CN104714289B - 一种光路放大的自动对焦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于光学对焦领域，提供了一种光路放大的自动对焦装置，包括：发光部分1、分光镜2、第一柱面镜5和一维位置敏感器6；一维位置敏感器6、第一柱面镜5和分光器2从上往下依次设置于聚焦镜4的正上方；分光镜2相对聚焦镜4倾斜设置，发光部分1设置在分光镜2的斜向下面的水平侧；发光部分1出射光束经分光镜2部分反射，通过聚焦镜4聚焦至聚焦镜4下方的被测工件3上，在工件3上形成反射光再次通过聚焦镜4，经分光镜2部分透射后，经柱面镜5一维聚焦后，入射到一维位置敏感器6上。利用柱面镜的一维聚焦功能，实现离焦量被放大至一维位置敏感传感器显示，达到高精度测量离焦量的目的。
Description
技术领域
本发明属于光学对焦领域，尤其涉及一种光路放大的自动对焦装置。
背景技术
在激光精密加工的系统中，精密聚焦镜和聚焦头是必要的光学元件，目前使用的自动对焦装置采用的是CCD成像对焦，但其受CCD的响应频率的限制，该自动对焦方式只能适用于静态对焦测量，因而受到许多的限制。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种光路放大的自动对焦装置，以解决现有技术只能进行静态对焦的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种光路放大的自动对焦装置，所述装置包括：发光部分1、分光镜2、第一柱面镜5和一维位置敏感器6；
所述一维位置敏感器6、所述第一柱面镜5和所述分光器2从上往下依次设置于聚焦镜4的正上方；
所述分光镜2相对所述聚焦镜4倾斜设置，所述发光部分1设置在所述分光镜2的斜向下面的水平侧；
所述发光部分1出射光束经所述分光镜2部分反射，通过所述聚焦镜4聚焦至所述聚焦镜4下方的被测工件3上，在所述工件3上形成反射光再次通过所述聚焦镜4，经所述分光镜2部分透射后，经所述柱面镜5一维聚焦后，入射到所述一维位置敏感器6上；
通过将被测工件3在进行自动对焦时的光在所述一维位置敏感器6上的位置与所述工件3在所述聚焦镜4焦点上时光在所述一维位置敏感器6的位置对比，判断所述工件3是否在所述聚焦镜4的焦点上。
本发明提供的一种光路放大的自动对焦装置的第一优选实施例中：所述发光部分1包括从远离所述分光镜2一侧到靠近所述分光镜2一侧依次设置的光源11、第二柱面镜12、球面透镜13和光阑14；
所述光源11在所述球面透镜13的焦平面上，与所述第二柱面镜12的距离小于所述第二柱面镜12的焦距，所述第二柱面镜12对光源1发射的光进行聚焦或者准直。
本发明提供的一种光路放大的自动对焦装置的第二优选实施例中：所述光源11为发光二激光或激光光源；所述出射光束形状为椭圆形、矩形或者正方形。
本发明提供的一种光路放大的自动对焦装置的第三优选实施例中：所述聚焦镜4为聚焦显微镜或长工作距离聚焦镜；
所述一维位置敏感传感器6为一维PSD或者线阵CCD。
本发明提供的一种光路放大的自动对焦装置的第四优选实施例中：所述一维位置敏感传感器6输出值Y与离焦量X的对应关系公式为：
Y＝X*L2*arcsinNA*D/D0 (6)
其中，L2表示聚焦镜4与一维位置敏感传感器6的距离，NA表示聚焦镜镜头的数值孔径；D表示入射光束偏轴量，D0表示入瞳直径；
所述装置进行对焦的过程包括：
1)记录输出的一维位置敏感传感器6输出的值，把所述输出值作为基准值Y0；根据所述公式6标定所述离焦量X跟所述一维位置敏感传感器6输出值Y与Y0差值的关系，设定所述离焦量X小于δX满足对焦要求，计算出所述一维位置敏感传感器6满足对焦要求输出值范围Y0+δY；
2)读取所述被测工件3在进行自动对焦时一维位置敏感传感器6输出值Y；若Y值在Y0+δY范围内，则所述被测工件3相对所述聚焦镜4的位置Ok；若Y值不在Y0+δY范围内，则根据Y值和所述公式6判断所述离焦量X的大小，控制电机移动所述聚焦镜4，使所述被测工件3相对所述聚焦镜4的位置Ok，实现自动对焦。
本发明实施例提供的一种光路放大的自动对焦装置的有益效果包括：
利用柱面镜的一维聚焦功能，实现在与柱面镜的母线垂直方向将细光束聚焦，易被一维位置敏感传感器接收，同时与在柱面镜的母线平行方向不改变光传输方向，实现离焦量被放大至一维位置敏感传感器显示，达到高精度测量离焦量的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种光路放大的自动对焦装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的工件在聚焦镜正焦点上时的光路图；
图3是本发明实施例提供的工件与聚焦镜距离小于聚焦镜焦距时的光路图；
图4是本发明实施例提供的工件与聚焦镜距离大于聚焦镜焦距时光路图；
图5是本发明实施例提供的一种光路放大的自动对焦装置的自动对焦流程图；
1为发光部分；2为分光镜；3为工件；4为聚焦镜；5为第一柱面镜；6为一维位置敏感器；11为光源；12为第二柱面镜；13为球面透镜；14为光阑。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示为本发明提供的一种光路放大的自动对焦装置的结构示意图，所述装置包括：发光部分1、分光镜2、第一柱面镜5和一维位置敏感器6。
一维位置敏感器6、第一柱面镜5和分光器2从上往下依次设置于聚焦镜4的正上方。
分光镜2相对聚焦镜4倾斜设置，发光部分1设置在分光镜2的斜向下面的水平侧。
发光部分1出射光束经分光镜2部分反射，通过聚焦镜4聚焦至聚焦镜4下方的被测工件3上，在工件3上形成反射光再次通过聚焦镜4，经分光镜2部分透射后，经柱面镜5一维聚焦后，入射到一维位置敏感器6上。
通过将被测工件3在进行自动对焦时的光在一维位置敏感器6上的位置与工件3在聚焦镜4焦点上时光在一维位置敏感器6的位置对比，判断工件3是否在聚焦镜4的焦点上。
图2-4为本发明实施例提供的工件与聚焦镜距离分别为等于、小于和大于聚焦镜焦距时的光路图，如图3所示，离焦量为X，入射至聚焦镜4的光束与经工件3反射通过聚焦镜4的反射光束成一夹角U'；如图4所示，工件3不在聚焦镜4的焦点上，离焦量为-X，入射至聚焦镜4的光束与经工件3反射通过聚焦镜4的反射光束成一夹角-U'。
具体进行对焦时，如果工件3在聚焦镜4的焦点上，入射至聚焦镜4的光束与经工件3反射通过聚焦镜4的反射光束平行。
如果工件3不在聚焦镜4的焦点上，工件与焦平面的距离离焦量为X，入射至聚焦镜4的光束与经工件3反射通过聚焦镜4的反射光束与入射光束存在夹角U'，由拉赫不变量以及牛顿形式的放大率公式可以得出：
N*X*U＝-N'*U'*F (1)
式中N和N'分别表示入射空间和折射空间的折射率；F表示聚焦镜4的焦距；U表示经过聚焦镜4后光束在工件3上的反射角。
在空气中，N＝N'，故
X＝U'*F/U (2)
由反射定律：
θ＝U (3)
θ表示经过聚焦镜4后光束在工件3上的入射角。
由相似原理：
U'＝ψ＝X*arcsinNA*D/D0 (4)
式中ψ表示正焦点与离焦时反射光束通过聚焦镜4后的的夹角；NA表示聚焦镜镜头的数值孔径；D表示入射光束偏轴量，D0表示入瞳直径。
第一柱面镜5一维聚焦：当光束入射至第一柱面镜5时，垂直于一维位置敏感传感器6光敏面方向的光束被聚焦，而平行于一维位置敏感传感器6光敏面方向的光束不改变传输方向，则
U'＝ψ＝Y/L2(θ较小) (5)
式中L2表示聚焦镜4与一维位置敏感传感器6的距离，Y为光在一维位置传感器变化的位置。
综合公式(1)、(2)、(3)、(4)和(5)，可以得到：
Y＝X*L2*arcsinNA*D/D0 (6)
典型聚焦镜应用至该系统时，由光路放大原理得到的放大倍数之间的关系如下表：
| 聚焦镜倍率 | 50X | 20X | 10X |
| 光路放大倍数 | 65.2X | 17.9X | 7.8X |
本发明实施例，利用柱面镜的一维聚焦功能，实现在与柱面镜的母线垂直方向将细光束聚焦，易被一维位置敏感传感器接收，同时与在柱面镜的母线平行方向不改变光传输方向，实现离焦量被放大至一维位置敏感传感器显示，达到高精度测量离焦量的目的。
进一步的，发光部分1包括从远离分光镜2一侧到靠近分光镜2一侧依次设置的光源11、第二柱面镜12、球面透镜13和光阑14。
光源11在球面透镜13的焦平面上，与第二柱面镜12的距离小于第二柱面镜12的焦距，第二柱面镜12对光源1发射的光进行聚焦或者准直。
其中光源11为发光二激光或激光光源，出射光束形状可以为椭圆形、矩形或者正方形。
具体实施时，采用光源11衔接第二柱面镜12，第二柱面镜12衔接球面透镜13，球面透镜13衔接光阑14构成，通过改变柱面镜12与球面透镜13之间的距离，调节与柱面镜12母线平行方向的焦点位置，发光部分1在各点的光束图像如附图2和图3所示。出射光束在俩个相对垂直方向上的焦点位置不同。
本发明实施例中，通过分光镜2反射的光束，偏心地入射至聚焦镜4中，其中聚焦镜4为聚焦显微镜或长工作距离聚焦镜。
一维位置敏感传感器6可以为一维PSD(Position Sensitive Detector，光电探测器件)或者线阵CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)，位于第一柱面镜5焦平面上。
一维PSD是由一个具有均匀阻抗表面组成的PIN光电二极管，具有位置分辨率高、反应电流简单、快速等优点。
入射到一维PSD的光点会产生光生电流I0，分别从PSD俩端流出，分别为I1和I2，电流的大小跟光点的能量相关，并满足光点在一维PSD上的位置
Y＝(I1-I2)/(I1+I2)*L/2 (7)
任一光束可以分为多个光点在一维PSD位置的叠加，因此，一维PSD能测量光束的质心位置，跟光束在探测器上的形状无关。
线阵CCD是由多个感光单元线性排列的电荷耦合器件，能实时传输光电变换信号、自扫描速度快、频率响应高等特点。
光束入射到线阵CCD上，通过内部感光单元输出光束的一维位置信息，采用重心法可以算出光束在线阵CCD的位置：
X＝∑i*Vi/∑Vi (8)
进一步的，如图5所示为本发明提供的一种光路放大的自动对焦装置的对焦流程图，由图5可知，本发明实施例中，对焦流程包括：
1)标定焦点位置或者焦点附近位置作为基准位置，记录输出的一维位置敏感传感器6输出的值，把该输出值作为基准值Y0；根据公式(6)标定离焦量X跟一维位置敏感传感器6输出值Y与Y0差值的关系，并设定离焦量小于δX满足对焦要求，并计算出一维位置敏感传感器6满足对焦要求输出值范围Y0+δY。
2)读取一维位置敏感传感器6输出值Y。
3)若Y值在Y0+δY范围内，则工件3相对聚焦镜4的位置Ok。
4)若Y值不在Y0+δY范围内，则根据Y值和公式(6)判断离焦量X的大小，控制电机移动聚焦镜4，使工件3相对聚焦镜4的位置Ok，实现自动对焦。
本发明采用柱面镜一维聚焦特性，实现光路放大的目的，将离焦量放大后进行测量，有利于提高测量的稳定性和精度，并且采用一维位置传感器的响应频率高、精确度好等特点，实现快速准确的测量离焦量，可用于高分辨的动、静态自动对焦。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光路放大的自动对焦装置，其特征在于，所述装置包括：发光部分(1)、分光镜(2)、第一柱面镜(5)和一维位置敏感器(6)；
所述一维位置敏感器(6)、所述第一柱面镜(5)和所述分光镜(2)从上往下依次设置于聚焦镜(4)的正上方；
所述分光镜(2)相对所述聚焦镜(4)倾斜设置，所述发光部分(1)设置在所述分光镜(2)的斜向下面的水平侧；
所述发光部分(1)出射光束经所述分光镜(2)部分反射，通过所述聚焦镜(4)聚焦至所述聚焦镜(4)下方的被测工件(3)上，在所述工件(3)上形成反射光再次通过所述聚焦镜(4)，经所述分光镜(2)部分透射后，经所述柱面镜(5)一维聚焦后，入射到所述一维位置敏感器(6)上；
通过将被测工件(3)在进行自动对焦时的光在所述一维位置敏感器(6)上的位置与所述工件(3)在所述聚焦镜(4)焦点上时光在所述一维位置敏感器(6)的位置对比，判断所述工件(3)是否在所述聚焦镜(4)的焦点上，所述发光部分(1)包括从远离所述分光镜(2)一侧到靠近所述分光镜(2)一侧依次设置的光源(11)、第二柱面镜(12)、球面透镜(13)和光阑(14)；
所述光源(11)在所述球面透镜(13)的焦平面上，与所述第二柱面镜(12)的距离小于所述第二柱面镜(12)的焦距，所述第二柱面镜(12)对光源(11)发射的光进行聚焦或者准直。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源(11)为发光二激光或激光光源；所述出射光束形状为椭圆形、矩形或者正方形。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述聚焦镜(4)为聚焦显微镜或长工作距离聚焦镜；
所述一维位置敏感传感器(6)为一维PSD或者线阵CCD。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述一维位置敏感传感器(6)输出值Y与离焦量X的对应关系公式为：
Y＝X*L2*arcsinNA*D/D0 (6)
其中，L2表示聚焦镜(4)与一维位置敏感传感器(6)的距离，NA表示聚焦镜镜头的数值孔径；D表示入射光束偏轴量，D0表示入瞳直径；
所述装置进行对焦的过程包括：
1)记录输出的一维位置敏感传感器(6)输出的值，把所述输出值作为基准值Y0；根据所述公式6标定所述离焦量X跟所述一维位置敏感传感器(6)输出值Y与Y0差值的关系，设定所述离焦量X小于δX满足对焦要求，计算出所述一维位置敏感传感器(6)满足对焦要求输出值范围Y0+δY；
2)读取所述被测工件(3)在进行自动对焦时一维位置敏感传感器(6)输出值Y；若Y值在Y0+δY范围内，则所述被测工件(3)相对所述聚焦镜(4)的位置Ok；若Y值不在Y0+δY范围内，则根据Y值和所述公式6判断所述离焦量X的大小，控制电机移动所述聚焦镜(4)，使所述被测工件(3)相对所述聚焦镜(4)的位置Ok，实现自动对焦。
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