CN114442257B - 一种大范围高精度光束焦面跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大范围高精度光束焦面跟踪装置，入射光束首先依次经过所述二分之一波片、偏振分束镜和四分之一波片，形成第一光束；第一光束经过所述物镜聚焦在样品表面，而聚焦在样品表面的激光被样品表面反射，依次经过物镜与四分之一波片后，被偏振分束镜反射到另一侧，形成第二光束；第二光束经过非偏振分束镜分解为第三光束与第四光束；第三光束经过所述第一柱面镜和第二柱面镜后，入射到所述四象限探测器的探测面上；第四光束经过所述透镜和针孔后，入射到所述光电倍增管探测器的探测面上。本发明与现有焦面跟踪装置相比，既可以保证高精度，又极大的扩展了焦面跟踪的范围。

Description

一种大范围高精度光束焦面跟踪装置

技术领域

本申请涉及超精密光学测量领域，尤其涉及一种大范围高精度光束焦面跟踪装置。

背景技术

在光学成像系统和光学加工系统中，成像或加工前，需要将物镜的焦点准确地定位在目标的成像面或加工面上。因此，需要应用焦面跟踪技术，来实现焦点的定位及跟踪。

近年来，研究者们提出了多种自动焦点检测及跟踪的方式，如像散法、成像被动探测法、偏心光束法、共焦强度探测法、莫尔条纹法等。

其中，像散法和成像被动探测法是根据反馈图形形状的变化产生反馈信号，其反馈精度较低，对焦范围较小。偏心光束法的对焦精度则受限于位置敏感探测器件PSD位置分辨率、光学系统的放大倍数与偏心光束的偏心量大小，精度很难大幅提高。共焦强度探测法的探测信号容易受杂散光影响，反馈信号非线性，调节难度较大。莫尔条纹法的对焦精度较高，但受限于光栅的加工精度和光栅周期的灵活选择性等因素也很难进一步提高，对焦范围较小。

综上，根据现有的技术手段，受限于各种因素，目前难以同时实现高精度跟焦和大范围跟焦。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种大范围高精度光束焦面跟踪装置，以解决相关技术难以同时实现高精度跟焦和大范围跟焦的技术问题。

根据本申请实施例，提供一种大范围高精度光束焦面跟踪装置，包括二分之一波片、偏振分束镜、四分之一波片、物镜、非偏振分束镜、第一柱面镜、第二柱面镜、四象限探测器、透镜、针孔、光电倍增管探测器，其中：

入射光束首先依次经过所述二分之一波片、偏振分束镜和四分之一波片，形成第一光束；

第一光束经过所述物镜聚焦在样品表面，而聚焦在样品表面的激光被样品表面反射，依次经过物镜与四分之一波片后，被偏振分束镜反射到另一侧，形成第二光束；

第二光束经过非偏振分束镜分解为第三光束与第四光束；

第三光束经过所述第一柱面镜和第二柱面镜后，入射到所述四象限探测器的探测面上；

第四光束经过所述透镜和针孔后，入射到所述光电倍增管探测器的探测面上。

可选地，所述物镜焦距为f₀，物距为a₀，像距为b₀；第一柱面镜焦距为f_x，第二柱面镜焦距为f_y，物镜与第一柱面镜的间距为l_x；物镜与第二柱面镜的间距为l_y；第一柱面镜与第二柱面镜的间距为l_xy；第一柱面镜与四象限探测器探测面的距离为m_x；第二柱面镜与四象限探测器探测面的距离为m_y；在物镜处光斑半径为r₀，在第一柱面镜处光斑半径为r_clx，在第二柱面镜处光斑半径为r_cly，在四象限探测器的探测面x轴上光斑半径为r_x，y轴上光斑半径为r_y，上述参数满足公式(6)和公式(7)；

当物镜的焦点在样品的上表面处时，a₀＝f₀，计算得出r_x≈r_y，此时为x,y轴尺寸相当的圆形光斑；

当样品面在物镜焦面前P1位置时，为r_x<r_y的椭圆光斑；当样品面在物镜焦面后P2位置时，为r_x>r_y的椭圆光斑。

可选地，所述入射激光波长为λ，光束半径为r_m，透镜焦距为f_m，针孔通光直径为D_m，针孔与透镜的距离为l_m，上述参数满足公式(15)和公式(16)；

l_m＝f_m (15)

可选地，先利用四象限探测器进行大范围粗调焦，再利用光电倍增管探测器进行小范围高精度调节。

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，本申请利用四象限探测器进行调节范围可达20μm的大范围粗调焦，再利用光电倍增管探测器进行可达3nm的小范围高精度调节。本发明与现有焦面跟踪装置相比，既可以保证高精度，又极大的扩展了焦面跟踪的范围。

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大范围高精度光束焦面跟踪装置的原理图。

图2是根据一示例性实施例示出的光束B2和B3所在的光路支路的简化图。

图3是根据一示例性实施例示出的四象限探测器的探测面上的光斑示意图。

图4是根据一示例性实施例示出的FES关于Δa₀的关系图。

图5是根据一示例性实施例示出的光束B2和B4所在的光路支路的简化图。

图6是根据一示例性实施例示出的光电倍增管探测器探测面上的归一化光强与Δa₀的关系图。

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大范围高精度光束焦面跟踪装置的原理图；参考图1，本发明实施例提供一种大范围高精度光束焦面跟踪装置，可以包括二分之一波片1、偏振分束镜2、四分之一波片3、物镜4、非偏振分束镜6、第一柱面镜7、第二柱面镜8、四象限探测器9、透镜10、针孔11、光电倍增管探测器12，其中：

入射光束首先依次经过所述二分之一波片1、偏振分束镜2和四分之一波片3，形成第一光束B1；本实例中，入射激光波长λ为532nm，光束半径r_m为1mm的平行光；二分之一波片1为1英寸零级二分之一波片WPH05M-532；偏振分束镜2为1英寸偏振分束立方体PBS251；四分之一波片3为1英寸零级四分之一波片QWP20-532B。

第一光束B1经过所述物镜4聚焦在样品5表面，而聚焦在样品5表面的激光被样品5表面反射，依次经过物镜4与四分之一波片3后，圆偏振光变为与入射光束偏振垂直的线偏振光，线偏振光会被偏振分束镜2反射到另一侧，形成第二光束B2，；本实例中，物镜4焦距f₀为2mm，其物距为a₀，其像距为b₀；样品5可以为载玻片。

第二光束B2经过非偏振分束镜6分解为能量1：1的第三光束B3与第四光束B4；本实例中，非偏振分束镜6为MBS1445-A(其中入射光束反射与透射的能量比例为1:1。

第三光束B3经过所述第一柱面镜7和第二柱面镜8后，入射到所述四象限探测器9的探测面上；本实例中，第一柱面镜7焦距f_x为100mm，LJ1567RM,其物距为a_x，其像距为b_x；第二柱面镜8焦距f_y为200mm，LJ1653RM，其物距为a_y，其像距为b_y。

第四光束B4经过所述透镜10和针孔11后，入射到所述光电倍增管探测器12的探测面上。本实例中，四象限探测器9为PDQ80A；透镜10焦距f_m为50mm；针孔11通光直径D_m为25μm；光电倍增管探测器12可以为PMT2101/M。

需要说明的是，以上各参数以及产品的型号仅为其中一种可行的方案，本领域技术人员可以采用等同替换为其他可用的参数及型号。

光束B2和B3所在的光路支路，可简化如图2所示。其中，所述物镜4焦距为f₀，物距为a₀，像距为b₀；第一柱面镜7焦距为f_x，第二柱面镜8焦距为f_y，物镜4与第一柱面镜7的间距为l_x，l_x为400mm；物镜4与第二柱面镜8的间距为l_y，l_y为500mm；第一柱面镜7与第二柱面镜8的间距为l_xy，l_xy为100mm；第一柱面镜7与四象限探测器9探测面的距离为m_x，m_x为310mm；第二柱面镜8与四象限探测器9探测面的距离为m_y，m_y为210mm；在物镜4处光斑半径为r₀，在第一柱面镜7处光斑半径为r_clx，在第二柱面镜8处光斑半径为r_cly，在四象限探测器9的探测面x轴上光斑半径为r_x，y轴上光斑半径为r_y。同时以上距离数值满足以下关系式：

又根据相似三角形定理，得到公式(3)，(4)；

进一步计算得到公式(5)；

根据公式(1)-(5)，可得到公式(6)；

同理，重复上述计算过程，可得到公式(7)；

同时，m_x，m_y，又满足以下关系；

m_y＝m_x-l_xy (8)

l_y＝l_x+l_xy (9)

因此，根据公式(7)-公式(9)，可得到公式(10)，

图3是在四象限探测器9的探测面上的光斑示意图，当物镜4的焦点在样品5的上表面处时，a₀＝f₀，计算得出r_x≈r_y，此时为x,y轴尺寸相当的圆形光斑；当样品面在物镜焦面前P1位置时，为r_x<r_y的椭圆光斑；当样品面在物镜焦面后P2位置时，为r_x>r_y的椭圆光斑。A₁,A₂,A₃,A₄,分别是在探测面四个象限上的面积，I₁,I₂,I₃,I₄,分别是光斑在四个象限上的光强。定义聚焦的误差值为FES，其满足公式(11)，

同时A₁,A₂,A₃,A₄,与I₁,I₂,I₃,I₄满足公式(12),其中C为固定常数，

I_i＝CA_i (12)

根据公式(11)和公式(12)，可得公式(13)，

根据光斑的对称性，A₁＝A₃，A₂＝A₄，又根据光斑的几何关系，可得公式(14),

定义a₀的变化量为Δa₀，则可得到FES关于Δa₀的关系如图4所示。综上，可判断出样品面处于物镜焦面前或焦面后，并进行大范围的粗调焦，调节范围为20μm。

进一步的，为了实现更高的对焦精度，也利用了光电倍增管探测器。光束B2和B4所在的光路支路，可简化如图5所示。其中针孔11与透镜10的距离l_m为50mm，光电倍增管探测器12探测面与透镜10的距离l_n为100mm。同时以上距离数值满足以下关系式：

l_m＝f_m (15)

图6是光电倍增管探测器12探测面上的归一化光强与Δa₀的关系图。实线为a₀＝f₀时，此时光强为峰值，虚线为a₀≠f₀时，为离焦状态，光强随着Δa₀变化而衰减。利用此离焦距曲线，可准确获得离焦位置，跟焦精度可达3nm。

综上，先利用四象限探测器进行大范围粗调焦，再利用光电倍增管探测器进行小范围高精度调节，实现了同时大范围，高精度的调节的焦面跟踪技术。利用四象限探测器进行调节范围可达20μm的大范围粗调焦，再利用光电倍增管探测器进行可达3nm的小范围高精度调节。本发明与现有焦面跟踪装置相比，既可以保证高精度，又极大的扩展了焦面跟踪的范围。

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)

1.一种大范围高精度光束焦面跟踪装置，其特征在于，包括二分之一波片(1)、偏振分束镜(2)、四分之一波片(3)、物镜(4)、非偏振分束镜(6)、第一柱面镜(7)、第二柱面镜(8)、四象限探测器(9)、透镜(10)、针孔(11)、光电倍增管探测器(12)，其中：

入射光束首先依次经过所述二分之一波片(1)、偏振分束镜(2)和四分之一波片(3)，形成第一光束(B1)；

第一光束(B1)经过所述物镜(4)聚焦在样品(5)表面，而聚焦在样品(5)表面的激光被样品(5)表面反射，依次经过物镜(4)与四分之一波片(3)后，被偏振分束镜(2)反射到另一侧，形成第二光束(B2)；

第二光束(B2)经过非偏振分束镜(6)分解为第三光束(B3)与第四光束(B4)；

第三光束(B3)经过所述第一柱面镜(7)和第二柱面镜(8)后，入射到所述四象限探测器(9)的探测面上；

第四光束(B4)经过所述透镜(10)和针孔(11)后，入射到所述光电倍增管探测器(12)的探测面上；

其中，先利用四象限探测器进行大范围粗调焦，再利用光电倍增管探测器进行小范围高精度调节。

2.根据权利要求1所述的一种大范围高精度光束焦面跟踪装置，其特征在于，所述物镜(4)焦距为f₀，物距为a₀，像距为b₀；第一柱面镜(7)焦距为f_x，第二柱面镜(8)焦距为f_y，物镜(4)与第一柱面镜(7)的间距为l_x；物镜(4)与第二柱面镜(8)的间距为l_y；第一柱面镜(7)与第二柱面镜(8)的间距为l_xy；第一柱面镜(7)与四象限探测器(9)探测面的距离为m_x；第二柱面镜(8)与四象限探测器(9)探测面的距离为m_y；在物镜(4)处光斑半径为r₀，在第一柱面镜(7)处光斑半径为r_clx，在第二柱面镜(8)处光斑半径为r_cly，在四象限探测器(9)的探测面x轴上光斑半径为r_x，y轴上光斑半径为r_y，上述参数满足公式(6)和公式(7)；

当物镜(4)的焦点在样品(5)的上表面处时，a₀＝f₀，计算得出r_x≈r_y，此时为x,y轴尺寸相当的圆形光斑；

当样品面在物镜(4)焦面前P1位置时，为r_x<r_y的椭圆光斑；当样品面在物镜(4)焦面后P2位置时，为r_x>r_y的椭圆光斑。

3.根据权利要求1所述的一种大范围高精度光束焦面跟踪装置，其特征在于，入射激光波长为λ，光束半径为r_m，透镜(10)焦距为f_m，针孔通光直径为D_m，针孔(11)与透镜(10)的距离为l_m，上述参数满足公式(15)和公式(16)；

l_m＝f_m(15)