CN113670438B - 一种小型化的光束漂移检测装置及方法 - Google Patents

一种小型化的光束漂移检测装置及方法 Download PDF

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    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam

Abstract

本发明公开了一种小型化的光束漂移检测装置及方法，该装置包括二分之一波片、分束镜、第一位置探测器、四分之一波片、球面反射镜、第二位置探测器，入射光束首先依次通过所述二分之一波片和分束镜，被分解为第一光束与第二光束，所述第一光束入射到所述第一位置探测器的探测面上，所述第二光束依次经过所述四分之一波片和球面反射镜反射后，再经过所述分束镜透射入射到所述第二位置探测器的探测面上。这样降低防漂系统复杂度，实现防漂系统小型化。再采用位置探测器获取光斑位置，进而计算获得入射光束在原坐标系中的位置偏移量和角度偏差量，从而实现高精度光束漂移的检测。

Description

一种小型化的光束漂移检测装置及方法
技术领域
本申请属于超精密光学测量领域，尤其涉及一种小型化的光束漂移检测装置及方法。
背景技术
随着激光技术的不断发展，光学系统的精度要求也在不断地提高，由各种因素综合叠加引起的光束指向漂移问题，逐渐成为激光技术朝高精密发展的阻碍，其中包括平移漂移，角度漂移和随机漂移，并且光束最终的漂移效果是上述所有因素的叠加效果。引起光束漂移的因素复杂且繁多，如外界机械的漂移、系统内空气的扰动、环境温度的变化、光源本身的漂移等。为了提高光束的稳定性，一般将光学系统放置于相对理想的环境，如利用光学平台进行被动减震，减弱外界振动的影响。或通过整体进行温湿度控制，降低温度变化引起的误差，以及采用空间密闭的方式减少气流与灰尘的影响等。然而，一方面高精密的环境控制成本非常高，另一方面由于目前各领域技术的发展都已经接近极限，之前可忽略的微小漂移逐渐阻碍了各技术领域的进一步发展，单纯的环境控制也难以满足需求，光束的漂移成为急需解决的问题。
为了解决光束漂移的问题，国内外学者提出了诸多光束稳定方法。最常用的检测方法是透镜与位置探测器的组合，其利用透镜聚焦效应将角度信息转换成位置信息进行测量，并且由于位置漂移聚焦于同一点，此方法可以去除位置漂移的影响；其次，可利用望远镜系统进行角放大进行测量，但根据亥姆霍兹公式，角放大的同时，光束将以相同倍数缩小，影响测量精度的提高，并且该方法对能量分布的影响也较大，含有难以克服的系统误差；此外，也有学者利用了激光的干涉效应，将入射光束的角度变化转换为光栅条纹位置的变化，将测量精度提高到了0.1 μrad以下，但是该方法只能测量一个维度的角度漂移信息，在光束角度漂移检测中需要运用两套方向垂直的系统进行检测，并且该方案只测量了两个条纹来判断周期变化，容易受到外界干扰的影响。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种小型化的光束漂移检测装置及方法，以解决相关技术中存在的光束漂移的问题，同时降低防漂系统复杂度，实现防漂系统小型化。
根据本申请实施例的第一方面，提供一种小型化的光束漂移检测装置，包括二分之一波片、分束镜、第一位置探测器、四分之一波片、球面反射镜、第二位置探测器，入射光束首先依次通过所述二分之一波片和分束镜，被分解为第一光束与第二光束，所述第一光束入射到所述第一位置探测器的探测面上，所述第二光束依次经过所述四分之一波片和球面反射镜反射后，再经过所述分束镜透射入射到所述第二位置探测器的探测面上；球面反射镜与第二位置探测器的探测面距离等于球面反射镜焦距；
进一步的，所述分束镜对入射光束反射与透射的能量比例为1:1。
进一步的，所述球面反射镜将入射光束聚焦在第二位置探测器的探测面上。
进一步的，所述第一位置探测器和第二位置探测器采用位置探测器或者四象限光电探测器。
根据本申请实施例的第二方面，提供一种小型化的光束漂移检测方法，其特征在于，该方法在第一方面所述的装置中实现，该方法包括：
利用第一位置探测器和第二位置探测器分别获取第一光斑位置
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和第二光 斑位置
Figure 685406DEST_PATH_IMAGE002
；
将所述第一光斑位置和第二光斑位置代入如下公式计算获得入射光束在原坐标系中的位置偏移量和角度偏差量；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）
其中，
Figure 664863DEST_PATH_IMAGE004
为入射光束在原坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE005
平面的位置偏移量，
Figure 509847DEST_PATH_IMAGE006
为入射光束在原 坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE007
平面相对
Figure 967373DEST_PATH_IMAGE008
轴的角度偏移量，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为入射光束在原坐标系
Figure 703117DEST_PATH_IMAGE010
平面相对
Figure 994421DEST_PATH_IMAGE008
轴的角度偏 移量，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为原坐标系原点与第一位置探测器探测面的距离。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请采用二分之一波片和分束镜，将入射光束分解为第一光束与第二光束，所述第一光束入射到所述第一位置探测器的探测面上，所述第二光束依次经过所述四分之一波片和球面反射镜反射后，再经过所述分束镜透射入射到所述第二位置探测器的探测面上，这样降低防漂系统复杂度，实现防漂系统小型化。再采用位置探测器获取光斑位置，进而计算获得入射光束在原坐标系中的位置偏移量和角度偏差量，从而实现高精度光束漂移的检测，可高精密光学系统中光束的实时校正提供技术支持，可以广泛用于超分辨显微成像、高精度激光直写光刻等高精密激光技术中。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种小型化的光束漂移检测装置的结构示意图。
图2是根据一示例性实施例示出的仅存在位置漂移状态下入射光光束空间位置。
图3是根据一示例性实施例示出的仅存在角度漂移状态下入射光光束空间位置。
图4是根据一示例性实施例示出的同时存在位置漂移和角度漂移状态下入射光光束空间位置。
图中，1-二分之一波片，2-分束镜，3-第一位置探测器，4-四分之一波片，5-球面反射镜，6-第二位置探测器。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
图1是根据一示例性实施例示出的一种小型化的光束漂移检测装置的结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供过的一种小型化的光束漂移检测装置包括：二分之一波片1、分束镜2、第一位置探测器3、四分之一波片4、球面反射镜5和第二位置探测器6，入射光束首先依次通过所述二分之一波片1和分束镜2，被分解为第一光束B1与第二光束B2，所述第一光束B1入射到所述第一位置探测器3的探测面上，所述第二光束B2依次经过所述四分之一波片4和球面反射镜5反射后，再经过所述分束镜2透射入射到所述第二位置探测器6的探测面上；球面反射镜5与第二位置探测器6的探测面距离等于球面反射镜5焦距。
由上述实施例可知，本申请采用二分之一波片和分束镜，将入射光束分解为第一光束与第二光束，所述第一光束入射到所述第一位置探测器的探测面上，所述第二光束依次经过所述四分之一波片和球面反射镜反射后，再经过所述分束镜透射入射到所述第二位置探测器的探测面上，这样降低防漂系统复杂度，实现防漂系统小型化。再采用位置探测器获取光斑位置，进而计算获得入射光束在原坐标系中的位置偏移量和角度偏差量，从而实现高精度光束漂移的检测。
本申请入射激光波长为532 nm，二分之一波片为Ø1/2英寸零级二分之一波片WPH05M-532，分束镜为1英寸偏振分束立方体PBS251，位置探测器为四象限位置探测器PDQ80A，四分之一波片Ø1/2英寸零级四分之一波片WPQ05M-532，球面反射镜为焦距50mm的镀银凹面反射镜CM254-050-P01。入射光束首先通过所述二分之一波片1和分束镜2分解为第一光束B1与第二光束B2，分束镜2对入射光束反射与透射的能量比例为1:1。第一光束B1入射到所述第一位置探测器3的探测面上；第二光束B2经过所述四分之一波片4和球面反射镜5反射后，再经过所述分束镜透射入射到所述第二位置探测器6的探测面上。实例中选取CCD作为第一位置探测器3和第二位置探测器6。所以入射到第一位置探测器3和第二位置探测器6上的第一光束B1和第二光束B2的能量分别约为入射光束的1/2。
图2为仅存在位置漂移状态下入射光光束空间位置示意图，定义入射光束在原坐 标系
Figure 589350DEST_PATH_IMAGE005
平面的位置偏移量为
Figure 257092DEST_PATH_IMAGE012
，角度偏移量为0，第一位置探测器3上的第一光斑位置 为
Figure 253867DEST_PATH_IMAGE001
，当入射角度变化很小时，入射角度变化与光斑位置在位置探测器上的坐标关 系的近似公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（1）。
图3为仅存在角度漂移状态下入射光光束空间位置示意图，定义光束与原坐标系 的位置偏移量为0，角度偏移量为
Figure 309548DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 798298DEST_PATH_IMAGE006
为入射光束在原坐标系
Figure 863206DEST_PATH_IMAGE007
平面相对
Figure 977137DEST_PATH_IMAGE008
轴的 角度偏移量，
Figure 875822DEST_PATH_IMAGE009
为入射光束在原坐标系
Figure 851869DEST_PATH_IMAGE010
平面相对
Figure 720468DEST_PATH_IMAGE008
轴的角度偏移量，球面反射镜5焦距为 f，第二位置探测器6上的第二光斑位置为
Figure 98359DEST_PATH_IMAGE002
，当入射角度变化很小时，入射角度变化 与光斑位置在位置探测器上的坐标关系的近似公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（2）。
图4为同时存在位置漂移和角度漂移状态入射光光束空间位置示意图，定义入射 光束在原坐标系
Figure 761422DEST_PATH_IMAGE005
平面的位置偏移量为
Figure 959185DEST_PATH_IMAGE012
，角度偏移量为
Figure 631475DEST_PATH_IMAGE014
，球面反射镜5焦距 为f，原坐标系原点与第一位置探测器3探测面的距离为
Figure 598294DEST_PATH_IMAGE016
第一位置探测器3上的第一光斑 位置为
Figure 228995DEST_PATH_IMAGE001
，第二位置探测器6上的第二光斑位置为
Figure 648475DEST_PATH_IMAGE002
，当入射角度变化很小时， 入射角度变化与光斑位置在位置探测器上的坐标关系的近似公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
（3）。
所以利用位置探测器获取两处光斑位置，再利用公式（2）计算获得入射光角度变 化的实际值，再利用公式（3）计算获得入射光位置变化的实际值，从而实现入射光束漂移的 高精度检测。光束抖动1
Figure 858877DEST_PATH_IMAGE018
rad对应第一位置探测器与第二位置探测器的变化约为0.040
Figure 680202DEST_PATH_IMAGE018
m和0.050
Figure 481805DEST_PATH_IMAGE018
m。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (3)

1.一种小型化的光束漂移检测方法，其特征在于，该方法在小型化的光束漂移检测装置中实现，所述小型化的光束漂移检测装置包括二分之一波片（1）、分束镜（2）、第一位置探测器（3）、四分之一波片（4）、球面反射镜（5）、第二位置探测器（6），入射光束首先依次通过所述二分之一波片（1）和分束镜（2），被分解为第一光束（B1）与第二光束（B2），所述第一光束（B1）入射到所述第一位置探测器（3）的探测面上，所述第二光束（B2）依次经过所述四分之一波片（4）和球面反射镜（5）反射后，再经过所述分束镜（2）透射入射到所述第二位置探测器（6）的探测面上；球面反射镜（5）与第二位置探测器（6）的探测面距离等于球面反射镜（5）焦距；
该方法包括：
利用第一位置探测器（3）和第二位置探测器（6）分别获取第一光斑位置
Figure 831082DEST_PATH_IMAGE001
和第二 光斑位置
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
将所述第一光斑位置
Figure 73188DEST_PATH_IMAGE001
和第二光斑位置
Figure 384084DEST_PATH_IMAGE002
代入如下公式计算获得入射光 束在原坐标系中的位置偏移量和角度偏差量；其中当入射角度变化很小时，入射角度变化 与光斑位置在位置探测器上的坐标关系的近似公式如下：
Figure 576031DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为入射光束在原坐标系
Figure 718299DEST_PATH_IMAGE005
平面的位置偏移量，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为入射光束在原坐标 系
Figure 603079DEST_PATH_IMAGE007
平面相对
Figure DEST_PATH_IMAGE008
轴的角度偏移量，
Figure 198008DEST_PATH_IMAGE009
为入射光束在原坐标系
Figure DEST_PATH_IMAGE010
平面相对
Figure 724804DEST_PATH_IMAGE008
轴的角度偏移 量，
Figure 924842DEST_PATH_IMAGE011
为原坐标系原点与第一位置探测器（3）探测面的距离。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分束镜（2）对入射光束反射与透射的能量比例为1:1。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一位置探测器（3）和第二位置探测器（6）采用位置探测器或者四象限光电探测器。
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