檢測光學系統光遠場參量的方法及其裝置的製作方法

2023-09-21 09:15:50 3

專利名稱：檢測光學系統光遠場參量的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明是一種檢測光學系統光遠場參量的方法及其裝置。主要用於光學系統小光斑的檢測。
準確地測量光遠場(離被測樣品表面距離超過二分之一波長的區域，稱為光遠場)的參量，可以更進一步研究光學系統光遠場的性質和應用，也可以準確地判斷光源的特性或檢驗光學系統的質量。例如利用小光斑檢測判斷光學系統的成像質量或光學元件的加工質量。在先技術中對小光斑的檢測主要有刀口掃描法(參見《光學測量》，北京工業學院蘇大圖主編，機械工業出版社，1988年6月，262頁)以及測量光學系統出瞳處的光強分布和波像差由計算得到小光斑的光強分布的方法(參見《光學車間檢驗》，D.馬拉卡拉主編，機械工業出版社，1983年8月，47頁)。當會聚光斑直徑的尺寸接近波長的一半(λ/2)時，用上述的刀口掃描法無法精確地測量光斑的強度分布，後一種測量光學系統出瞳處的光強分布和波像差計算光斑的光強分布所用的測量裝置和測量過程很複雜，實時性和環境適應性也很差。上述兩種測量都只能測量光場的強度分布，不能測量包括光場偏振態等在內的完整信息。而在先技術中的近場光學顯微鏡僅用於光近場參量的測量(參見Near-FieldOpticsMicroscopy，Spectroscopy，and Surface Modification Beyond theDiffraction Limit，Eric Betzig and Jay K.Trautman，SCIENCE Vol.257，10 July1992)。
本發明的目的是提供一種檢測被測樣品光遠場參量的方法及其裝置，它將能夠彌補在先技術中的小光斑測量方法存在的缺陷、並能夠進行高空間分辨高精度實時方便的光遠場參量的測量。
本發明的檢測方法是採用將光纖端部帶小孔(最小孔徑達幾納米)的針尖置於被測樣品光遠場位置上進行掃描的光纖探針掃描法。具體步驟是1將光纖探針的針尖置於被測樣品的焦點上，進行掃描，掃出焦點上光斑的大小；2將光纖探針的針尖置於被測樣品焦點之前距焦點五倍焦深D距離的位置和置於焦點之後距焦點五倍焦深D距離的位置上進行掃描，也就是說離開焦點為正負五倍焦深D的距離進行掃描，掃出焦點前和焦點後的兩個光斑。焦深D＝λ/NA2，其中λ為檢測時所使用光源的波長，NA為被測樣品的數值孔徑。
3根據上述獲得焦點上，焦點前和焦點後的三個光斑的圖樣，利用普通光學車間加工檢驗的星點檢驗法，判斷被測樣品的成像質量。如圖4所示的流程圖。
上述本發明的方法所採用的裝置包括光源1，在光源1發射光束G前進的方向上，中心軸線O1O1與光源1的光軸OO相重合地置有光纖掃描器3，光纖掃描器3內的中心軸線O1O1上置有光纖探針4，光纖探針4的針尖401對著光源1發射光束G前進的方向，光纖探針4的光纖404將光束傳送到光電探測器6上，光電探測器6的輸出通過鎖相放大器7放大後輸入到計算機8上。計算機8對鎖相放大器7輸出的電信號進行A/D轉換與採集，再經圖像處理後顯示測量結果的光遠場分布狀況(三維的或二維的)。光纖掃描器3通過高壓放大器5與計算機8相連。也就是說，計算機8控制高壓放大器5的高壓輸出到光纖掃描器3上，從而計算機8控制光纖掃描器3的掃描。測量時，被測樣品2置於光源1與光纖掃描器3之間，如圖1和圖3所示。
所說的光纖掃描器3具有三維掃描方向，它包括掃描器主體303，掃描器主體303置於帶上下運動馬達301和左右移動馬達304的支架302內，支架302置於帶前後運動馬達306的導軌305上。如圖2所示。
所說的掃描器主體303包括筒壁上帶有穿線孔3038的圓筒3035，圓筒3035的前端有針尖保護罩3033，圓筒3035的後端有後保護罩3037，圓筒3035內與圓筒3035同中心軸線O1O1的置有細圓筒3036，圓筒3035壁的兩端面是凹凸形，在圓筒3035前端的凹端面內固定有與圓筒3035同中心軸線O1O1的壓電陶瓷掃描管3034，壓電陶瓷掃描管3034前端上套有絕緣環3032，蓋在絕緣環3032前端上有軟鐵罩3031。上述掃描器主體303內，前端的針尖保護罩3033，軟鐵罩3031，細圓筒3036至後端的保護罩3037均共中心軸線O1O1地開有供光纖探針4穿過的中心通孔。如圖3所示。
所說的光纖探針4包括前端帶有鍍金屬膜的納米直徑的小孔402的針尖401，針尖401的後面帶著長長的光纖404。靠近針尖401一端的光纖404外套有磁性塊403，光纖探針4與掃描器主體303同中心軸線O1O1且置於光纖掃描器3的掃描器主體303的中心位置上，則光纖探針4穿過針尖保護罩3033，軟鐵罩3031，細圓筒3036以及後保護罩3037的中心通孔。其中光纖探針4的針尖401恰好裝在針尖保護罩3033的中心通孔內，以利針尖保護罩3033對針尖401起到保護作用。磁性塊403吸附在軟鐵罩3031上。由細圓筒3036將光纖探針4固定於掃描器主體303內。
上述掃描器主體303內的壓電陶瓷掃描管3034通過圓筒3035壁上的穿線孔3038引出的導線連接到驅動壓電陶瓷掃描管3034實現高精度兩維或三維空間掃描的高壓放大器5上；光纖探針4的外徑與細圓筒3036的內徑膠合一體，因此由細圓筒3036將光纖探針4固定在圓筒3035內。磁性塊403與光纖探針4上的光纖404固定為一體，利用磁力磁性塊403固定在軟鐵罩3031的端面上，可以保證光纖探針4的針尖401隨壓電陶瓷掃描管3034的掃描進行掃描而不受外界幹擾；光纖探針4的光纖404尾端對準光電探測器6的光敏面；針尖保護罩3033旋出時可以保護針尖401不受損傷，測量時旋進針尖保護罩3033露出針尖401就可以進行測量。(見圖3)所說的光源1是雷射器，或者是白熾燈，或者是其他光源，光源的選擇是依據被測樣品2的工作波段而定。被測樣品2也可以本身帶光源的，當然也可不帶光源；被測樣品2可以是一個完整的光學系統，也可以是光學元部件或光學零件。被測樣品2置於光源1與光纖掃描器3之間，被測樣品2與光源1同光軸或者不同光軸。
測量過程中，如上述圖1的結構，將被測樣品2置於光源1與光纖掃描器3之間，當光源1發出的光束G經過被測樣品2後，會聚於焦點上，首先開啟光纖掃描器3上的上下運動馬達301、左右運動馬達304以及前後運動馬達306將光纖探針4的針尖401粗調整到光斑附近，然後由計算機8輸出的控制信號控制高壓放大器5輸出的高壓信號，推動壓電陶瓷掃描管3034帶動光纖探針4針尖401對聚焦光斑進行兩維掃描，光信號被針尖401上的小孔402接收後，經過光纖404傳輸到光電探測器6，光信號經光電探測器6的光電轉換後，其輸出信號經鎖相放大器件7放大和降噪後輸入到計算機8，計算機8首先對信號A/D轉換和採樣，並處理，最後顯示結果。再根據測量的結果，計算機8自動調整光纖探針4的針尖401的位置，直至被測樣品2所射出的光斑在針尖401的掃描區域的中心位置上，且所得的光斑大小為最小，這時光纖探針4的針尖401位於焦面上，從圖像中可得到焦面光斑的大小，再通過調到離開焦點前五倍焦深D距離的位置和離開焦點後五倍焦深D距離位置處各測得兩個光斑，即為前後兩離焦光斑，可觀察焦前焦後光場的分布，再用星點檢驗法比較所獲得的三個光斑，判斷被測樣品2的成像質量。
本發明的優點本發明的測量方法是光纖探針置於被測樣品2的焦點及焦點前後進行掃描，測得的光斑是光遠場(距被測樣品2距離大於λ/2)的圖樣。本發明的測量裝置的光纖掃描器3帶動光纖探針4作三維方向的粗調和三維方向的細調，尤其是細調採用能高空間分辨的三維掃描的壓電陶瓷掃描管3034(計算機8用16位D/A控制高壓放大器5的輸出，從而控制壓電陶瓷掃描管3034的掃描)帶動具有高空間解析度的帶有鍍金屬膜的納米直徑的小孔402(小孔直徑最小可達幾納米)的針尖401對聚焦光斑以及離焦光斑進行高空間分辨兩維或三維掃描和採樣，能夠實現光遠場高精度光參量測量。由於採用直接光纖掃描測量方法，所以又可實時給出光參量的兩維或三維分布。本發明的測量裝置配合本發明的檢測方法，測量範圍廣。首先能夠檢測的被測樣品2廣泛，可以是光學系統，光學元部件，光學零件等，其次測量的參量多，可以是光強分布，偏振態分布、光譜狀況、光斑質量等。本發明的測量方法容易實現，測量裝置結構簡單。光源1可進行光強調製，接收部分採用鎖相放大器件7能夠有效消除各種噪聲(光學或電子學)，對環境的適應性強。


圖1是本發明的檢測光學系統光遠場的裝置示意圖。
圖2是光纖掃描器3正面外形示意圖。
圖3是光纖掃描器3內的掃描器主體303和光纖探針4的結構剖視圖。
圖4是本發明的檢測方法的流程圖。
實施例
裝置如圖1、圖2、圖3所示。光源1選用氦氖(He-Ne)雷射器，被測樣品2為一般準直擴束系統201和DVD光頭中的聚焦透鏡202的組合件，選用帶有鍍金屬膜的直徑為50納米的小孔402，針尖401的後面帶有長長的光纖404。光電探測器6用H6780-04型的光電倍增管。按照上述的測量步驟和圖4所示的流程圖，測量出上述被測樣品2的光學組件的光斑質量，測量的空間解析度為50nm，光參量測量精度優於1％。
權利要求
1.一種檢測光學系統光遠場參量的方法，其特徵在於是採用光纖端部帶小孔的針尖置於被測樣品光遠場位置上進行掃描的光纖探針掃描法，其具體步驟是1將光纖探針的針尖置於被測樣品的焦點上，進行掃描，掃出焦點上光斑的大小；2將光纖探針的針尖置於被測樣品焦點之前距焦點五倍焦深D距離的位置和置於焦點之後距焦點五倍焦深D距離的位置上進行掃描，掃出焦點前和焦點後的兩個光斑，上述焦深D＝λ/NA2，其中λ為檢測時所使用光源的波長，NA為被測樣品的數值孔徑；3根據上述獲得焦點上，焦點前和焦點後的三個光斑的圖樣，利用普通光學車間加工檢驗的星點檢驗法，判斷被測樣品的成像質量。
2.一種檢測光學系統光遠場參量的裝置，包括光源(1)，光電探測器(6)和計算機(8)，其特徵在於1在光源(1)發射光束(G)前進的方向上，中心軸線(O1O1)與光源(1)的光軸(OO)相重合地置有光纖掃描器(3)，被測樣品(2)置於光源(1)與光纖掃描器(3)之間；2光纖掃描器(3)內的中心軸線(O1O1)上置有針尖(401)對著光源(1)發射光束(G)前進方向的光纖探針(4)；3光纖探針(4)的光纖(404)將光束傳送到光電探測器(6)上，光電探測器(6)的輸出通過鎖相放大器(7)放大後輸入到計算機(8)上；4計算機(8)控制高壓放大器(5)的高壓輸出到光纖掃描器(3)上。
3.根據權利要求2所述的檢測光學系統光遠場參量的裝置，其特徵在於所說的光纖掃描器(3)包括置於帶上下運動馬達(301)和左右移動馬達(304)的支架(302)內的掃描器主體(303)，支架(302)置於帶前後運動馬達(306)的導軌(305)上。
4.根據權利要求2或3所述的檢測光學系統光遠場參量的裝置，其特徵在於所說的光纖掃描器(3)的掃描器主體(303)包括筒壁上帶有穿線孔(3038)的圓筒(3035)，圓筒(3035)的前端有針尖保護罩(3033)，圓筒(3035)的後端有後保護罩(3037)，圓筒(3035)內與圓筒(3035)同中心軸線(O1O1)的置有細圓筒(3036)，圓筒(3035)壁的兩端面是凹凸形，在圓筒(3035)前端的凹端面內固定有與圓筒(3035)同中心軸線(O1O1)的壓電陶瓷掃描管(3034)，壓電陶瓷掃描管(3034)前端上套有絕緣環(3032)，蓋在絕緣環(3032)前端上有軟鐵罩(3031)。上述前端的針尖保護罩(3033)，軟鐵罩(3031)，細圓筒(3036)至後端的後保護罩(3037)均共中心軸線(O1O1)地開有供光纖探針(4)穿過的中心通孔。
5.根據權利要求2所述的檢測光學系統光遠場參量的裝置，其特徵在於所說的置於光纖掃描器(3)內中心軸線(O1O1)上的針尖(401)對著光源(1)發射光束(G)前進方向的光纖探針(4)包括前端帶有鍍金屬膜的納米直徑的小孔(402)的針尖(401)，針尖(401)的後面帶著光纖(404)，靠近針尖(401)一端光纖(404)外套有磁性塊(403)。
全文摘要
一種檢測光學系統光遠場參量的方法及其裝置。檢測方法是將光纖探針的帶小孔針尖置於被測樣品光遠場位置上進行掃描的光纖探針掃描法。檢測的裝置主要包含中心軸線上置有光纖探針的具有三維粗細調的光纖掃描器,光纖探針將接收到的光信號傳送給光電探測器,再經鎖相放大器輸入計算機。計算機通過高壓放大器控制光纖探針掃描。具有對被測樣品光遠場的高精度和實時給出光參量的兩維或三維分布的特點。
文檔編號G01M11/02GK1274842SQ00116390
公開日2000年11月29日 申請日期2000年6月8日 優先權日2000年6月8日
發明者徐文東, 孫潔林, 林強, 幹福熹 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所