CN106597632B - 椭球面反射镜近焦点高精度定位装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明椭球面反射镜近焦点高精度定位装置与方法属于光学共焦显微技术领域和光学精密测量领域；该装置由用于对椭球面反射镜远焦点高精度定位的下光路，以及用于对椭球面反射镜远焦点高精度定位的上光路组成；该方法首先利用下光路进行椭球面反射镜远焦点定位，然后利用上光路进行椭球面反射镜近焦点定位；本发明首先充分利用椭球面反射镜双焦点共轭的特殊性质，提供一种定位椭球面反射镜远焦点的技术手段，然后通过成像技术手段，实现对椭球面反射镜近焦点高精度定位，为精密装调椭球面反射镜提供技术手段，减小椭球面反射镜的慧差和像散，对椭球面反射镜在光学共焦显微技术领域和光学精密测量领域中的应用和发展起到促进作用。

Description

椭球面反射镜近焦点高精度定位装置与方法

技术领域

本发明椭球面反射镜近焦点高精度定位装置与方法属于光学共焦显微技术领域和光学精密测量领域。

背景技术

随着显微技术的发展，反射式显微成像系统越来越受到重视。能够在大数值孔径角下实现成像的结构分别是：抛物反射镜、双曲线反射镜和椭球面反射镜。理想情况下，椭球面反射镜具有数值孔径大和对比度强的优点，在光学共焦显微技术领域和光学精密测量领域中具有广泛的应用前景和商业价值。

然而，由于椭球面反射镜的收集孔径角非常大，因此对装调精度要求极高，当点源与椭球面反射镜远焦点在径向稍有偏离时，就会引起较大的慧差和像散，因此，要想发挥椭球面反射镜数值孔径大和对比度强的优点，需要对椭球面反射镜进行精密装调。

发明内容

在光学共焦显微技术领域和光学精密测量领域中，针对椭球面反射镜精密装调的技术需求，本发明公开了一种椭球面反射镜近焦点高精度定位装置与方法，首先充分利用椭球面反射镜双焦点共轭的特殊性质，提供一种定位椭球面反射镜远焦点的技术手段，然后通过成像技术手段，实现对椭球面反射镜近焦点高精度定位；本发明为精密装调椭球面反射镜提供技术手段，减小椭球面反射镜的慧差和像散，对椭球面反射镜在光学共焦显微技术领域和光学精密测量领域中的应用和发展起到促进作用。

本发明的目的是这样实现的：

椭球面反射镜近焦点高精度定位装置，包括激光器、准直扩束器、衰减片、远焦点CCD、管镜、分光镜、平面反射镜、远焦点聚焦物镜、椭球面反射镜、镀膜样品、连接台、近焦点聚焦物镜、压电陶瓷、X-Y轴精密驱动台、近焦点CCD和六自由度工作台；

激光器、准直扩束器、衰减片、远焦点CCD、管镜、分光镜、平面反射镜和远焦点聚焦物镜组成下光路，设置在六自由度工作台上；其中，平面反射镜与六自由度工作台成45度角；激光器发出的激光束经过准直扩束器后形成平行光，再经过衰减片衰减、分光镜透射、平面反射镜反射以及远焦点聚焦物镜汇聚后，照射到椭球面反射镜的内表面；被椭球面反射镜两次反射的光束，再次经过远焦点聚焦物镜汇聚、平面反射镜反射、分光镜反射、管镜汇聚后，由远焦点CCD成像；

椭球面反射镜、连接台、近焦点聚焦物镜、压电陶瓷、X-Y轴精密驱动台和近焦点CCD组成上光路，单独设置在远焦点聚焦物镜的上方；镀膜样品设置在近焦点聚焦物镜下方。

一种在上述椭球面反射镜近焦点高精度定位装置上实现的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，包括以下步骤：

步骤a、进行椭球面反射镜远焦点定位；

步骤b、在步骤a的基础上，进行椭球面反射镜近焦点定位。

上述椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，步骤a包括以下步骤：

步骤a1、开启激光器，并用衰减片对从准直扩束器出射的平行光束进行强度衰减，使图像传感器能够有效成像；

步骤a2、不断调整六自由度工作台，获取图像传感器在不同自由度下采集得到光斑的强度信息和圆度信息；

步骤a3、将光斑的强度信息和圆度信息合并成一个评价函数，建立自由度-评价函数表；

步骤a4、找到评价函数的极值，并从自由度-评价函数表中找到极值所对应的自由度；

步骤a5、根据极值所对应的自由度，调整六自由度工作台，使远焦点聚焦物镜的焦点和椭球面反射镜的远焦点重合。

进一步，步骤a2具体为：将六个自由度分别设定有N1、N2、N3、N4、N5、N6个离散数值，对这六组数值进行排列组合，得到N1×N2×N3×N4×N5×N6种组合，分别在每一种组合下，得到光斑的强度信息和圆度信息。

进一步，步骤a3所述的评价函数为：评价函数＝k1×光斑光强最大值+k2×圆度误差；式中，k1和k2为系数。

上述椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，步骤b包括以下步骤：

步骤b1、保持上光路和下光路的位置相对固定，将光路进行上下调节，直到在近焦点CCD上能够分辨出样品；

步骤b2、调节压电陶瓷和X-Y轴精密驱动台，直到在近焦点CCD上的光斑对比度达到极大值，此时镀膜样品位于椭球面反射镜的近焦点处，完成对椭球面反射镜近焦点的定位。

有益效果：

本发明实现了对椭球面反射镜进行精确定位，具体体现在以下方面：

第一、本发明通过控制六自由度工作台的姿态，实现椭球面反射镜远焦点与远焦点聚焦物镜的焦点重合，这是本发明实现对椭球面反射镜进行精确定位的第一个关键技术环节；

第二、本发明利用椭球面反射镜双焦点共轭性质，即利用从远焦点入射的光束还能从远焦点出射的性质，增加图像传感器、管镜和分光镜，实现成像光路的集成，这是本发明实现对椭球面反射镜进行精确定位的第二个关键技术环节；

第三、在成像光路中，将椭球面反射镜远焦点与远焦点聚焦物镜的焦点位置对应关系转化为光斑信息，利用光斑的强度信息和圆度信息来判断是否对准，这是本发明实现对椭球面反射镜进行精确定位的第三个关键技术环节；

在以上三个关键技术环节相互作用下，充分利用椭球面反射镜双焦点共轭的特殊性质，提供一种利用成像光斑信息来定位椭球面反射镜远焦点的技术手段，为椭球面反射镜近焦点高精度定位奠定坚实的前期基础；

在以上三个关键技术环节的基础上，加入另一组成像光路，将椭球面反射镜近焦点位置转化为光斑信息，利用光斑的对比度信息来判断是否对准，这是本发明实现对椭球面反射镜进行精确定位的第四个关键技术环节；

以上四个关键技术环节，相互作用，缺一不可，共同实现对椭球面反射镜进行精确定位，进而为精密装调椭球面反射镜提供技术手段，减小椭球面反射镜的慧差和像散，对椭球面反射镜在光学共焦显微技术领域和光学精密测量领域中的应用和发展起到促进作用。

附图说明

图1是本发明椭球面反射镜近焦点高精度定位装置的结构示意图。

图中：1激光器、2准直扩束器、3衰减片、4远焦点CCD、5管镜、6分光镜、7平面反射镜、8远焦点聚焦物镜、9椭球面反射镜、10镀膜样品、11连接台、12近焦点聚焦物镜、13压电陶瓷、14X-Y轴精密驱动台、15近焦点CCD、16六自由度工作台。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是椭球面反射镜近焦点高精度定位装置实施例。

本实施例的椭球面反射镜近焦点高精度定位装置，结构示意图如图1所示。该椭球面反射镜近焦点高精度定位装置包括激光器1、准直扩束器2、衰减片3、远焦点CCD4、管镜5、分光镜6、平面反射镜7、远焦点聚焦物镜8、椭球面反射镜9、镀膜样品10、连接台11、近焦点聚焦物镜12、压电陶瓷13、X-Y轴精密驱动台14、近焦点CCD15和六自由度工作台16；

激光器1、准直扩束器2、衰减片3、远焦点CCD4、管镜5、分光镜6、平面反射镜7和远焦点聚焦物镜8组成下光路，设置在六自由度工作台16上；其中，平面反射镜7与六自由度工作台10成45度角；激光器1发出的激光束经过准直扩束器2后形成平行光，再经过衰减片3衰减、分光镜6透射、平面反射镜7反射以及远焦点聚焦物镜8汇聚后，照射到椭球面反射镜9的内表面；被椭球面反射镜9两次反射的光束，再次经过远焦点聚焦物镜8汇聚、平面反射镜7反射、分光镜6反射、管镜5汇聚后，由远焦点CCD4成像；

椭球面反射镜9、连接台11、近焦点聚焦物镜12、压电陶瓷13、X-Y轴精密驱动台14和近焦点CCD15组成上光路，单独设置在远焦点聚焦物镜8的上方；镀膜样品10设置在近焦点聚焦物镜12下方。

具体实施例二

本实施例是椭球面反射镜近焦点高精度定位方法实施例。

本实施例的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，在具体实施例一所述的椭球面反射镜近焦点高精度定位装置上实现，该方法包括以下步骤：

步骤a、进行椭球面反射镜远焦点定位；

步骤b、在步骤a的基础上，进行椭球面反射镜近焦点定位。

具体实施例三

本实施例是椭球面反射镜近焦点高精度定位方法实施例。

本实施例的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，在具体实施例二的基础上，进一步限定步骤a包括以下步骤：

步骤a1、开启激光器1，并用衰减片3对从准直扩束器2出射的平行光束进行强度衰减，使图像传感器4能够有效成像；

步骤a2、不断调整六自由度工作台10，获取图像传感器4在不同自由度下采集得到光斑的强度信息和圆度信息；

步骤a3、将光斑的强度信息和圆度信息合并成一个评价函数，建立自由度-评价函数表；

步骤a4、找到评价函数的极值，并从自由度-评价函数表中找到极值所对应的自由度；

步骤a5、根据极值所对应的自由度，调整六自由度工作台10，使远焦点聚焦物镜8的焦点和椭球面反射镜9的远焦点重合。

本实施例，为先进行的椭球面反射镜远焦点定位提供技术手段。

具体实施例四

本实施例是椭球面反射镜近焦点高精度定位方法实施例。

本实施例的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤a2具体为：将六个自由度分别设定有N1、N2、N3、N4、N5、N6个离散数值，对这六组数值进行排列组合，得到N1×N2×N3×N4×N5×N6种组合，分别在每一种组合下，得到光斑的强度信息和圆度信息。

本实施例为如何获得系列强度信息和圆度信息提供了一种具体的技术手段。

具体实施例五

本实施例是椭球面反射镜近焦点高精度定位方法实施例。

本实施例的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，在具体实施例三的基础上，进一步限定步骤a3所述的评价函数为：评价函数＝k1×光斑光强最大值+k2×圆度误差；式中，k1和k2为系数。

本实施例为评价函数的计算方法提供了一种具体的技术手段。

具体实施例六

本实施例是椭球面反射镜近焦点高精度定位方法实施例。

本实施例的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，在具体实施例二的基础上，进一步限定步骤b包括以下步骤：

步骤b1、保持上光路和下光路的位置相对固定，将光路进行上下调节，直到在近焦点CCD15上能够分辨出样品；

步骤b2、调节压电陶瓷13和X-Y轴精密驱动台14，直到在近焦点CCD15上的光斑对比度达到极大值，此时镀膜样品10位于椭球面反射镜9的近焦点处，完成对椭球面反射镜近焦点的定位。

本实施例，为如何进行椭球面反射镜近焦点定位提供技术手段。

Claims (4)

1.椭球面反射镜近焦点高精度定位装置，其特征在于，包括激光器(1)、准直扩束器(2)、衰减片(3)、远焦点CCD(4)、管镜(5)、分光镜(6)、平面反射镜(7)、远焦点聚焦物镜(8)、椭球面反射镜(9)、镀膜样品(10)、连接台(11)、近焦点聚焦物镜(12)、压电陶瓷(13)、X-Y轴精密驱动台(14)、近焦点CCD(15)和六自由度工作台(16)；

激光器(1)、准直扩束器(2)、衰减片(3)、远焦点CCD(4)、管镜(5)、分光镜(6)、平面反射镜(7)和远焦点聚焦物镜(8)组成下光路，设置在六自由度工作台(16)上；其中，平面反射镜(7)与六自由度工作台(10)成45度角；激光器(1)发出的激光束经过准直扩束器(2)后形成平行光，再经过衰减片(3)衰减、分光镜(6)透射、平面反射镜(7)反射以及远焦点聚焦物镜(8)汇聚后，照射到椭球面反射镜(9)的内表面；被椭球面反射镜(9)两次反射的光束，再次经过远焦点聚焦物镜(8)汇聚、平面反射镜(7)反射、分光镜(6)反射、管镜(5)汇聚后，由远焦点CCD(4)成像；

椭球面反射镜(9)、连接台(11)、近焦点聚焦物镜(12)、压电陶瓷(13)、X-Y轴精密驱动台(14)和近焦点CCD(15)组成上光路，单独设置在远焦点聚焦物镜(8)的上方；镀膜样品(10)设置在近焦点聚焦物镜(12)下方。

2.一种在权利要求1所述椭球面反射镜近焦点高精度定位装置上实现的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、进行椭球面反射镜远焦点定位；包括以下步骤：

步骤a1、开启激光器(1)，并用衰减片(3)对从准直扩束器(2)出射的平行光束进行强度衰减，使图像传感器(4)能够有效成像；

步骤a2、不断调整六自由度工作台(10)，获取图像传感器(4)在不同自由度下采集得到光斑的强度信息和圆度信息；

步骤a3、将光斑的强度信息和圆度信息合并成一个评价函数，建立自由度-评价函数表；

步骤a4、找到评价函数的极值，并从自由度-评价函数表中找到极值所对应的自由度；

步骤a5、根据极值所对应的自由度，调整六自由度工作台(10)，使远焦点聚焦物镜(8)的焦点和椭球面反射镜(9)的远焦点重合；

步骤b、在步骤a的基础上，进行椭球面反射镜近焦点定位；包括以下步骤：

步骤b1、保持上光路和下光路的位置相对固定，将光路进行上下调节，直到在近焦点CCD(15)上能够分辨出样品；

步骤b2、调节压电陶瓷(13)和X-Y轴精密驱动台(14)，直到在近焦点CCD(15)上的光斑对比度达到极大值，此时镀膜样品(10)位于椭球面反射镜(9)的近焦点处，完成对椭球面反射镜近焦点的定位。

3.根据权利要求2所述的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，其特征在于，步骤a2具体为：将六个自由度分别设定有N1、N2、N3、N4、N5、N6个离散数值，对这六组数值进行排列组合，得到N1×N2×N3×N4×N5×N6种组合，分别在每一种组合下，得到光斑的强度信息和圆度信息。

4.根据权利要求2所述的椭球面反射镜近焦点高精度定位方法，其特征在于，步骤a3所述的评价函数为：评价函数＝k1×光斑光强最大值+k2×圆度误差；式中，k1和k2为系数。