專利名稱：光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光強(qiáng)分布檢測裝置，特別是一 種光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置。主要用于光學(xué)性質(zhì)評估，光學(xué) 信息傳播特性研究，聚焦光學(xué)系統(tǒng)特性檢測，以及光存儲、光刻技術(shù)、 顯微成像等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維光強(qiáng)分布檢測的需求廣泛存在于光學(xué)性質(zhì) 評估，光學(xué)信息傳播特性研究，聚焦光學(xué)系統(tǒng)特性檢測，以及光存儲、 光刻技術(shù)、顯微成像等領(lǐng)域。例如，在光存儲領(lǐng)域中，光盤物鏡的聚焦 特性直接影響信息存儲密度和存儲質(zhì)量，對光盤物鏡焦點(diǎn)光強(qiáng)分布進(jìn)行 研究必不可少，檢測焦點(diǎn)三維光強(qiáng)分布可以直接給出物鏡質(zhì)量評價(jià)水平， 對光存儲光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。在先技術(shù)中有一種可以光學(xué)焦點(diǎn) 區(qū)域光強(qiáng)分布的裝置，(參見中國發(fā)明專利"檢測光盤物鏡小光斑的裝
置"，專利號ZL00127831.2)。該檢測系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)，但是，仍 然存在一些不足1)裝置在使用工作中聚焦物鏡不能產(chǎn)生位移，由壓電 陶瓷掃描器帶動光纖探針進(jìn)行探測掃描，與并同時(shí)專利權(quán)利要求l中要求 物鏡置于物鏡焦斑落在光纖探針的探針尖上的位置上，由于壓電陶瓷掃 描器存在有限掃描范圍，所以，以上技術(shù)方案導(dǎo)致此檢測裝置掃描位置
定位調(diào)節(jié)難度大，調(diào)節(jié)使用不便利；2)光纖探針在軸向位置調(diào)節(jié)是通過
與壓電陶瓷掃描器連接的手動或電動調(diào)整架進(jìn)行調(diào)解，兩個(gè)可移動部件 聯(lián)接，并且，手動或電動調(diào)整架的機(jī)械定位特性不如壓電陶瓷掃描器， 在壓電陶瓷掃描器時(shí)，手動或電動調(diào)整架機(jī)械定位特性對測量精度有重 要影響，相當(dāng)于高精度掃描機(jī)構(gòu)的掃描參考基準(zhǔn)是建立在低精度調(diào)整架
上，對裝置測量精度有很大影響，降低了光強(qiáng)分布測量精度；3)此檢測
裝置對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工定位要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件要求高，例如，
在專利權(quán)利要求1中要求分光鏡與激光光源光軸成45。角、分光鏡反射面
中心點(diǎn)與光纖探針針尖連線為垂直于激光光源光軸的垂直線、用于檢測 的分光鏡為半反半透分光鏡、半反半透分光鏡的反射面要與入射光線成
45°角、裝置要包含有帶有監(jiān)視器的攝像機(jī)等一系列結(jié)構(gòu)要求和器件要 求均增加了檢測裝置實(shí)現(xiàn)難度，限制了檢測應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述在先技術(shù)的不足，提供一種光學(xué)焦點(diǎn)區(qū) 域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，具有三維光強(qiáng)分布檢測功能，裝置定位掃描 難度小，調(diào)節(jié)使用便利，光強(qiáng)分布測量精度高，結(jié)構(gòu)要求和器件要求低， 裝置實(shí)現(xiàn)難度低，應(yīng)用范圍廣泛等特點(diǎn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是光源經(jīng)過光束整形器整形后通過物鏡聚焦形 成被測焦點(diǎn)， 一維移動平臺帶動物鏡實(shí)現(xiàn)軸向移動進(jìn)行測試粗定位，三 維移動平臺帶動光纖探針進(jìn)行在焦點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維掃描實(shí)現(xiàn)三維光強(qiáng)分 布檢測，由監(jiān)視光源、分光鏡和圖像采集器構(gòu)成的監(jiān)視光路通過光譜分 光鏡耦合到被測光路中對裝置調(diào)節(jié)和測試過程進(jìn)行監(jiān)視，分析控制單元 對整個(gè)測試過程和結(jié)果進(jìn)行分析控制協(xié)調(diào)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為包括系統(tǒng)光源、光束整形器、光譜分光 鏡、物鏡、光纖探針、光電傳感器、分析控制單元、 一維移動平臺、三 維移動平臺、監(jiān)視光源、分光鏡和圖像采集器。光束整形器、光譜分光 鏡、物鏡依次設(shè)置在系統(tǒng)光源出射光束的光路上，光纖探針的針尖端對 應(yīng)物鏡光束出射方向設(shè)置，光纖探針的光能出射端與光電傳感器連接。 一維移動平臺與物鏡固定連接，三維移動平臺與光纖探針的針尖端連接。 監(jiān)視光源的出射光束方向上設(shè)置有分光鏡，監(jiān)視光源的出射光束經(jīng)過分 光鏡反射后射入光譜分光鏡的分光面，其在光譜分光鏡分光面上的射入 點(diǎn)與系統(tǒng)光源在光譜分光鏡分光面上的射入點(diǎn)重合，并且光譜分光鏡的 分光面設(shè)置在監(jiān)視光源經(jīng)過分光鏡分光面反射后的光束的光路與系統(tǒng)光 源出射光路的角平分線上。圖像采集器設(shè)置在監(jiān)視光源經(jīng)過分光鏡分光 面反射后光束的反向延長線上。 一維移動平臺、三維移動平臺、光電傳 感器、圖像采集器分別與分析控制單元信號連接。
所述的系統(tǒng)光源為半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、液體 激光器中的一種。
所述光譜分光鏡對系統(tǒng)光源出射光束的透過率大于85%，并且對監(jiān) 視光源出射光束的反射率的大于85% 。
所述的光束整形器是擴(kuò)束器、光束波前整形器、光強(qiáng)分布調(diào)節(jié)器中 的一種。
所述的光電傳感器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。 所述的一維移動平臺為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移元件 中的一種。
所述的三維移動平臺為步進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移元件中的一種。
所述的圖像采集器為面陣電荷耦合器件、面陣互補(bǔ)型金屬氧物半導(dǎo) 體晶體管、光學(xué)微通道板器件的一種。
本發(fā)明裝置的工作過程為系統(tǒng)光源發(fā)射出光束，經(jīng)過光束整形器進(jìn) 行擴(kuò)束和整形后射向光譜分光鏡，光譜分光鏡對于系統(tǒng)光源射出光束高 透過率，光譜分光鏡的透射光束經(jīng)過物鏡聚會形成被測焦點(diǎn)區(qū)域。光纖 探針的針尖設(shè)置在物鏡光束出射方向一側(cè)，光纖探針的光能出射一端與 光電傳感器相連接，光纖探針將針尖處光能收集傳輸?shù)焦怆妭鞲衅鳎瑢?shí) 現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，形成與光纖探針針尖處光強(qiáng)對應(yīng)的電信號，并且傳給分析 控制單元； 一維移動平臺與物鏡和分析控制單元相連接，分析控制單元 控制一維移動平臺帶動物鏡在物鏡入射光方向上移動，三維移動平臺與 分析控制單元和光纖探針的針尖一端相連接，分析控制單元控制三維移 動平臺帶動光纖探針針尖實(shí)現(xiàn)三維移動，測試時(shí)一維移動平臺首先帶動 物鏡移動，當(dāng)光纖探針的針尖在物鏡焦點(diǎn)區(qū)域附近時(shí)， 一維移動平臺停 止移動，由三維移動平臺帶動光纖探針針尖實(shí)現(xiàn)三維移動掃描，每個(gè)光 纖探針針尖位置上都檢測到一個(gè)與光纖探針針尖處光強(qiáng)信號，并傳給分 析控制單元，分析控制單元對光纖探針三維掃描的各點(diǎn)光強(qiáng)信號進(jìn)行重 構(gòu)處理，得到物鏡光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布。在測量過程中，監(jiān)視光 源發(fā)射光束經(jīng)過分光鏡反射后再被光譜分光鏡反射，經(jīng)過物鏡聚焦照射 到焦點(diǎn)區(qū)域，焦點(diǎn)區(qū)域反射光束依次經(jīng)過物鏡、光譜分光鏡反射、分光 鏡透射后被圖像采集器接收，將焦點(diǎn)區(qū)域情況成像并傳輸給分析控制單 元，對測量過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于裝置使用。
本發(fā)明裝置中通過分析控制單元控制一維移動平臺、三維移動平臺， 以及光電傳感器和圖像采集器將探測信號發(fā)送給分析控制單元進(jìn)行處 理，這些都是成熟技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)在于提供一種光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三 維光強(qiáng)分布檢測裝置的光路結(jié)構(gòu)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
1) 一維移動平臺帶動物鏡實(shí)現(xiàn)軸向移動進(jìn)行測試粗定位，三維移動 平臺帶動光纖探針進(jìn)行在焦點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維掃描實(shí)現(xiàn)三維光強(qiáng)分布檢 測，檢測裝置掃描位置定位調(diào)節(jié)難度低，調(diào)節(jié)使用便利；
2) 光纖探針在軸向位置粗調(diào)節(jié)是通過一維移動平臺帶動物鏡實(shí)現(xiàn)， 光纖探針三維掃描是通過維移動平臺實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)可移動部件彼此分離， 互不影響，故一維移動平臺粗調(diào)節(jié)對裝置測量精度影響很小，提高了光 強(qiáng)分布測量精度；
53) 此檢測裝置對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工定位要求低、結(jié)構(gòu)簡單、器件
要求低；
4) 由監(jiān)視光源、分光鏡和圖像采集器構(gòu)成的監(jiān)視光路通過光譜分光 鏡耦合到被測光路中，可以對裝置調(diào)節(jié)和測試過程進(jìn)行監(jiān)視。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖l，光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置包括系統(tǒng)光源l、光束 整形器2、光譜分光鏡3、物鏡4、光纖探針5、光電傳感器6、分析控制 單元7、 一維移動平臺8、三維移動平臺9、監(jiān)視光源10、分光鏡11和 圖像采集器12。光束整形器2、光譜分光鏡3、物鏡4依次設(shè)置在系統(tǒng)光 源1出射光束的光路上，光纖探針5的針尖端對應(yīng)物鏡4光束出射方向 設(shè)置，光纖探針5的光能出射端與光電傳感器6連接。 一維移動平臺8 與物鏡4固定連接，三維移動平臺9與光纖探針5的針尖端連接。監(jiān)視 光源10的出射光束方向上設(shè)置有分光鏡11，監(jiān)視光源10的出射光束經(jīng) 過分光鏡11反射后射入光譜分光鏡3的分光面，其在光譜分光鏡3分光 面上的射入點(diǎn)與系統(tǒng)光源1在光譜分光鏡3分光面上的射入點(diǎn)重合，并 且光譜分光鏡3的分光面設(shè)置在監(jiān)視光源10經(jīng)過分光鏡11分光面反射 后的光束的光路與系統(tǒng)光源1出射光路的角平分線上。圖像采集器12設(shè) 置在監(jiān)視光源10經(jīng)過分光鏡11分光面反射后光束的反向延長線上。分 析控制單元7與一維移動平臺8、三維移動平臺9、光電傳感器6、圖像 采集器12信號連接。
系統(tǒng)光源1為氬離子氣體激光器，光束整形器2是擴(kuò)束倍率可調(diào)的 光束擴(kuò)束光學(xué)部件，分析控制單元7為工控機(jī)，光電傳感器6為光電倍 增管，光纖探針5采用近場光學(xué)顯微鏡上通用的不待音叉光纖探針，圖 像采集器12為面陣電荷耦合器件， 一維移動平臺8為步進(jìn)電機(jī)，三維移 動平臺9為壓電陶瓷位移器，物鏡4采用Nikon平常消色差物鏡。
本發(fā)明裝置的工作過程為系統(tǒng)光源1發(fā)射出光束，經(jīng)過光束整形器2 進(jìn)行擴(kuò)束和整形后射向光譜分光鏡3，光譜分光鏡3對于系統(tǒng)光源1射出 光束高透過率，光譜分光鏡3的透射光束經(jīng)過物鏡4聚會形成被測焦點(diǎn) 區(qū)域。光纖探針5的針尖設(shè)置在物鏡4光束出射方向一側(cè)，光纖探針5 的光能出射一端與光電傳感器6相連接，光纖探針5將針尖處光能收集 傳輸?shù)焦怆妭鞲衅?，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化，形成與光纖探針5針尖處光強(qiáng)對應(yīng)的電信號，并且傳給分析控制單元7; —維移動平臺8與物鏡4和分析控 制單元7相連接，分析控制單元7控制一維移動平臺8帶動物鏡4在物 鏡4入射光方向上移動，三維移動平臺9與分析控制單元7和光纖探針5 的針尖一端相連接，分析控制單元7控制三維移動平臺9帶動光纖探針 針5尖實(shí)現(xiàn)三維移動，測試時(shí)一維移動平臺8首先帶動物鏡4移動，當(dāng) 光纖探針5的針尖在物鏡4焦點(diǎn)區(qū)域附近時(shí)， 一維移動平臺8停止移動， 由三維移動平臺9帶動光纖探針5針尖實(shí)現(xiàn)三維移動掃描，每個(gè)光纖探 針5針尖位置上都檢測到一個(gè)與光纖探針5針尖處光強(qiáng)信號，并傳給分 析控制單元7，分析控制單元7對光纖探針5三維掃描的各點(diǎn)光強(qiáng)信號進(jìn) 行重構(gòu)處理，得到物鏡4光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布。在測量過程中， 監(jiān)視光源10發(fā)射光束經(jīng)過分光鏡11反射后再被光譜分光鏡3反射，經(jīng) 過物鏡4聚焦照射到焦點(diǎn)區(qū)域，焦點(diǎn)區(qū)域反射光束依次經(jīng)過物鏡4、光譜 分光鏡反射3、分光鏡11透射后被圖像采集器12接收，將焦點(diǎn)區(qū)域情況 成像并傳輸給分析控制單元7，對測量過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，便于裝置使用。 本實(shí)施例成功地對Nikon平常消色差物鏡實(shí)現(xiàn)了光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)
權(quán)利要求
1、光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，包括系統(tǒng)光源、光束整形器、光譜分光鏡、物鏡、光纖探針、光電傳感器、分析控制單元、一維移動平臺、三維移動平臺、監(jiān)視光源、分光鏡和圖像采集器，其特征在于光束整形器、光譜分光鏡、物鏡依次設(shè)置在系統(tǒng)光源出射光束的光路上，光纖探針的針尖端對應(yīng)物鏡光束出射方向設(shè)置，光纖探針的光能出射端與光電傳感器連接；一維移動平臺與物鏡固定連接，三維移動平臺與光纖探針的針尖端連接；監(jiān)視光源的出射光束方向上設(shè)置有分光鏡，監(jiān)視光源的出射光束經(jīng)過分光鏡反射后射入光譜分光鏡的分光面，其在光譜分光鏡分光面上的射入點(diǎn)與系統(tǒng)光源在光譜分光鏡分光面上的射入點(diǎn)重合，并且光譜分光鏡的分光面設(shè)置在監(jiān)視光源經(jīng)過分光鏡分光面反射后的光束的光路與系統(tǒng)光源出射光路的角平分線上；圖像采集器設(shè)置在監(jiān)視光源經(jīng)過分光鏡分光面反射后光束的反向延長線上，一維移動平臺、三維移動平臺、光電傳感器、圖像采集器分別與分析控制單元信號連接。
2、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，其特征在于所述的系統(tǒng)光源為半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、 液體激光器中的一種。
3、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，其特征在于所述光譜分光鏡對系統(tǒng)光源出射光束的透過率大于85%，并且對監(jiān)視光源出射光束的反射率的大于85% 。
4、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，其特征在于所述的光束整形器是擴(kuò)束器、光束波前整形器、光強(qiáng)分布調(diào)節(jié)器中的一種。
5、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，其特征在于所述的光電傳感器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一 種。
6、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，其特征在于所述的一維移動平臺為歩進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移 元件中的一種。
7、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，其特征在于所述的三維移動平臺為歩進(jìn)電機(jī)、壓電陶瓷位移器、納米位移 元件中的一種。
8、 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置，其特征在于所述的圖像采集器為面陣電荷耦合器件、面陣互補(bǔ)型金屬氧物 半導(dǎo)體晶體管、光學(xué)微通道板器件的---種。
全文摘要
本發(fā)明涉及光學(xué)焦點(diǎn)區(qū)域三維光強(qiáng)分布檢測裝置。現(xiàn)有技術(shù)采用調(diào)整架與壓電陶瓷掃描器連接影響了測量精度，并且光機(jī)定位要求高，裝置實(shí)現(xiàn)難度大。本發(fā)明中光源經(jīng)過光束整形器的整形后，通過物鏡聚焦形成被測焦點(diǎn)，一維移動平臺帶動物鏡實(shí)現(xiàn)軸向移動進(jìn)行測試粗定位，三維移動平臺帶動光纖探針進(jìn)行在焦點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行三維掃描實(shí)現(xiàn)三維光強(qiáng)分布檢測，由監(jiān)視光源、分光鏡和圖像采集器構(gòu)成的監(jiān)視光路通過光譜分光鏡耦合到被測光路中對裝置調(diào)節(jié)和測試過程進(jìn)行監(jiān)視，分析控制單元對整個(gè)測試過程和結(jié)果進(jìn)行分析控制協(xié)調(diào)。本發(fā)明具有機(jī)械加工定位要求低、系統(tǒng)構(gòu)成簡單、器件要求低、測量精度高，使用便利等特點(diǎn)。
文檔編號G01J1/42GK101476935SQ200910095489
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月19日
發(fā)明者健 王, 郭舒文, 高秀敏 申請人:杭州電子科技大學(xué)