專利名稱：對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于聚焦光斑精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置及其使用方法。
背景技術(shù)：
隨著激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，在眾多的與激光相關(guān)的工程應(yīng)用中，對(duì)經(jīng)過(guò)透鏡后聚焦光斑的大小提出了一定的要求，例如在激光加工過(guò)程中，聚焦光斑的大小代表了加工手段的分辨率及加工精度，是激光切割、激光焊接等工藝過(guò)程的重要指標(biāo)之一；在激光光纖耦合中，如果激光經(jīng)過(guò)耦合透鏡后聚焦光斑大于光纖芯徑，則會(huì)降低激光的耦合效率，造成能量的浪費(fèi)；對(duì)于精密制版光刻鏡頭而言，聚焦光斑的尺度無(wú)疑是光刻技術(shù)中最重要的指標(biāo)； 在激光打標(biāo)過(guò)程中，如果光斑聚焦的不夠精細(xì)，激光的功率密度下降非?？?，不利于加工進(jìn)行?？梢?jiàn)，在這些領(lǐng)域中，準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)或檢測(cè)出聚焦光點(diǎn)的尺度是非常重要的。聚焦光斑的大小受到多種因素的影響，其中最重要的因素有激光的發(fā)光模式、光波衍射、及聚焦系統(tǒng)的像差等。激光模式主要由激光器和光束傳輸系統(tǒng)決定，后兩種因素主要由透鏡的幾何參數(shù)及光學(xué)參數(shù)決定。由于聚焦點(diǎn)尺度是激光器和光學(xué)系統(tǒng)相互作用的結(jié)果，而且與鏡組的加工工序及使用環(huán)境有關(guān)，所以聚焦光斑的實(shí)際尺寸與按照相關(guān)理論設(shè)計(jì)及軟件仿真結(jié)果會(huì)有一定的差異。目前，受到相關(guān)工程領(lǐng)域研究的需要，出現(xiàn)了一些激光光斑尺寸、模式的測(cè)量方法，例如王虎等人于2001年在《光子學(xué)報(bào)》中發(fā)表的《一種CCD輔助測(cè)量基模(TEMOO)激光光斑尺寸的方法》，趙德剛等人于2006年申請(qǐng)了《一種測(cè)量小光斑尺寸的方法》，另外利用刀口法測(cè)量激光光斑尺寸的研究也比較成熟。但是這些方法主要都是研究激光在直進(jìn)過(guò)程中的光斑分布，均不能用于對(duì)聚焦光斑的尺度進(jìn)行分析測(cè)量。技術(shù)內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置及其使用方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不能對(duì)聚焦光斑的尺度進(jìn)行分析測(cè)量。為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置，包括準(zhǔn)直激光光源、反射與透射切換單元、分光鏡、聚光鏡、光功率探測(cè)器、第一直線運(yùn)動(dòng)單元、第二直線運(yùn)動(dòng)單元、雙縫、聚焦透鏡、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)。其中準(zhǔn)直激光光源、分光鏡、反射與透射切換單元、雙縫、聚焦透鏡、CCD相機(jī)共光路依次設(shè)置，反射與透射切換單元設(shè)置于第一直線運(yùn)動(dòng)單元上，雙縫和聚焦透鏡設(shè)置于第二直線運(yùn)動(dòng)單元上，所述分光鏡的反射光路上依次設(shè)置有聚光鏡和光功率探測(cè)器，光功率探測(cè)器5、直線運(yùn)動(dòng)單元、第二直線運(yùn)動(dòng)單元、CXD相機(jī)均與計(jì)算機(jī)連接。上述裝置的測(cè)量方法，依次包括下述步驟
將被測(cè)透鏡設(shè)置在分光鏡與反射與透射切換單元之間，激光器發(fā)出的準(zhǔn)直激光經(jīng)過(guò)被測(cè)透鏡聚焦為一定尺度的光斑，使透反射切換單元工作在反射狀態(tài)，并利用第一直線運(yùn)動(dòng)單元和第二直線運(yùn)動(dòng)單元所帶有的計(jì)數(shù)功能記錄反射面當(dāng)前位置Al及雙縫當(dāng)前位置Bl ； 計(jì)算控制單元驅(qū)動(dòng)第一直線運(yùn)動(dòng)單元，帶動(dòng)反射面，沿光軸方向從透鏡焦后推掃到焦前；反射光經(jīng)分光鏡后，由聚光鏡聚焦到光功率探測(cè)器，并由計(jì)算機(jī)記錄反射面在不同位置時(shí)的光功率值；
通過(guò)計(jì)算分析確定功率曲線頂點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的反射面位置A2，使透反射切換單元工作在透射狀態(tài)；
計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)單元沿光軸方向做前后推掃運(yùn)動(dòng)，CCD相機(jī)采集不同推掃位置的干涉花樣；利用計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的干涉花樣進(jìn)行濾波去噪處理，分析計(jì)算雙縫在不同位置所采集的干涉花樣的對(duì)比度，繪制對(duì)比度變化曲線；利用計(jì)算機(jī)分析對(duì)比度變化曲線，計(jì)算曲線在不同推掃位置對(duì)應(yīng)的斜率，將原對(duì)比度曲線分為斜率變化區(qū)及斜率固定區(qū)，并確定兩個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)B2 ；
被測(cè)透鏡的聚焦光斑與雙縫之間的距離為 L=|| B2-B1 I - I A2-A1 | |
所選用的雙縫的間距為d，激光光源的波長(zhǎng)為λ，則被測(cè)聚焦光斑的直徑D為
D = λ氺L/d
滿足相干條件的兩路或者多路光可以發(fā)生干涉，干涉花樣的對(duì)比度是描述干涉場(chǎng)分布的主要依據(jù)，光波干涉具有時(shí)間相干性和空間相干性。本發(fā)明的基本思想是利用光波干涉的空間相干性來(lái)測(cè)量聚焦光斑的大小，在聚集光斑傳播方向上放置一定間距的雙縫，根據(jù)雙縫干涉花樣的對(duì)比度來(lái)確定光斑的大小。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1.將聚焦光斑尺度與光波的空間相干性聯(lián)系，通過(guò)測(cè)量光波的空間相干寬度實(shí)現(xiàn)了聚焦光斑尺度的定量測(cè)量；
2.激光共聚焦具有亞微米水平的縱向分辨能力，本發(fā)明利用激光共聚焦方法實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)定位功能，大大提高了定位精度，同時(shí)也提高了測(cè)量精度；
3.兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)單元的設(shè)置，可以對(duì)不同焦距的透鏡聚焦能力進(jìn)行測(cè)量，擴(kuò)展了本裝置的使用范圍。4.可用于測(cè)量激光加工、光纖耦合、激光打標(biāo)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的高分辨率、高精度工作過(guò)程中聚焦光斑的尺寸。


圖1為本發(fā)明的聚焦光斑尺寸測(cè)量裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖具體說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方案。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明提供的一種對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置，包括準(zhǔn)直激光光源1、反射與透射切換單元2、分光鏡3、聚光鏡4、光功率探測(cè)器5、第一直線運(yùn)動(dòng)單元6、第二直線運(yùn)動(dòng)單元7、雙縫9、聚焦透鏡10、CXD相機(jī)11、計(jì)算機(jī)12。其中準(zhǔn)直激光光源1、分光鏡3、反射與透射切換單元2、雙縫9、聚焦透鏡10、CXD相機(jī)11共光路依次設(shè)置， 反射與透射切換單元2設(shè)置于第一直線運(yùn)動(dòng)單元6上，雙縫9和聚焦透鏡10設(shè)置于第二直線運(yùn)動(dòng)單元7上，所述分光鏡3的反射光路上依次設(shè)置有聚光鏡4和光功率探測(cè)器5， 光功率探測(cè)器5、直線運(yùn)動(dòng)單元6、第二直線運(yùn)動(dòng)單元7、CXD相機(jī)11均與計(jì)算機(jī)12連接。上述裝置的測(cè)量方法，依次包括下述步驟
將被測(cè)透鏡8設(shè)置在分光鏡3與反射與透射切換單元2之間，激光器1發(fā)出的準(zhǔn)直激光經(jīng)過(guò)被測(cè)透鏡聚焦為一定尺度的光斑，使透反射切換單元2工作在反射狀態(tài)，并利用第一直線運(yùn)動(dòng)單元6和第二直線運(yùn)動(dòng)單元7所帶有的計(jì)數(shù)功能記錄反射面12當(dāng)前位置Al及雙縫9當(dāng)前位置Bl ；
計(jì)算控制單元12驅(qū)動(dòng)第一直線運(yùn)動(dòng)單元6，帶動(dòng)反射面12，沿光軸方向從透鏡8焦后推掃到焦前；反射光經(jīng)分光鏡3后，由聚光鏡4聚焦到光功率探測(cè)器5，并由計(jì)算機(jī)12記錄反射面在不同位置時(shí)的光功率值；
通過(guò)計(jì)算分析確定功率曲線頂點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的反射面位置A2，使透反射切換單元2工作在透射狀態(tài)；
計(jì)算機(jī)12驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)單元7沿光軸方向做前后推掃運(yùn)動(dòng)，CCD相機(jī)采集不同推掃位置的干涉花樣；利用計(jì)算機(jī)12對(duì)采集到的干涉花樣進(jìn)行濾波去噪處理，分析計(jì)算雙縫在不同位置所采集的干涉花樣的對(duì)比度，繪制對(duì)比度變化曲線；利用計(jì)算機(jī)12分析對(duì)比度變化曲線，計(jì)算曲線在不同推掃位置對(duì)應(yīng)的斜率，將原對(duì)比度曲線分為斜率變化區(qū)及斜率固定區(qū)，并確定兩個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)B2 ；
被測(cè)透鏡8的聚焦光斑與雙縫9之間的距離為 L=|| B2-B1 I - I A2-A1 | |
所選用的雙縫的間距為d，激光光源的波長(zhǎng)為λ，則被測(cè)聚焦光斑的直徑D為
D = λ氺L/d
本發(fā)明裝置中，其中的光功率探測(cè)器5、聚光鏡4、分光鏡3、被測(cè)透鏡13及反射面2共同完成激光共聚焦定位功能，雙縫9、聚焦透鏡10、直線運(yùn)動(dòng)單元7及CCD相機(jī)11共同完成空間相干性聚焦點(diǎn)尺度測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置，其特征在于包括準(zhǔn)直激光光源 (1)、反射與透射切換單元(2)、分光鏡(3)、聚光鏡(4)、光功率探測(cè)器(5)、第一直線運(yùn)動(dòng)單元(6)、第二直線運(yùn)動(dòng)單元(7)、雙縫(9)、聚焦透鏡(10)、C⑶相機(jī)(11)、計(jì)算機(jī)(12)，其中準(zhǔn)直激光光源(1)、分光鏡(3)、反射與透射切換單元(2)、雙縫(9)、聚焦透鏡(10)、C⑶相機(jī)(11)共光路依次設(shè)置，反射與透射切換單元(2)設(shè)置于第一直線運(yùn)動(dòng)單元(6)上，雙縫 (9)和聚焦透鏡(10)設(shè)置于第二直線運(yùn)動(dòng)單元(7)上，所述分光鏡(3)的反射光路上依次設(shè)置有聚光鏡(4)和光功率探測(cè)器(5)，光功率探測(cè)器(5)、直線運(yùn)動(dòng)單元(6)、第二直線運(yùn)動(dòng)單元(7)、CCD相機(jī)(11)均與計(jì)算機(jī)(12)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置，其特征在于上述裝置的測(cè)量方法，依次包括下述步驟將被測(cè)透鏡(8)設(shè)置在分光鏡(3)與反射與透射切換單元(2)之間，激光器(1)發(fā)出的準(zhǔn)直激光經(jīng)過(guò)被測(cè)透鏡聚焦為一定尺度的光斑，使透反射切換單元(2)工作在反射狀態(tài)，并利用第一直線運(yùn)動(dòng)單元(6)和第二直線運(yùn)動(dòng)單元(7)所帶有的計(jì)數(shù)功能記錄反射面(12)當(dāng)前位置Al及雙縫(9)當(dāng)前位置Bl ；計(jì)算控制單元12驅(qū)動(dòng)第一直線運(yùn)動(dòng)單元(6)，帶動(dòng)反射面(12)，沿光軸方向從透鏡(8) 焦后推掃到焦前；反射光經(jīng)分光鏡(3)后，由聚光鏡(4)聚焦到光功率探測(cè)器(5)，并由計(jì)算機(jī)(12)記錄反射面在不同位置時(shí)的光功率值；通過(guò)計(jì)算分析確定功率曲線頂點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的反射面位置A2，使透反射切換單元2工作在透射狀態(tài)；計(jì)算機(jī)(12)驅(qū)動(dòng)直線運(yùn)動(dòng)單元(7)沿光軸方向做前后推掃運(yùn)動(dòng)，CCD相機(jī)采集不同推掃位置的干涉花樣；利用計(jì)算機(jī)(12)對(duì)采集到的干涉花樣進(jìn)行濾波去噪處理，分析計(jì)算雙縫在不同位置所采集的干涉花樣的對(duì)比度，繪制對(duì)比度變化曲線；利用計(jì)算機(jī)(12)分析對(duì)比度變化曲線，計(jì)算曲線在不同推掃位置對(duì)應(yīng)的斜率，將原對(duì)比度曲線分為斜率變化區(qū)及斜率固定區(qū)，并確定兩個(gè)區(qū)域的交點(diǎn)B2 ；被測(cè)透鏡(8)的聚焦光斑與雙縫(9)之間的距離為L(zhǎng)=|| B2-B1 I - I A2-A1 | |所選用的雙縫的間距為d，激光光源的波長(zhǎng)為λ，則被測(cè)聚焦光斑的直徑D為D = λ 氺L/cL
全文摘要
本發(fā)明屬于聚焦光斑精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)聚焦光學(xué)系統(tǒng)聚焦光斑尺寸測(cè)量的裝置及其使用方法，包括準(zhǔn)直激光光源、反射與透射切換單元、分光鏡、聚光鏡、光功率探測(cè)器、第一直線運(yùn)動(dòng)單元、第二直線運(yùn)動(dòng)單元、雙縫、聚焦透鏡、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)，其中準(zhǔn)直激光光源、分光鏡、反射與透射切換單元、雙縫、聚焦透鏡、CCD相機(jī)共光路依次設(shè)置，反射與透射切換單元設(shè)置于第一直線運(yùn)動(dòng)單元上,雙縫和聚焦透鏡設(shè)置于第二直線運(yùn)動(dòng)單元上,所述分光鏡的反射光路上依次設(shè)置有聚光鏡和光功率探測(cè)器，光功率探測(cè)器、直線運(yùn)動(dòng)單元、第二直線運(yùn)動(dòng)單元、CCD相機(jī)均與計(jì)算機(jī)連接，通過(guò)一定的使用方法以克服現(xiàn)有技術(shù)不能用于對(duì)聚焦光斑的尺度進(jìn)行分析測(cè)量的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102507156SQ20111035212
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者劉丙才, 王春慧, 王紅軍, 田愛(ài)玲 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)