CN106707479B - 椭球面反射镜远焦点高精度定位装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明椭球面反射镜远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；该装置包括由激光器等光学元件组成的搭接光路，还包括椭球面反射镜等；该方法首先使图像传感器有效成像，然后调整六自由度工作台，获取一系列光斑的强度信息和圆度信息，再将上述信息合并成一个评价函数，建立自由度‑评价函数表，并在表中找到评价函数的极值，以及该极值所对应的自由度，最后根据极值所对应的自由度，调整六自由度工作台，使聚焦物镜的焦点和椭球面反射镜的远焦点重合；本发明充分利用椭球面反射镜双焦点共轭的特殊性质，通过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，实现对椭球面反射镜进行精确定位。

Description

椭球面反射镜远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远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远焦点高精度定位装置与方法，充分利用椭球面反射镜双焦点共轭的特殊性质，通过提供一种定位椭球面反射镜远焦点的技术手段，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。
本发明的目的是这样实现的：
一种椭球面反射镜远焦点高精度定位装置，包括由激光器、准直扩束器、衰减片、图像传感器、管镜、分光镜、平面反射镜和聚焦物镜组成的搭接光路，还包括椭球面反射镜；所述搭接光路置于六自由度工作台上，平面反射镜与六自由度工作台成45度角，所述椭球面反射镜单独固定在聚焦物镜的上方，聚焦物镜的焦点与椭球面反射镜截面椭圆形的远焦点重合；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，再次经过聚焦物镜汇聚、平面反射镜反射、分光镜反射、管镜汇聚后，由图像传感器成像。
一种在上述椭球面反射镜远焦点高精度定位装置上实现的椭球面反射镜远焦点高精度定位方法，包括以下步骤：
步骤a、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b、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c、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d、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e、根据极值所对应的自由度，调整六自由度工作台，使聚焦物镜的焦点和椭球面反射镜的远焦点重合。
上述椭球面反射镜远焦点高精度定位方法，所述步骤b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。
上述椭球面反射镜远焦点高精度定位方法，步骤c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。
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；
以上三个关键技术环节相互作用，缺一不可，充分利用椭球面反射镜双焦点共轭的特殊性质，通过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，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远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图像传感器、5管镜、6分光镜、7平面反射镜、8聚焦物镜、9椭球面反射镜、10六自由度工作台。
具体实施例
下面结合附图对本发明具体实施例做进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例是椭球面反射镜远焦点高精度定位装置实施例。
本实施例的椭球面反射镜远焦点高精度定位装置，结构示意图如图1所示。该椭球面反射镜远焦点高精度定位装置包括由激光器1、准直扩束器2、衰减片3、图像传感器4、管镜5、分光镜6、平面反射镜7和聚焦物镜8组成的搭接光路，还包括椭球面反射镜9；所述搭接光路置于六自由度工作台10上，平面反射镜7与六自由度工作台10成45度角，所述椭球面反射镜9单独固定在聚焦物镜8的上方，聚焦物镜8的焦点与椭球面反射镜9截面椭圆形的远焦点重合；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，由图像传感器4成像。
具体实施例二
本实施例是椭球面反射镜远焦点高精度定位方法实施例。
本实施例的椭球面反射镜远焦点高精度定位方法，在具体实施例一所述椭球面反射镜远焦点高精度定位装置上实现。
该椭球面反射镜远焦点高精度定位方法，包括以下步骤：
步骤a、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b、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c、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d、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e、根据极值所对应的自由度，调整六自由度工作台10，使聚焦物镜8的焦点和椭球面反射镜9的远焦点重合。
具体实施例三
本实施例是椭球面反射镜远焦点高精度定位方法实施例。
本实施例的椭球面反射镜远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。
具体实施例四
本实施例是椭球面反射镜远焦点高精度定位方法实施例。
本实施例的椭球面反射镜远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c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。

Claims (4)

1.一种椭球面反射镜远焦点高精度定位装置，其特征在于，包括由激光器(1)、准直扩束器(2)、衰减片(3)、图像传感器(4)、管镜(5)、分光镜(6)、平面反射镜(7)和聚焦物镜(8)组成的搭接光路，还包括椭球面反射镜(9)；所述搭接光路置于六自由度工作台(10)上，平面反射镜(7)与六自由度工作台(10)成45度角，所述椭球面反射镜(9)单独固定在聚焦物镜(8)的上方，聚焦物镜(8)的焦点与椭球面反射镜(9)截面椭圆形的远焦点重合；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)反射以及聚焦物镜(8)汇聚后，照射到椭球面反射镜(9)的内表面；照射到椭球面反射镜(9)内表面的光束被椭球面反射镜(9)两次反射，再次经过聚焦物镜(8)汇聚、平面反射镜(7)反射、分光镜(6)反射、管镜(5)汇聚后，由图像传感器(4)成像。
2.一种在权利要求1所述椭球面反射镜远焦点高精度定位装置上实现的椭球面反射镜远焦点高精度定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、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b、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c、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d、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e、根据极值所对应的自由度，调整六自由度工作台(10)，使聚焦物镜(8)的焦点和椭球面反射镜(9)的远焦点重合。
3.根据权利要求2所述的椭球面反射镜远焦点高精度定位方法，其特征在于，所述步骤b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远焦点高精度定位方法，其特征在于，步骤c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。
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