CN114894224B - 一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，包括激光器、准直镜、半波片、偏振分束器、λ/4波片、扩束镜/缩束镜、物镜、共焦透镜、分束器、小孔、光强探测器。通过调节激光出射直径改变系统灵敏度和探测范围，解决了差分共焦灵敏度高但探测范围小的问题。从而可先通过低分辨大探测范围模式进行初步测量或对焦，再通过高分辨小探测范围模式进行测量或对焦，最后实现大探测范围和高灵敏度的测量或对焦。另外，当物镜离共焦系统较远时，长焦距差分共焦系统的焦点和物镜焦点可以构成4f关系的问题，对于显微镜和激光直写设备有重要应用价值。本发明可广泛应用于激光直写系统、显微镜、测量系统。
Description
技术领域
本发明属于光学工程领域，尤其涉及一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统。
背景技术
共焦系统对于显微镜成像对焦、激光直写设备对焦、精密测量有重要作用，常见的对焦方法有离焦法、临界角法和像散法等，但是存在对焦灵敏度不足的缺点。
文献[Lee C H，Wang J P Noninterferometric diferential confocalmicroscopy with 2 nm depth resolution[J] OpticsComm，1997，35：233-237]提出了差分共焦显微技术，利用共焦显微镜轴向响应曲线的斜边段对表面轮廓进行测量，轴向灵敏度可达2nm，灵敏度受到光源功率波动和光学系统机械稳定性的限制。典型的差分共焦系统中，差分探测器小孔的位置分别对称地置于焦平面之前和之后，通过对两探测信号求差与求和，给出光聚焦信号。当物体位于焦平面时，两探测器的差值为零，当物体偏离焦平面一个微小位移时，像点一方面趋近一个针孔，另一方面远离另一个针孔，使探测到的光功率一个增大，一个减小，产生的差分信号可以较好地反映出物体位移的大小和方向。由于采用共光路设计思想，光源的噪声和漂移同时作用于两探测器，差分后的光聚焦探测信号可以有效地抑制光源产生的影响。
虽然差分共焦系统具有高分辨、抗干扰性强的优点，但是其探测范围和灵敏度成反比关系，既系统灵敏度高时探测范围较小，系统探测范围大时灵敏度较低。另外，差分共焦系统的焦点和物镜焦点构成4f关系时两探测器的差值才为零，当物镜离共焦系统较远时难以构成4f关系。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统。本发明通过调节激光出射直径改变灵敏度和探测范围，解决了差分共焦灵敏度高但探测范围小的问题；本发明先通过低分辨大探测范围模式进行初步测量或对焦，再通过高分辨小探测范围模式进行测量或对焦；另外，当物镜离共焦系统较远时，长焦距差分共焦系统的焦点和物镜焦点可以构成4f关系的问题，对于显微镜和激光直写设备有重要应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，包括光纤出射的激光器、准直镜、半波片、PBS、λ/4波片、反射镜、扩束镜/缩束镜、物镜、PBS、共焦透镜、BS、小孔、光强探测器。可通过调节激光器输出光束直径改变共焦系统灵敏度和探测范围。
光纤出射的激光经准直镜准直后形成平行光，平行光偏振方向由半波片旋转至水平方向后经PBS反射，再经λ/4波片、反射镜、扩束镜后进入物镜汇聚，汇聚光经目标面反射后经物镜、缩束镜、λ/4波片转变成垂直方向的线偏振平行光，线偏振平行光经PBS透射再经反射镜、共焦透镜、BS后形成两束汇聚光。两束汇聚光分别由BS的透射输出端和反射输出端输出，BS的两个输出端后分别放置尺寸相同的两个小孔且两个小孔相对共焦透镜焦平面前后对称。
其中扩束镜/缩束镜由3片镜片构成，具有较短的物方工作距离和较长的像方工作距离。物镜焦点和共焦透镜焦点为物像共轭关系，两个小孔后探测器探测到的光强相减形成对焦差分曲线，且当目标面位于物镜焦点时差分值为零，系统跟踪差分曲线零点实现高精度对焦，或者根据光强差判断离焦距离。
进一步地，激光器出射光束直径可通过改变准直镜焦距进行调节。当激光出射光束直径增大时，差分曲线斜率减小宽度增加既系统灵敏度降低而探测范围增大，当激光出射光束直径减小时，差分曲线斜率增大宽度减小，既差分共焦系统灵敏度提高而探测范围减小。
进一步地，扩束镜/缩束镜由两个镜组构成，其中第一镜组由1片正光焦度镜片构成，第二镜组由1片负光焦度镜片和1片正光焦度镜片构成，第二镜组的物方焦平面和第一镜组的像方焦平面重合，且第二镜组的物方工作距离小于200mm，像方工作距离大于450mm。
进一步地，共焦透镜的物方焦平面与第一镜组的物方焦平面重合以构成4f系统，物镜像方焦平面与第二镜组像方焦平面重合以构成4f系统。
进一步地，PBS前放置半波片，激光偏振方向可通过半波片旋转至水平方向从而可由PBS反射，PBS的反射输出端放置λ/4波片且其轴向与水平方向呈45°以将线偏振光转变成圆偏振光，由目标面反射的光再次经过λ/4波片时转变成垂直方向的线偏振光从而可由PBS透射进入共焦透镜。
进一步地，共焦透镜后放置BS，BS的透射输出端和反射输出端分别放置两个尺寸相同的小孔且两个小孔相对透镜焦平面前后对称放置，目标位于物镜焦平面时对焦准确，两小孔光强差值为0。
本发明的有益效果是：本发明可以通过调节激光器输出光束直径改变共焦系统的灵敏度和探测范围，从而可通过大范围低灵敏度、小范围高灵敏度两步骤实现大探测范围和高灵敏度的测量或对焦，解决了共焦差分系统灵敏度高而探测范围小的问题。另外，系统第二镜组的像方工作距离较长，从而可以实现系统与远距离物镜的共轭。本发明可广泛应用于激光直写系统、显微镜、测量系统。特别的，根据需求工作距离可设计，一般可以为450mm~1000mm。
附图说明
图1是本发明灵敏度可调长工作距离差分共焦系统的示意图；
图2是长工作距离扩束镜的示意图；
图3是扩束镜第二镜组的示意图；
图4是缩束镜第二镜组的示意图；
图5是使用4倍扩束镜，激光出射1.5mm的差分曲线图；其中，灵敏度1.55μW/nm，探测范围±2μm；
图6是使用4倍扩束镜，激光出射2mm的差分曲线图；其中，灵敏度1.06μW/nm，探测范围±2.5μm。
图中，1-光纤出射激光器，2-准直镜，3-λ/2波片，4-PBS偏振分束器，5-λ/4波片，6-第一反射镜，7-第一镜组，8-第二镜组，9-第二反射镜，10-物镜，11-第三反射镜，12-共焦透镜，13-BS分束器，14-共焦透镜焦平面，15-前置小孔，16-前置小孔光强探测器，17-后置小孔，18-后置小孔光强探测器，19-目标面。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，包括：光纤出射激光器1、准直镜2、λ/2波片3、PBS偏振分束器4、λ/4波片5、第一反射镜6、扩束镜/缩束镜、第二反射镜9、物镜10、第三反射镜11、共焦透镜12，BS分束器13、前置小孔15、前置小孔光强探测器16、后置小孔17、后置小孔光强探测器18、目标面19。准直镜2焦距可调，以实现光束直径变化达到调整系统探测范围和灵敏度的目的。
扩束镜/缩束镜由第一镜组7和第二镜组8构成，其中第一镜组7由1片正光焦度镜片构成，其物方焦点和像方焦点分别为f1和f1’，第二镜组8由1片负光焦度镜片和1片正光焦度镜片构成，其物方焦点和像方焦点分别为f2和f2’，且第二镜组8的物方工作距离小于200mm，像方工作距离大于450mm。
光纤出射激光器1为连续激光器，激光功率1~20mW可调，激光波长范围500nm~700nm，光纤数值孔径NA=0.1。准直镜2焦距f调节范围为5mm~20mm，对应准直后的可调激光束直径D=2NAf在1mm~4mm之间。
准直后的激光束（平行光）经λ/2波片3和PBS偏振分束器4组成的光束方向转换器，通过λ/2波片3可将激光的偏振方向调节为任意方向，光经过PBS偏振分束器4时z方向的分量反射而x方向的分量透射。在本发明中，通过λ/2波片3将线偏振方向调节为z方向（水平方向），z方向线偏振光琼斯矩阵表示为
。z方向线偏振光束经PBS偏振分束器4反射后，通过快轴与y轴成45°角的λ/4波片5，出射光的琼斯矩阵为
，是右旋圆偏振光，其中λ/4波片5的琼斯矩阵表示为
，此处i表示虚数。
激光束经过第一反射镜6后，经扩束镜扩束进入物镜。此时，第一镜组7像方焦点f1’和第二镜组物方焦点f2重合构成4f系统，第二镜组像方焦点f2’与物镜像方焦点fo’重合构成4f系统。
如图2所示，为一个长工作距离4倍扩束镜，第一镜组7为f1=75mm的双胶合透镜，第二镜组8焦距f2=300mm且第一镜组7和第二镜组8距离为234.68mm。其中第二镜组8由f=-15mm和f=25mm间距为8.12mm的两个镜片构成。如图3所示，第二镜组8物方工作距离为164.33mm，像方工作距离为524.56mm。工作距离指焦点与最近镜面的距离。长工作距离扩束镜主要实现了将第二镜组8与物镜构成4f系统，从而使得差分共焦系统可用于物镜距离共焦系统较远的设备中。
右旋圆偏振激光束从扩束镜出射后，经过第二反射镜9进入物镜10，经物镜10汇聚后照射目标面19，在目标面19上右旋圆偏振光经反射后成为左旋圆偏振光，如图4所示，反射光反向经缩束镜后，再通过快轴与y轴成-45°角的λ/4波片5，出射光的琼斯矩阵为
，是x方向（垂直方向）的线偏振光。x方向的线偏振光通过PBS偏振分束器4时透射透过，经第三反射镜11反射后由共焦透镜12汇聚，汇聚光经BS分束器13后，分为光强相等的两束光，分别从BS分束器13的透射输出端和反射输出端输出，BS分束器13的透射输出端和反射输出端分别放置两个尺寸相同的小孔，既前置小孔15和后置小孔17，且两个小孔相对共焦透镜焦平面14前后对称放置，前置小孔15后接前置小孔光强探测器16，后置小孔17后接后置小孔光强探测器18。其中，共焦透镜12的物方焦点f3与第一镜组7的物方焦点f1重合构成4f系统。两探测器探测到的光强相减形成对焦差分曲线，系统跟踪差分曲线零点实现高精度对焦，或者根据光强差判断离焦距离。
在本发明中，物镜10、第二镜组8，第一镜组7、共焦透镜12的焦点依次衔接构成4f系统，且物镜10物方焦点和共焦透镜12像方焦点共轭，从而当目标面19位于物镜10焦平面时，前置小孔光强探测器16和后置小孔光强探测器18探测到的光强差值为零。当目标面19偏离物镜10焦平面一个正位移时，共焦透镜12的焦点前移，既焦点趋近前置小孔15而远离后置小孔17，前置小孔光强探测器16探测到的光强变大而后置小孔光强探测器18探测到的光强变小，光强差分值为负值；当目标面19偏离物镜10焦平面一个负位移时，共焦透镜12的焦点后移，既焦点远离前置小孔15而趋近后置小孔17，前置小孔光强探测器16探测到的光强变小而后置小孔光强探测器18探测到的光强变大，光强差分值为正值。光强差分值的正值、零值、负值分别对应负位移、零位移、正位移。其中，正位移表示目标面19与物镜10距离增大，负位移表示目标面19与物镜10距离减小。差分信号可以较好地反映出目标面19相对物镜10焦平面的位移方向和大小，实现测量或者对焦；且由于采用共光路设计，光源的噪声和漂移同时作用于两探测器，差分后的光聚焦探测信号可以有效地抑制光源噪声。
共焦系统的光纤出射激光器1出射光强5.7mW，采用4倍扩束镜时：当准直激光出射直径为1.5mm时，差分曲线斜率为1.55μW/nm，探测范围±2μm，对应的共焦差分曲线如图5所示。当准直激光出射直径为2mm时，差分曲线斜率为1.06μW/nm，探测范围±2.5μm，对应的共焦差分曲线如图6所示。激光出射直径与灵敏度（差分曲线斜率）负相关，与探测范围（宽度）正相关。
综上，本发明一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统具有以下特点：
（1）高灵敏度。共焦系统的探测灵敏度可以达到nm级，探测范围为μm级，可满足高精度显微镜、激光直写系统、测量系统的应用要求；
（2）长工作距离。光学系统中与物镜实现4f关系的第二镜组像方工作距离大于450mm，当物镜距离共焦系统较远时可实现物镜物方焦点和共焦透镜像方焦点的共轭关系；
（3）灵敏度和探测范围可调。通过调节准直镜的焦距可以实现出射激光直径的改变从而实现系统灵敏度和探测范围的改变，从而解决差分共焦系统探测固定的问题。
Claims (7)
1.一种灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，其特征在于，包括激光器、准直镜、半波片、偏振分束器、λ/4波片、扩束镜/缩束镜、物镜、共焦透镜、分束器、小孔、光强探测器；
光纤出射的激光经准直镜准直后形成平行光，平行光偏振方向由半波片旋转至水平方向后经偏振分束器反射，再经λ/4波片、扩束镜后进入物镜汇聚，汇聚光经目标面反射后，经物镜、缩束镜、λ/4波片转变成垂直方向的线偏振平行光，线偏振平行光经偏振分束器透射再经共焦透镜、分束器后形成两束汇聚光；两束汇聚光分别由分束器的透射输出端和反射输出端输出，分束器的两个输出端后分别放置尺寸相同的两个小孔且两个小孔相对共焦透镜焦平面前后对称，两个小孔后分别设置光强探测器；
激光器出射光束直径可通过改变准直镜焦距进行调节；当激光出射光束直径增大时，差分共焦系统灵敏度降低而探测范围增大，当激光出射光束直径减小时，差分共焦系统灵敏度提高而探测范围减小；
扩束镜/缩束镜由两个镜组构成，其中第一镜组由1片正光焦度镜片构成，第二镜组由1片负光焦度镜片和1片正光焦度镜片构成，第二镜组的物方焦平面和第一镜组的像方焦平面重合，且第二镜组的物方工作距离小于200mm，像方工作距离大于450mm；
共焦透镜的物方焦平面与第一镜组的物方焦平面重合以构成4f系统，物镜像方焦平面与第二镜组像方焦平面重合以构成4f系统。
2.根据权利要求1所述灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，其特征在于，偏振分束器前放置半波片，激光偏振方向可通过半波片旋转至水平方向，从而可由偏振分束器反射；偏振分束器的反射输出端放置λ/4波片且其轴向与水平方向呈45°，以将线偏振光转变成圆偏振光；由目标面反射的光再次经过λ/4波片时转变成垂直方向的线偏振光，从而可由偏振分束器透射进入共焦透镜。
3.根据权利要求1所述灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，其特征在于，共焦透镜后放置分束器，分束器的透射输出端和反射输出端分别放置两个尺寸相同的小孔且两个小孔相对透镜焦平面前后对称放置，对焦准确时两小孔光强差值为0。
4.根据权利要求1所述灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，其特征在于，还包括反射镜，λ/4波片和扩束镜/缩束镜之间设有反射镜。
5.根据权利要求1所述灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，其特征在于，还包括反射镜，扩束镜/缩束镜和物镜之间设有反射镜。
6.根据权利要求1所述灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，其特征在于，还包括反射镜，偏振分束器和共焦透镜之间设有反射镜。
7.根据权利要求1所述灵敏度可调长工作距离差分共焦系统，其特征在于，两个小孔后光强探测器探测到的光强相减形成共焦差分曲线，系统跟踪差分曲线零点实现对焦，或者根据光强差判断离焦距离。
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