一种自动调节的斜入射光路的制作方法

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种自动调节的斜入射光路。

背景技术：

光源斜入射至样品是光学检测应用中最常见的方式之一。目前常见的实现方式是通过反射镜组合的安放角度及位置调节实现原定光学设计。该方式具有设计灵活、能实现较紧凑结构等优势，在许多光学仪器中广泛采用。由于固定元件松动，零件老化、样品台高度变动等原因，通过反射镜组合实现的固定角度光源斜入射在使用中常常会发生偏移，导致入射角度、照射位置、聚焦效果等发生变化。对于精密光学仪器，即使细微的变化也将导致仪器效果改变，因此，长期稳定的斜入射照明光路对于许多精密光学仪器十分重要。

针对此问题，现有方法主要通过优化机械固定件稳定性及定期光学校准实现。其中，优化机械固定效果可以减小光路发生偏移的概率，但不可能实现完美固定；定期校准可以保证仪器长时间使用的稳定性，但它要求操作人员具有一定的操作技能且非常熟悉仪器原理结构，一般需要专门的工程师进行，并且由于校正前后光路差别也会影响仪器稳定性。

技术实现要素：

本申请实施例通过提供一种自动调节的斜入射光路，解决了现有技术中不能自动监控和调节反射镜，且在反射镜发生偏移后，校准精度较低、难度较大、花费时间较长的问题。

本申请实施例提供一种自动调节的斜入射光路，包括：激光器，所述激光器发出光束；第一反射镜，所述第一反射镜改变所述光束的传播方向，使所述光束斜入射至样品台表面；所述第一反射镜由电动旋转镜架控制旋转角度；第二反射镜，所述第二反射镜改变经所述样品台反射出的光束的传播方向；分束器，经所述第二反射镜反射后的光束入射至所述分束器中；所述分束器将所述光束分为第一光束和第二光束；位置探测器，所述第一光束入射至所述位置探测器中；所述位置探测器探测得到第二子坐标系中光束中心位置；控制单元，所述控制单元获取所述第二子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第二子坐标系中光束中心位置计算得出第一子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第一子坐标系中光束中心位置计算得到所述第一反射镜需要调整的角度；所述控制单元将所述需要调整的角度通过发布指令传递给所述电动旋转镜架，从而调整所述第一反射镜的旋转角度。

优选的，所述光路还包括：光阱，所述第二光束入射至所述光阱中。

优选的，所述第一光束的强度小于所述第二光束的强度。

优选的，所述第二反射镜和所述分束器之间还设置有第一透镜，所述第一透镜对所述经第二反射镜反射后的光束进行会聚。

优选的，所述激光器和所述第一反射镜之间还设置有第三反射镜，所述第三反射镜改变所述光束的传播方向。

优选的，所述第三反射镜为多个。

优选的，所述激光器和所述第一反射镜之间还设置有第一光学元件，所述第一光学元件对光束进行扩束和/或整形。

优选的，所述第一光学元件为第一透镜组。

优选的，所述激光器和所述第一反射镜之间还设置有第二光学元件，所述第二光学元件对光束进行会聚。

优选的，所述第二光学元件为第二透镜。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本申请实施例中，结合电动旋转镜架的可控调节、反射光的位置探测以及控制单元的信息处理，实现了光束中心位置的监测及自动调节，保证了光束入射角度及其在样品台上照射位置的精确性，保证了斜入射光路的长期稳定性。

进一步的，在本申请实施例中，结合电动旋转镜架的可控调节、反射光的位置探测以及控制单元的信息处理，整个反馈系统十分迅速，具有快速检测、迅速调节的特点。

进一步的，在本申请实施例中，采用位置探测器实现光束中心位置偏离判断，且通过反射光进行光束中心位置分析，能在不影响光路的条件下精确得到光束中心的偏离程度。

进一步的，在本申请实施例中，通过硬件与控制单元相结合，整个调节过程不需要进行人工手动光路调节，对使用者要求较低。

进一步的，在本申请实施例中，对光束进行了扩束、整形和会聚的处理，进一步提高光路的稳定性和精确性。通过多个反射镜调整光路，使得光路在空间上更加灵活、应用更广。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种自动调节的斜入射光路的理论分析图。

图2为本实用新型实施例提供的一种自动调节的斜入射光路的结构示意图。

其中，1-激光器、2-第一反射镜、3-第二反射镜、4-分束器、5-位置探测器、6-光阱、7-第一透镜、8-第三反射镜、9-第一透镜组、10-第二透镜。

具体实施方式

本申请实施例通过提供一种自动调节的斜入射光路，解决了现有技术中不能自动监控和调节反射镜，且在反射镜发生偏移后，校准精度较低、难度较大、花费时间较长的问题。

本申请实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一种自动调节的斜入射光路，包括：

激光器，所述激光器发出光束；

第一反射镜，所述第一反射镜改变所述光束的传播方向，使所述光束斜入射至样品台表面；所述第一反射镜由电动旋转镜架控制旋转角度；

第二反射镜，所述第二反射镜改变经所述样品台反射出的光束的传播方向；

分束器，经所述第二反射镜反射后的光束入射至所述分束器中；所述分束器将所述光束分为第一光束和第二光束；

位置探测器，所述第一光束入射至所述位置探测器中；所述位置探测器探测得到第二子坐标系中光束中心位置；

控制单元，所述控制单元获取所述第二子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第二子坐标系中光束中心位置计算得出第一子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第一子坐标系中光束中心位置计算得到所述第一反射镜需要调整的角度；所述控制单元将所述需要调整的角度通过发布指令传递给所述电动旋转镜架，从而调整所述第一反射镜的旋转角度。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

一种自动调节的斜入射光路，包括：激光器、第一反射镜、第二反射镜、分束器、位置探测器、控制单元。

所述激光器发出光束入射至所述第一反射镜上；所述第一反射镜改变所述光束的传播方向，使所述光束斜入射至样品台表面；经所述样品台反射出的光束入射至所述第二反射镜上，所述第二反射镜改变经所述样品台反射出的光束的传播方向，使光束入射至所述分束器中；所述分束器将所述光束分为两束，分别为第一光束和第二光束；所述第一光束入射至所述位置探测器中。

其中，所述第一反射镜由电动旋转镜架控制旋转角度。

所述位置探测器探测得到第二子坐标系中光束中心位置。

所述控制单元获取所述第二子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第二子坐标系中光束中心位置计算得出第一子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第一子坐标系中光束中心位置计算得到所述第一反射镜需要调整的角度；所述控制单元将所述需要调整的角度通过发布指令传递给所述电动旋转镜架，从而调整所述第一反射镜的旋转角度。

如图1所示，由几何光学可知，一方面，样品台上光束入射角度由光束相对第一反射镜2的入射角度及第一反射镜2的偏转角度决定。为了便于光路调试，入射光路一般尽量选择与整个系统主坐标相平行的方向。以样品台平面为三维直角坐标XOY平面，并保证光束以平行z轴的方向入射至第一反射镜2上，并且第一反射镜2的中心位置固定。因此，样品台上光斑的照射位置同时也反映了光束入射角度。另一方面，由于第二反射镜3、分束器4位置角度固定，样品台上光斑的照射位置与位置探测器5得到的光斑中心位置具有一一对应的关系。因此，可以根据位置探测器5的探测结果，改变第一反射镜2的二维角度，保证样片品上光斑位置不变。

为了得到样品台上光斑照明中心位置与第一反射镜2改变角度及位置探测器5探测到坐标的量化关系，取样品台平面为XOY平面的三维直角坐标系为主坐标系，并基于两个作用平面建立两个子二维直角坐标系进行分析。取光束入射平面为参考平面，光束沿-z方向入射至第一反射镜2上，第一反射镜2反射表面与XOY平面成α角，第一反射镜2中心与样品平面距离为d1，以Φ角入射至样品平面并以相同角度从另一侧反射出去，入射至第二反射镜3上，第二反射镜3与XOY平面成θ角，反射光经过平行安放的分束器4后，部分入射至位置探测器5，从第二反射镜3至位置探测器5的总距离为d3。为了便于量化分析，这里建立两个子二维直角坐标系，其中，第一子坐标系与样品表面平行，坐标轴x1与光束入射平面相平行；第二子坐标系与第二反射镜3表面平行，坐标轴x2与光束入射平面相平行，这两个子坐标系零点位置均为光斑无偏移时在各个子坐标轴的光束中心位置。

由几何光学及几何学知识可得到，当第一反射镜2与XOY平面夹角α发生改变时，第一子坐标系中光束中心对应x1坐标将发生变化；第一反射镜2所在平面与第一子坐标系所在平面相交线与OX1轴夹角β发生改变时，第一子坐标系中光束中心对应y1坐标将发生变化。取样品台上光斑照射中心处于指定位置时第一反射镜2上述角度分别为(α₀，π/2)，实际使用中这两个角度分别发生未知偏移(Δα，Δβ)，则此时角度偏移与光斑中心相对第一子坐标系的坐标值(a1，b1)关系为：

同理可得，光束在坐标系X1O1Y1平面坐标(a1，b1)及X2O2Y2平面光束中心位置对应坐标(a2，b2)关系为

其中，φ＝π/2-2α。

控制单元实现上，当控制单元探测到位置探测器5上光束中心在X2O2Y2平面探测到光束中心偏离坐标为(a2，b2)时，控制单元将其值带入方程组(2)中，得到相应(a1，b1)值；再将数据带入方程组(1)中，得到所需第一反射镜2调整角度，再发布指令给高精度电动旋转镜架旋转相应的度数，使样品平面光束的照射中心回复至指定位置。

在本申请实施例中，结合电动旋转镜架的可控调节、反射光的位置探测以及控制单元的信息处理，实现了光束中心位置的监测及自动调节，保证了光束入射角度及其在样品台上照射位置的精确性，保证了斜入射光路的长期稳定性。整个反馈系统十分迅速，具有快速检测、迅速调节的特点。采用位置探测器实现光束中心位置偏离判断，且通过反射光进行光束中心位置分析，能在不影响光路的条件下精确得到光束中心的偏离程度。通过硬件与控制单元相结合，整个调节过程不需要进行人工手动光路调节，对使用者要求较低。

实施例2：

如图2所示，一种自动调节的斜入射光路，包括：激光器1、第一反射镜2、第二反射镜3、分束器4、位置探测器5、控制单元、光阱6、第一透镜7、第三反射镜8、第一透镜组9、第二透镜10。

所述激光器1发出光束，经过多个所述第三反射镜8改变光束的传播方向，所述第一透镜组9对光束进行扩束和/或整形，再经所述第三反射镜8将光束反射至所述第二透镜10上实现光束会聚，光束会聚后入射至所述第一反射镜2上。

所述第一反射镜2改变所述光束的传播方向，使所述光束斜入射至样品台表面，经所述样品台反射出的光束入射至所述第二反射镜3上。

所述第二反射镜3改变经所述样品台反射出的光束的传播方向，通过所述第一透镜7对光束进行会聚，会聚后的光束入射至所述分束器4中。

所述分束器4将所述光束分为两束，分别为第一光束和第二光束；所述第一光束入射至所述位置探测器5中；所述第二光束入射至所述光阱6中，避免反射光在仪器中传输产生杂散光。所述第一光束的强度小于所述第二光束的强度。

其中，所述第一反射镜2由电动旋转镜架控制旋转角度。

所述位置探测器5探测得到第二子坐标系中光束中心位置。

所述控制单元获取所述第二子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第二子坐标系中光束中心位置计算得出第一子坐标系中光束中心位置；所述控制单元根据所述第一子坐标系中光束中心位置计算得到所述第一反射镜2需要调整的角度；所述控制单元将所述需要调整的角度通过发布指令传递给所述电动旋转镜架，从而调整所述第一反射镜2的旋转角度。

如图1所示，由几何光学可知，一方面，样品台上光束入射角度由光束相对第一反射镜2的入射角度及第一反射镜2的偏转角度决定。为了便于光路调试，入射光路一般尽量选择与整个系统主坐标相平行的方向。以样品台平面为三维直角坐标XOY平面，并保证光束以平行z轴的方向入射至第一反射镜2上，并且第一反射镜2的中心位置固定。因此，样品台上光斑的照射位置同时也反映了光束入射角度。另一方面，由于第二反射镜3、分束器4位置角度固定，样品台上光斑的照射位置与位置探测器5得到的光斑中心位置具有一一对应的关系。因此，可以根据位置探测器5的探测结果，改变第一反射镜2的二维角度，保证样片品上光斑位置不变。

为了得到样品台上光斑照明中心位置与第一反射镜2改变角度及位置探测器5探测到坐标的量化关系，取样品台平面为XOY平面的三维直角坐标系为主坐标系，并基于两个作用平面建立两个子二维直角坐标系进行分析。取光束入射平面为参考平面，光束沿-z方向入射至第一反射镜2上，第一反射镜2反射表面与XOY平面成α角，第一反射镜2中心与样品平面距离为d1，以Φ角入射至样品平面并以相同角度从另一侧反射出去，入射至第二反射镜3上，第二反射镜3与XOY平面成θ角，反射光经过平行安放的分束器4后，部分入射至位置探测器5，从第二反射镜3至位置探测器5的总距离为d3。为了便于量化分析，这里建立两个子二维直角坐标系，其中，第一子坐标系与样品表面平行，坐标轴x1与光束入射平面相平行；第二子坐标系与第二反射镜3表面平行，坐标轴x2与光束入射平面相平行，这两个子坐标系零点位置均为光斑无偏移时在各个子坐标轴的光束中心位置。

由几何光学及几何学知识可得到，当第一反射镜2与XOY平面夹角α发生改变时，第一子坐标系中光束中心对应x1坐标将发生变化；第一反射镜2所在平面与第一子坐标系所在平面相交线与OX1轴夹角β发生改变时，第一子坐标系中光束中心对应y1坐标将发生变化。取样品台上光斑照射中心处于指定位置时第一反射镜2上述角度分别为(α₀，π/2)，实际使用中这两个角度分别发生未知偏移(Δα，Δβ)，则此时角度偏移与光斑中心相对第一子坐标系的坐标值(a1，b1)关系为：

同理可得，光束在坐标系X1O1Y1平面坐标(a1，b1)及X2O2Y2平面光束中心位置对应坐标(a2，b2)关系为

其中，φ＝π/2-2α。

控制单元实现上，当控制单元探测到位置探测器5上光束中心在X2O2Y2平面探测到光束中心偏离坐标为(a2，b2)时，控制单元将其值带入方程组(2)中，得到相应(a1，b1)值；再将数据带入方程组(1)中，得到所需第一反射镜2调整角度，再发布指令给高精度电动旋转镜架旋转相应的度数，使样品平面光束的照射中心回复至指定位置。

在本申请实施例中，结合电动旋转镜架的可控调节、反射光的位置探测以及控制单元的信息处理，实现了光束中心位置的监测及自动调节，保证了光束入射角度及其在样品台上照射位置的精确性，保证了斜入射光路的长期稳定性。整个反馈系统十分迅速，具有快速检测、迅速调节的特点。采用位置探测器实现光束中心位置偏离判断，且通过反射光进行光束中心位置分析，能在不影响光路的条件下精确得到光束中心的偏离程度。通过硬件与控制单元相结合，整个调节过程不需要进行人工手动光路调节，对使用者要求较低。此外，本实施例对光束进行了扩束、整形和会聚的处理，进一步提高光路的稳定性和精确性。通过多个反射镜调整光路，使得空间上调整更加灵活。

本实用新型实施例提供的一种自动调节的斜入射光路至少包括如下技术效果：

1、在本申请实施例中，结合电动旋转镜架的可控调节、反射光的位置探测以及控制单元的信息处理，实现了光束中心位置的监测及自动调节，保证了光束入射角度及其在样品台上照射位置的精确性，保证了斜入射光路的长期稳定性。

2、在本申请实施例中，结合电动旋转镜架的可控调节、反射光的位置探测以及控制单元的信息处理，整个反馈系统十分迅速，具有快速检测、迅速调节的特点。

3、在本申请实施例中，采用位置探测器实现光束中心位置偏离判断，且通过反射光进行光束中心位置分析，能在不影响光路的条件下精确得到光束中心的偏离程度。

4、在本申请实施例中，通过硬件与控制单元相结合，整个调节过程不需要进行人工手动光路调节，对使用者要求较低。

5、在本申请实施例中，对光束进行了扩束、整形和会聚的处理，进一步提高光路的稳定性和精确性。通过多个反射镜调整光路，使得光路在空间上更加灵活、应用更广。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照实例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。