CN113075789B - 光学反射系统入射光角度精准调节方法及装置 - Google Patents

Abstract

光学反射系统入射光角度精准调节方法及装置。本发明涉及石墨烯折射率传感系统、SPR传感系统、全内反射棱镜、镜面反射系统等其他光学反射系统，由于整个实验装置固定位置后，想要调整入射光角度，必须要对所有的透镜及其他实验装置的位置进行调整，对实验者造成了不必要的麻烦。本发明在不改变其他透镜和实验装置的基础上，将角度变化用线性平移代替，精密地调整入射光的角度，减少了大量的繁琐工作，使光路的稳定性更高。该装置在系统中加入一个由一维平移台构成的光路调节装置，通过控制一维平移台在光路方向的移动，将位移的变化转换为角度的变化，就可以控制入射点的光线角度，而不用再调整其他装置的位置。

Description

光学反射系统入射光角度精准调节方法及装置

技术领域

本发明涉及光学反射系统，例如石墨烯折射率传感系统、SPR传感系统、全内反射棱镜、镜面反射系统等。主要应用于光学反射系统简易、高精度调节入射光角度。

背景技术

光学系统是指由透镜、反射镜、棱镜和光阑等多种光学元件按一定次序组合成的系统，通常用来成像或做光学信息处理。反射系统是在光学系统中不可或缺的一部分。现有的光学系统中，如石墨烯折射率传感系统、SPR传感系统、全内反射棱镜、镜面反射系统等都存在光学反射系统，由于整个实验系统的装置要求非常严格，一旦固定位置后，想要调整入射光的角度，必须要对其他的透镜及实验装置的位置进行调整，调整过程繁琐，对实验者造成了不必要的麻烦。因此，调整反射系统入射光角度的方法还需改进。

发明内容

本发明目的是提供一种光学反射系统入射光角度精准调节方法及装置。解决光学反射系统入射角的精准调节问题。

本发明首次提出一种光学反射系统入射光角度精准调节方法及装置，在不改变其他透镜和实验装置的基础上，将角度变化用线性平移代替，精密地调整入射光的角度，减少了大量的繁琐工作，使光路的稳定性更高。其方法为在系统中加入一个一维平移台，通过控制一维平移台在光路方向的移动，将位移的变化转换为角度的变化，来控制入射点的光线角度，而不用再调整其他装置的位置。

本发明的技术方案

一种光学反射系统入射光角度精准调节装置，装置包括激光器(1)，以及沿激光光路顺次设置的第一平面反射镜(2)、第二平面反射镜(3)、第一双凸透镜(4)、第三平面反射镜(5)，第二双凸透镜(6)，经第二双凸透镜的光束照射到光学反射系统(7)，其中第二平面反射镜和第一双凸透镜固定在一维平移台上组成光路调节装置(10)，经光学反射系统的反射光路上还包括顺次设置的第三双凸透镜(8)和第四平面反射镜(9)。

本发明中，入射点的光线角度可以精确调整，且入射光点位置不变；将角度变化用线性平移长度代替，其他装置位置保持不变。

所述第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦距相等且共焦点，焦点在光学反射系统的反射面所在的平面上；第一双凸透镜与第二双凸透镜共焦点且共焦面；第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜的中心均在光轴上并且双凸透镜主面均垂直于光轴方向；一维平移台移动方向为沿第一平面反射镜和第二平面反射镜之间光线传播方向移动。

所述第四平面反射镜位于第三双凸透镜的焦面上，且第四平面反射镜所在的面与第二双凸透镜的焦面互为共轭面，第四平面反射镜垂直于光轴。

本发明同时提供了光学反射系统入射光角度精准调节方法，调节步骤如下：

第1步、激光器发射的探测光束分别由第一平面反射镜、第二平面反射镜反射后进入光路调节装置，然后会聚于第二双凸透镜与第一双凸透镜共同的焦面上，再经第二双凸透镜后为准直光束入射到光学反射系统，且入射点位置不随入射角变化而变化。

第2步、从光学反射系统反射的光经第三双凸透镜后到达第四平面反射镜，第四平面反射镜位于第三双凸透镜的焦面上，由于第四平面反射镜与第二双凸透镜的焦面互为共轭面、第二双凸透镜与第三双凸透镜焦距相等，所以光线经过第四平面反射镜反射后再原路返回，经过第三双凸透镜后再次成为准直光束，与原入射光线相同的传播路径再次经过光学反射系统的反射面，实现原路返回。

第3步、当一维平移台沿第一平面反射镜和第二平面反射镜之间光线传播方向向上移动时，准直光束经第一双凸透镜后会聚于第一双凸透镜与第二双凸透镜的共焦面上，且会聚点也会在共焦面上向上移动；根据双凸透镜成像规律，聚焦光束经过第二双凸透镜后变为准直光束，且光束中心经过第二双凸透镜的焦点，该焦点也是第三双凸透镜的焦点，也是光线的入射点，此时入射角度增大，入射点的位置始终不变；准直光束又经过反射系统反射后到达第三双凸透镜，会聚到第三双凸透镜的后焦面上，在后焦面上的移动距离与第一双凸透镜和第二双凸透镜的共焦面上会聚光束的移动距离相等；第四平面反射镜位于第三双凸透镜的后焦面上，与第一双凸透镜和第二双凸透镜的共焦面共轭，因此光线经过第四平面反射镜反射后依然保持可以原路返回；经过第三双凸透镜后再次成为准直光束，与原入射光线相同的传播路径再次经过光学反射系统的反射面，反射角增大，入射光点的位置也保持不变，实现原路返回。入射光角度变化与线性平移台位移量满足特性数学关系，因此在调整入射光角度时，只需沿第一平面反射镜和第二平面反射镜之间光线传播方向移动一维平移台，直至达到所要求的入射光角度。

其中，一维平移台步长与入射角度对应关系的计算方法如下：

根据前面所述各个装置的位置关系，便可以通过控制一维平移台沿入射光路方向的移动，达到控制入射角度的效果。装置中设第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦距为f，可以算出光线平移距离与角度变化的关系：

其中，θ为入射光线或反射光线角度的变化量，d为平移台移动的距离，f为第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦距。对等式两边取微分：

所以：

在光路的近轴区域，有cos²θ≈1，可以近似算出光线平移距离与角度变化的关系：

这样在近轴区域，Δθ与Δd之间近似为正比例的变化关系，我们可以直接通过控制一维平移台的移动距离就能知道角度改变的大小。

本发明的优点和有益效果

本发明利用了光学反射系统的优点，首次提出了由一维平移台的移动距离变化代替入射角角度的变化，在不改变其他透镜和实验装置位置的基础上，精密地调整入射光的角度，减少了大量的繁琐工作，提高了测量精度和整个系统的稳定性。还可以利用该技术，实现动态扫描过程。该技术的应用有助于光学反射系统的实用化和商用化。

附图说明：

图1光学反射系统入射光角度精准调节装置示意图。

图2光学反射系统入射光角度精准调节装置示意图(角度调节后)。

图3石墨烯基折射率传感器入射光角度精准调节系统示意图。

图4石墨烯基折射率传感器入射光角度精准调节系统示意图(角度调节后)。

图5平移台移动距离与角度变化关系图。

其中，1-激光器；2-第一平面反射镜；3-第二平面反射镜；4-第一双凸透镜；5-第三平面反射镜；6-第二双凸透镜；7-光学反射系统；8-第三双凸透镜；9-第四平面反射镜；10-光路调节装置；11-1/4波片；12-分光棱镜；13-第四双凸透镜；14-偏振分光棱镜；15-第一平衡探测器接收端口；16-第二平衡探测器接收端口；17-BK7玻璃基底；18-PDMS；19-石墨烯；20-微流腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例1：

一、一种光学反射系统入射光角度精准调节装置，装置如图1(角度调节前)、图2(角度调节后)所示。该装置包括一个激光器(1)，以及沿激光光路顺次设置的第一平面反射镜(2)、第二平面反射镜(3)、第一双凸透镜(4)、第三平面反射镜(5)，第二双凸透镜(6)，经第二双凸透镜的光束照射到光学反射系统(7)，其中第二平面反射镜(3)和第一双凸透镜(4)固定在一维平移台上组成光路调节装置(10)，经光学反射系统的反射光路上还包括顺次设置的第三双凸透镜(8)和第四平面反射镜(9)。

所述第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦距相等且共焦点，焦点在光学反射系统的反射面所在的平面上；第一双凸透镜与第二双凸透镜共焦点且共焦面；第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜的中心均在光轴上并且双凸透镜所在面均垂直于光线传播方向；一维平移台移动方向为沿入射光路方向移动。所述第四平面反射镜位于第三双凸透镜的焦面上，且第四平面反射镜所在的面与第二双凸透镜的焦面互为共轭面。

二、本发明光学反射系统入射光角度精准调节方法步骤如下：

步骤1、首先搭建实验装置，将光学反射系统入射光角度精准调节装置放到石墨烯折射率传感系统，构成石墨烯基折射率传感器入射光角度精准调节系统，如附图3(角度调节前)、图4(角度调节后)所示。其中2、3、5、9均为平面反射镜；4、6、8、13均为双凸透镜，13和4的焦距均为120mm，6和8的焦距均为60mm；12为50:50的分光棱镜(BS)；14为偏振分光棱镜(PBS)，可以将入射光线分为p光和s光并从不同的方向出射；10为光路调节装置，是3和4固定在一维平移台上构成，3、4的移动方向和距离与一维平移台的移动方向和距离完全相同；15和16为平衡探测器的两个接收端口，平衡探测器可以自动将两个接收端口作差分处理后输出信号。

步骤2、示意图中的光源Laser(1)经过1/4波片(11)后变为圆偏振光，光线经分光棱镜(12)分光后被第一平面反射镜(2)反射，一维平移台的移动方向为沿光路方向移动，所以移动平移台并不改变光线的反射角度，第一双凸透镜(4)与第二双凸透镜(6)为共焦点并且共焦面，第二双凸透镜(6)与第三双凸透镜(8)共焦点，第四平面反射镜(9)位于第三双凸透镜(8)的焦面上，石墨烯(19)位于第二双凸透镜(6)与第三双凸透镜(8)的焦点所在面上，第一双凸透镜(4)、第二双凸透镜(6)、第三双凸透镜(8)、第四双凸透镜(13)的中心均在光轴上并且其所在面垂直于光线传播方向，这样通过控制一维平移台的上下移动，可以控制光路的移动，从而可以控制入射到微流芯片的角度。并且光束可以经第四平面反射镜(9)反射后原路返回，在BS(12)处分光后再经PBS(14)偏振分光后进入平衡探测器采集(15)(16)，平衡探测器的输出经过数据采集卡与计算机连接。

步骤3、全反射系统及生物折射率传感器由棱镜(17)、石墨烯(19)和微流槽(20)组成，棱镜的折射率为1.517，采用CVD法制备10层石墨烯，采用PDMS注塑方法制作微流腔，被测液体材料通过导管连接微流泵注入到微流腔中。探测光线以略大于临界角入射到石墨烯界面。假设被测液体的折射率为1.33，则可以计算出临界角为

步骤4、移动一维平移台，根据一维平移台移动的距离，观察入射角度的变化。设角度Δθ₀＝0.5°所对应的平移台位置为零点，f＝60mm，则一维平移台移动的距离即光线平移距离与角度变化的关系：

图5所示为平移台移动距离与角度变化关系图，由图可知，一维平移台移动距离与角度变化成线性关系，一维平移台的移动精度为0.001mm，对于角度可以精准的控制。

Claims (9)

1.一种光学反射系统入射光角度精准调节装置，其特征在于：该装置包括激光器(1)，以及沿激光光路顺次设置的第一平面反射镜(2)、第二平面反射镜(3)、第一双凸透镜(4)、第三平面反射镜(5)，第二双凸透镜(6)，经第二双凸透镜的光束照射到光学反射系统(7)，其中第二平面反射镜和第一双凸透镜固定在一维平移台上组成光路调节装置(10)，经光学反射系统的反射光路上还包括顺次设置的第三双凸透镜(8)和第四平面反射镜(9)。

2.根据权利要求1所述光学反射系统入射光角度精准调节装置，其特征在于：所述第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦距相等且共焦点。

3.根据权利要求2所述光学反射系统入射光角度精准调节装置，其特征在于：所述两个双凸透镜的焦点在光学反射系统的反射面上。

4.根据权利要求1所述光学反射系统入射光角度精准调节装置，其特征在于：所述第一双凸透镜与第二双凸透镜共焦点且共焦面。

5.根据权利要求1所述光学反射系统入射光角度精准调节装置，其特征在于：第一双凸透镜、第二双凸透镜、第三双凸透镜的中心均在光轴上并且双凸透镜主面均垂直于光轴方向。

6.根据权利要求1所述光学反射系统入射光角度精准调节装置，其特征在于：所述第四平面反射镜位于第三双凸透镜的焦面上，且第四平面反射镜所在的面与第二双凸透镜的焦面互为共轭面。

7.根据权利要求1至6任一项所述的光学反射系统入射光角度精准调节装置，其特征在于：一维平移台的移动方向为沿第一平面反射镜和第二平面反射镜之间光线传播方向。

8.一种基于权利要求1所述光学反射系统入射光角度精准调节装置的调节方法，其特征在于：该调节方法的步骤如下：

第1步、激光器发射的探测光束分别由第一平面反射镜、第二平面反射镜反射后进入光路调节装置，然后会聚于第二双凸透镜与第一双凸透镜共同的焦面上，再经第二双凸透镜后为准直光束入射到光学反射系统，且入射点位置不随入射角变化而变化；

第2步、从光学反射系统反射的光束经第三双凸透镜后到达第四平面反射镜，第四平面反射镜位于第三双凸透镜的焦面上，由于第四平面反射镜的面与第二双凸透镜的焦面互为共轭面、第二双凸透镜与第三双凸透镜焦距相等，所以光线经过第四平面反射镜反射后再原路返回，经过第三双凸透镜后再次成为准直光束，与原入射光线相同的传播路径再次经过光学反射系统的反射面，实现原路返回；

第3步、沿入射光路方向移动光路调节装置中的一维平移台，直至达到所要求的入射光角度。

9.根据权利要求8所述的光学反射系统入射光角度精准调节方法，其特征在于：一维平移台步长与入射角度对应关系的计算方法如下：

设装置中第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦距为f，可以算出光线平移距离与角度变化的关系：

其中，θ为入射光线或反射光线角度的变化量，d为平移台移动的距离，f为第二双凸透镜和第三双凸透镜的焦距；对等式两边取微分：

所以：

在光路的近轴区域，有cos²θ≈1，可以近似算出光线平移距离与角度变化的关系：

这样在近轴区域，Δθ与Δd之间近似为正比例的变化关系，通过控制一维平移台的移动距离就能够知道入射光线或反射光线角度改变的大小，进而得到入射光角度，所以对于角度能够精确的控制。

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