CN114383822B - 用于光学系统调焦调平的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种用于光学系统调焦调平的检测装置，该检测装置沿光路方向依次包括：光源、第一PBS棱镜、1/4波片、测试板、1/2波片、分光棱镜和探测器；其中，光源发射的S偏振光被第一PBS棱镜反射至1/4波片，1/4波片将S偏振光转变为圆偏振光，圆偏振光透过待测光学系统，被测试板反射，再次透过待测光学系统返回进入1/4波片，1/4波片将圆偏振光转变为P偏振光；P偏振光透过第一PBS棱镜进入1/2波片，被1/2波片调整偏振方向后进入分光棱镜；分光棱镜的上半部和下半部分别将调整偏振方向后的P偏振光进行多次反射后于同一出光面输出；探测器检测上半部和下半部输出光的位置，并根据该位置对待测光学系统进行调平。

Description

用于光学系统调焦调平的检测装置及方法

技术领域

本公开涉及光学系统的集成及装调技术领域，具体涉及一种用于光学系统调焦调平的检测装置及方法。

背景技术

光学系统集成过程中，倾斜和不在最佳焦面是常见的问题，因为单纯依靠机械结构定位，必然会存在倾斜、不在最佳焦面等定位误差，而最佳焦面位置通常会放置标记板、探测器等系统重要部件。这些定位误差会导致探测器上接收到的光斑图像信号对比度下降，直接影响系统分辨率，最终降低测量精度，因此，倾斜和最佳焦面的调整是必须解决的问题。

通常，光学系统的倾斜调整是集成后通过测量分析探测器的光斑信号，根据光斑信号来调节光学系统与框架基准面的倾斜，然后再通过其他的测量系统定位光学系统的焦面，焦面测量系统通常需要针对不同的光学系统进行开发定制。因此，这些方法往往需要借助其他多项辅助设备完成，通用性差，成本较高，测量及调整时间较长，具有一定的局限性和不便性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述问题，本公开提供了用于光学系统调焦调平的检测装置及方法，用于至少部分解决传统装置结构复杂、通用性差、成本较高等技术问题。

(二)技术方案

本公开提供了一种用于光学系统调焦调平的检测装置，检测装置沿光路方向依次包括：光源、第一PBS棱镜、1/4波片、测试板、1/2波片、分光棱镜和探测器；其中，光源发射的S偏振光被第一PBS棱镜反射至1/4波片，1/4波片将S偏振光转变为圆偏振光，圆偏振光透过待测光学系统，被测试板反射，再次透过待测光学系统返回进入1/4波片，1/4波片将圆偏振光转变为P偏振光；P偏振光透过第一PBS棱镜进入1/2波片，被1/2波片调整偏振方向后进入分光棱镜；分光棱镜的上半部和下半部分别将调整偏振方向后的P偏振光进行多次反射后于同一出光面输出；探测器检测上半部和下半部输出光的位置，并根据该位置对待测光学系统进行调平。

进一步地，分光棱镜包括胶合连接的上半部和下半部，上半部由直角棱镜、屋脊棱镜组成，下半部由直角棱镜、屋脊棱镜组成，两个直角棱镜之间为分光面。

进一步地，待测光学系统通过第一调节机构固定于基板上；检测装置设置于待测光学系统之上，且两者的主光轴重合。

进一步地，检测装置还包括：调平工装，用于承载测试板，并经过调节使之平行位于待测光学系统的理论焦面处，调平步骤结束后，记录测试板的位置，进行待测光学系统的调焦。

进一步地，调平工装为三角形吊装结构，其三个角上分别设置有柱状结构，每个柱状结构包括基准面、第二调节机构；其中，基准面与基板的下表面相接触。

进一步地，调平工装中间设置有凹槽，用于放置测试板并使之与基板平行。

进一步地，检测装置还包括：三坐标测量机，用于测量每个柱状结构的位置，通过调节第二调节机构使测试板与基板平行。

进一步地，检测装置还包括：三个电容传感器，用于记录测试板的焦面位置；运动台，用于根据记录的焦面位置使得标记板复原到该焦面位置，完成待测光学系统的调焦。

本公开另一方面提供了一种用于光学系统的调焦调平检测方法，应用于前述的用于光学系统调焦调平的检测装置，包括：S1，利用光源发射S偏振光；S2，利用第一PBS棱镜对S偏振光进行反射；S3，利用1/4波片使反射的S偏振光转变为圆偏振光，并沿待测光学系统的主光轴传输、经测试板反射后回到1/4波片，继续使圆偏振光转变为P偏振光；S4，利用1/2波片调整直接透过第一PBS棱镜后的P偏振光的偏振方向；S5，利用分光棱镜的上半部和下半部分别将调整偏振方向后的P偏振光进行多次反射后并于同一出光面输出；S6，利用探测器检测上半部和下半部输出光的位置，并根据该位置对待测光学系统进行调平；S7，利用调平工装承载测试板并经过调节使之平行位于待测光学系统的理论焦面处；调平步骤结束后，记录测试板的位置，对待测光学系统进行调焦。

进一步地，步骤S6中根据该位置对待测光学系统进行调平包括：利用三坐标测量机测量调平工装的每个柱状结构的位置，通过调节调平工装的第二调节机构使测试板与基板平行；步骤S7中对待测光学系统进行调焦包括：利用三个电容传感器记录测试板的焦面位置；利用运动台根据记录的焦面位置使得标记板复原到该焦面位置，完成待测光学系统的调焦。

(三)有益效果

本公开提供的用于光学系统调焦调平的检测装置及方法，基于分光棱镜的成像原理，通过配合使用第一PBS棱镜、分光棱镜、1/4波片、1/2波片等光学元件，通过检测分光棱镜出射的两个光斑是否重合进行调平；同时，通过调平工装的精密调节使得测试板平行位于待测光学系统的理论焦面处，调平完成后，根据记录的测试板的位置，进行调焦；光学系统集成过程的倾斜及最佳焦面调整工作同时准确完成。本公开的检测装置及方法通用性强、测量准确、调节快速。

附图说明

图1示意性示出了根据本公开实施例中用于光学系统调焦调平的检测装置的结构示意图；

图2示意性示出了根据本公开实施例中分光棱镜的结构示意图；

图3示意性示出了根据本公开实施例的待测光学系统的基准定义图；

图4示意性示出了根据本公开实施例中调平工装的结构示意图；

图5示意性示出了根据本公开实施例中待测光学系统存在倾斜时测量装置工作示意图；

图6示意性示出了根据本公开实施例中光学系统倾斜及最佳焦面测量装置调平示意图；

图7示意性示出了根据本公开实施例中光学系统倾斜及最佳焦面测量装置调焦示意图；

图8示意性示出了根据本公开实施例中用于光学系统的调焦调平检测方法的流程图；

附图标记说明：

光源101，第一PBS棱镜102，1/4波片103，1/2波片104，分光棱镜105，探测器106，测试板107，第二PBS棱镜的右下角105a，屋脊棱镜105b，第二PBS棱镜的左上角105c，屋脊棱镜105d，分光面105e，入射光束105f，输出光束105g、105h，待测光学系统200，基板201，基准轴202，主光轴203，第一调节机构204，调平工装300，柱状结构301，基准面302，第二调节机构303，承载面304，电容传感器306、307、308，标记板206，运动台205。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

针对现有关于光学系统倾斜和最佳焦面的调整方法中用到多项辅助设备、通用性差、成本较高等问题，本公开提供的一种用于光学系统调焦调平的检测装置及方法，针对大多数光学系统都适用，通用性强、测量准确、调节快速。

本公开的实施例提供了一种用于光学系统调焦调平的检测装置，请参见图1，包括：检测装置100沿光路方向依次包括：光源101、第一PBS棱镜102、1/4波片103、测试板107、1/2波片104、分光棱镜105和探测器106；其中，光源101发射的S偏振光被第一PBS棱镜102反射至1/4波片103，1/4波片103将S偏振光转变为圆偏振光，圆偏振光透过待测光学系统200，被测试板107反射，再次透过待测光学系统200返回进入1/4波片103，1/4波片103将圆偏振光转变为P偏振光；P偏振光透过第一PBS棱镜102进入1/2波片104，被1/2波片104调整偏振方向后进入分光棱镜105；分光棱镜105的上半部和下半部分别将调整偏振方向后的P偏振光进行多次反射后于同一出光面输出；探测器106检测上半部和下半部输出光的位置，并根据该位置对待测光学系统200进行调平。

检测装置100包括光源101、第一PBS棱镜102、1/4波片103、测试板107、1/2波片104、分光棱镜105和探测器106。光源101入射的为扩束整形后S偏振光，依次经过第一PBS棱镜102和1/4波片103后成为圆偏振光，经过待测光学系统200后到达测试板107，反射后再经待测光学系统200返回检测装置100，透过1/4波片103成为P偏振光，P偏振光经1/2波片104调整偏振方向后进入分光棱镜105，经分光面105e后光束分为两路，一路光反射，经分光棱镜105下半部输出光束105g，另一路光透射，经分光棱镜105上半部输出光束105h，根据探测器106监控输出光束105g与105h是否重合，判断待测光学系统与基板201的倾斜情况。

在上述实施例的基础上，请参见图2，分光棱镜105包括胶合连接的上半部和下半部，上半部由直角棱镜105c、屋脊棱镜105d组成，下半部由直角棱镜105a、屋脊棱镜105b组成，两个直角棱镜105a、105c之间为分光面105e。

分光棱镜105为一个第二PBS棱镜105a、105c及两个屋脊棱镜105b、105d胶合成的分光元件，第二PBS棱镜的右下角105a与屋脊棱镜105b组成分光棱镜的下半部，第二PBS棱镜的左上角105c与屋脊棱镜105d组成分光棱镜的上半部，两部分的胶合面为分光面105e。入射光束105f经过分光面105e反射进入下半部，光束经屋脊面三次反射后输出光束105g，透射光进入上半部，光束经屋脊面三次反射后输出光束105h。当入射光束105f刚好打到分光面105e处无偏移时，光束分别经过上半部与下半部的传输，在相同的位置出射，输出光束105g与105h位置重合，当入射光束105f未精确打到分光面105e处，有偏移时，上半部与下半部光束光程差不相等，光束分别经过上半部与下半部的传输后出射的位置不相同，输出光束105g与105h不重合。

在上述实施例的基础上，请参见图3，待测光学系统200通过第一调节机构204固定于基板201上；检测装置100设置于待测光学系统200之上，且两者的主光轴重合。

待测光学系统200通过第一调节机构204与基板201固定，第一调节机构204的中心为定位基准轴202，光学系统的主光轴为203；当输出光束105g与105h不重合时，通过调节第一调节机构204使105g与105h重合，则调平完成。具体地，第一调节机构204可以是销钉。

集成过程中，使用调平工装300，光束经测试板107反射回待测光学系统200。如果待测光学系统200存在倾斜，如图5所示，主光轴203与测试板法线不重合，测试板107的入射光线不是垂直入射，反射光线会与测试板法线存在一定夹角，经待测光学系统200返回到检测装置100中，光束会相对于分光面105e产生偏移，从而产生两路输出光束光斑不重合的现象。

在上述实施例的基础上，检测装置100还包括：调平工装300，用于承载测试板107，并经过调节使之平行位于待测光学系统200的理论焦面处，调平步骤结束后，记录测试板107的位置，进行待测光学系统200的调焦。

调平工装300承载测试板107，主要用于提供一个基准，测试板107的上表面位于理论焦面处，从而进行待测光学系统200的调节，使其主光轴203与基板201垂直。调平步骤结束后，记录测试板107的位置，并根据该位置进行待测光学系统200的调焦。

在上述实施例的基础上，请参见图4，调平工装300为三角形吊装结构，其三个角上分别设置有柱状结构301，每个柱状结构301包括基准面302、第二调节机构303；其中，基准面302与基板201的下表面相接触。

调平工装300为三角形吊装结构，通过三根柱状结构301连接到框架上的基板201，如图6所示。三根柱状结构顶端的面构成工装基准面302，与基板201的下表面相接触，柱状结构内部有第二调节机构303，可以实现Z，Rx，Ry向的调节。

在上述实施例的基础上，调平工装300中间设置有凹槽，用于放置测试板107并使之与基板201平行。

测试板107放置在中心凹槽内，凹槽内部与测试板接触的面为承载面304。调节第二调节机构303，使得测试板107上表面与调平工装300的基准面302平行，且位于最佳焦面位置。工装基准面302与基板201直接接触，测试板107则间接与基板201平行。

在上述实施例的基础上，检测装置100还包括：三坐标测量机，用于测量每个柱状结构301的位置，通过调节第二调节机构303使测试板107与基板201平行。

首先需要将测试板107调节到最佳焦面位置，通过三坐标机测量调平工装300的三个柱状结构301的高度位置，调节第二调节机构303，在Z，Rx，Ry方向调节工装300，使得测试板107上表面与工装300的基准面302平行，且位于最佳焦面位置。

在上述实施例的基础上，请参见图7，检测装置100还包括：三个电容传感器306、307、308，用于记录测试板107的焦面位置；运动台205，用于根据记录的焦面位置使得标记板206复原到该焦面位置，完成待测光学系统200的调焦。

调平完成后，通过三个电容传感器306、307、308记录测试板107上表面的位置；运动台205上下移动，使得标记板206复原到电容传感器306、307、308记录的测试板107上表面的位置，即最佳焦面位置，待测光学系统200最佳焦面调节完成。

优选地，探测器106可以选择CCD、CMOS、光束质量分析仪等监测输出光束情况。

优选地，测试板107选择双面平行度较高的平面元件，例如双面平晶、平面反射镜、或者标记板的空白无标记区域，可以忽略两个平面的平行度误差。

本公开的实施例还提供了一种用于光学系统的调焦调平检测方法，应用于前述的用于光学系统调焦调平的检测装置，请参见图8，包括：S1，利用光源101发射S偏振光；S2，利用第一PBS棱镜102对S偏振光进行反射；S3，利用1/4波片103使反射的S偏振光转变为圆偏振光，并沿待测光学系统200的主光轴传输、经测试板107反射后回到1/4波片103，继续使圆偏振光转变为P偏振光；S4，利用1/2波片104调整直接透过第一PBS棱镜102后的P偏振光的偏振方向；S5，利用分光棱镜105的上半部和下半部分别将调整偏振方向后的P偏振光进行多次反射后并于同一出光面输出；S6，利用探测器106检测上半部和下半部输出光的位置，并根据该位置对待测光学系统200进行调平；S7，利用调平工装300承载测试板107并经过调节使之平行位于待测光学系统200的理论焦面处；调平步骤结束后，记录测试板107的位置，对待测光学系统200进行调焦。具体地，三个电容传感器306、307、308记录测试板107的焦面位置；运动台205根据记录的焦面位置使得标记板206复原到该焦面位置，完成待测光学系统200的调焦。

本公开中用于光学系统的调焦调平检测方法，完整流程具体分为以下几步：

第一步，测试板107调节到最佳焦面位置。三坐标机测量调平工装300的三个柱状结构301的高度位置，调节第二调节机构303，在Z，Rx，Ry方向调节工装300，使得测试板107上表面与工装300的基准面302平行，且位于最佳焦面位置。工装基准面302与基板201直接接触，测试板107间接与基板201平行。通过三坐标机测量实现测试板107在最佳焦面的定位。

第二步，调平工装300集成到基板201。

第三步，输出光斑监测。S1～S6详细说明了整个光路的变化过程，通过配合使用第一PBS棱镜、分光棱镜、1/4波片、1/2波片等光学元件，并采用探测器106监测经分光棱镜105出射的两束光105g与105h是否重合，如果位置重合，测量结束，无需进行调节。如果没有，进行下一步。

第四步，待测光学系统200调平。调节待测光学系统200两边的第一调节机构204，直到满足第三步要求。

第五步，电容传感器306、307、308记录测试板107上表面的位置，拆除调平工装300及测试板107。

第六步，携带标记板206的运动台205集成到待测光学系统200下端。

第七步，待测光学系统200找最佳焦面。运动台205上下移动，使得标记板206复原到第一步中测试板107上表面的位置，即最佳焦面位置，待测光学系统200最佳焦面调节完成。

本公开的方法基于检测装置中分光棱镜的成像原理，待测光学系统集成过程中存在倾斜时，经过分光棱镜出射的两个光斑不重合。因此，监测分光棱镜出射光斑，调整待测光学系统的姿态，使得两个光斑重合，则待测光学系统的倾斜调整完成。同时，该方法使用调平工装，调平工装上测试板作为调整倾斜及找最佳焦面的基准，集成之前，通过三坐标机测量测试板位置高度信息，并将其上表面调整到与基准面平行且处于待测光学系统最佳焦面的高度位置。集成过程中，通过电容传感器记录测试板上表面的位置信息，调整运动台，使得待测光学系统最佳焦面处需要放置的部件到达之前测试板上表面的位置，完成最佳焦面调整工作。待测光学系统集成过程的倾斜及最佳焦面调整工作同时准确完成。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述检测装置(100)沿光路方向依次包括：光源(101)、第一PBS棱镜(102)、1/4波片(103)、测试板(107)、1/2波片(104)、分光棱镜(105)和探测器(106)；

其中，所述光源(101)发射的S偏振光被所述第一PBS棱镜(102)反射至所述1/4波片(103)，所述1/4波片(103)将所述S偏振光转变为圆偏振光，所述圆偏振光透过待测光学系统(200)，被所述测试板(107)反射，再次透过所述待测光学系统(200)返回进入所述1/4波片(103)，所述1/4波片(103)将所述圆偏振光转变为P偏振光；所述P偏振光透过所述第一PBS棱镜(102)进入所述1/2波片(104)，被所述1/2波片(104)调整偏振方向后进入所述分光棱镜(105)；所述分光棱镜(105)的上半部和下半部分别将调整偏振方向后的所述P偏振光进行多次反射后于同一出光面输出；探测器(106)检测所述上半部和下半部输出光的位置，并根据该位置对所述待测光学系统(200)进行调平。

2.根据权利要求1所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述分光棱镜(105)包括胶合连接的上半部和下半部，所述上半部由直角棱镜(105c)、屋脊棱镜(105d)组成，所述下半部由直角棱镜(105a)、屋脊棱镜(105b)组成，所述两个直角棱镜(105a)、(105c)之间为分光面(105e)。

3.根据权利要求1所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述待测光学系统(200)通过第一调节机构(204)固定于基板(201)上；所述检测装置(100)设置于所述待测光学系统(200)之上，且两者的主光轴重合。

4.根据权利要求3所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述检测装置(100)还包括：

调平工装(300)，用于承载所述测试板(107)，并经过调节使之平行位于所述待测光学系统(200)的理论焦面处，所述调平步骤结束后，记录所述测试板(107)的位置，进行所述待测光学系统(200)的调焦。

5.根据权利要求4所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述调平工装(300)为三角形吊装结构，其三个角上分别设置有柱状结构(301)，每个柱状结构(301)包括基准面(302)、第二调节机构(303)；

其中，所述基准面(302)与所述基板(201)的下表面相接触。

6.根据权利要求5所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述调平工装(300)中间设置有凹槽，用于放置所述测试板(107)并使之与所述基板(201)平行。

7.根据权利要求6所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述检测装置(100)还包括：

三坐标测量机，用于测量每个所述柱状结构(301)的位置，通过调节所述第二调节机构(303)使所述测试板(107)与所述基板(201)平行。

8.根据权利要求7所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，所述检测装置(100)还包括：

三个电容传感器(306)、(307)、(308)，用于记录所述测试板(107)的焦面位置；

运动台(205)，用于根据记录的所述焦面位置使得标记板(206)复原到该焦面位置，完成所述待测光学系统(200)的调焦。

9.一种用于光学系统的调焦调平检测方法，应用于权利要求1至8中任一项所述的用于光学系统调焦调平的检测装置，其特征在于，包括：

S1，利用光源(101)发射S偏振光；

S2，利用第一PBS棱镜(102)对所述S偏振光进行反射；

S3，利用1/4波片(103)使反射的所述S偏振光转变为圆偏振光，并沿待测光学系统(200)的主光轴传输、经测试板(107)反射后回到1/4波片(103)，继续使所述圆偏振光转变为P偏振光；

S4，利用1/2波片(104)调整直接透过所述第一PBS棱镜(102)后的P偏振光的偏振方向；

S5，利用分光棱镜(105)的上半部和下半部分别将调整偏振方向后的所述P偏振光进行多次反射后并于同一出光面输出；

S6，利用探测器(106)检测所述上半部和下半部输出光的位置，并根据该位置对待测光学系统(200)进行调平；

S7，利用调平工装(300)承载所述测试板(107)并经过调节使之平行位于所述待测光学系统(200)的理论焦面处；所述调平步骤结束后，记录所述测试板(107)的位置，对所述待测光学系统(200)进行调焦。

10.根据权利要求9所述的用于光学系统的调焦调平检测方法，其特征在于，步骤S6中所述根据该位置对待测光学系统(200)进行调平包括：

利用三坐标测量机测量所述调平工装(300)的每个柱状结构(301)的位置，通过调节所述调平工装(300)的第二调节机构(303)使所述测试板(107)与基板(201)平行；

步骤S7中所述对所述待测光学系统(200)进行调焦包括：

利用三个电容传感器(306)、(307)、(308)记录所述测试板(107)的焦面位置；

利用运动台(205)根据记录的所述焦面位置使得标记板(206)复原到该焦面位置，完成所述待测光学系统(200)的调焦。