下，定位误差可以达到±1.5弧分。这使得θ_(β)的调节误差在实际使用过程中基本可以忽略。至于长度测量方面的误差，主要来自于L₁、L₂和样品厚度d的测量。样品厚度d可以用千分尺测得，可达到0.001mm的精度。L₁和L₂可以用高精度米尺测得，精度可达0.1mm。由式（2）易知，Δh的精度在0.1mm量级，由图4所示Δh与Δd的关系易知，Δd的精度也在0.1mm量级。考虑到常用的照明激光光束直径在3mm左右，系统调节的误差小于5%（1/30），在误差允许范围之内。

计算机13可以采用Pentium-IIIPC机，需配备至少一块PCI插槽：用于电机驱动卡。

Claims (1)

1.一种全内反射原位照明装置的控制方法，该装置包括激光光源(1)、偏振态转换单元(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(5)、直角导光棱镜(9)和计算机(11)，第一反射镜(3)安装于支撑架(8)上，第二反射镜(5)固定在一维电机转动台(4)上，所述的第二反射镜的镜面与一维电机转动台的中心轴共面，该一维电机转动台(4)固定在一维电机平移台(7)上，所述的一维电机转动台(4)和一维电机平移台(7)与计算机(11)相连；所述的直角导光棱镜(9)通过一个支架(12)置于载物台(13)上，使所述的直角导光棱镜的斜面朝上，所述的直角导光棱镜(9)的斜面供样品(10)置放，所述的样品(10)与所述的直角导光棱镜(9)之间使用折射率匹配液耦合，沿激光光源的激光光束方向依次是所述的偏振态转换单元(2)、第一反射镜(3)、第二反射镜(5)和直角导光棱镜(9)，经该直角导光棱镜的透射光进入所述的样品(10)，从样品(10)的反射光进入光束截止器(14)；其特征在于该方法包括下列步骤：

①设定装置的光束对第二反射镜(5)的入射角θ为22.5°；

②根据实验或测量的目的，确定第二反射镜(5)的入射角的改变量Δθ；

③计算机利用下列公式计算第二反射镜(5)的高度位置变化量Δh：

$\mathrm{\Δ}h=(1-\cot 2{\mathrm{\θ}}_{\left(\mathrm{\β}\right)})\·\[L_1-d+\frac{1}{1+\tan \mathrm{\β}}(L_2+d)\]$

其中：θ_(β)表示θ是β的函数，β为照明光在样品的上表面的入射角；n_prism为导光直角棱镜的折射率；L₁为导光直角棱镜在光学平台上投影的左边界与第二反射镜(5)上激光斑点在光学平台上投影的水平距离；L₂为导光直角棱镜在光学平台上投影的左边界与样品表面照明区域中心在光学平台上投影的水平距离；d为样品厚度；

④计算机向所述的一维电机平移台(7)发出指令，使第二反射镜(5)高度改变Δh，实现原位照明。