本發(fā)明橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置與方法屬于光學共焦顯微技術(shù)領(lǐng)域和光學精密測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著顯微技術(shù)的發(fā)展，反射式顯微成像系統(tǒng)越來越受到重視。能夠在大數(shù)值孔徑角下實現(xiàn)成像的結(jié)構(gòu)分別是：拋物反射鏡、雙曲線反射鏡和橢球面反射鏡。理想情況下，橢球面反射鏡具有數(shù)值孔徑大和對比度強的優(yōu)點，在光學共焦顯微技術(shù)領(lǐng)域和光學精密測量領(lǐng)域中具有廣泛的應用前景和商業(yè)價值。
然而，由于橢球面反射鏡的收集孔徑角非常大，因此對裝調(diào)精度要求極高，當點源與橢球面反射鏡遠焦點在徑向稍有偏離時，就會引起較大的慧差和像散，因此，要想發(fā)揮橢球面反射鏡數(shù)值孔徑大和對比度強的優(yōu)點，需要對橢球面反射鏡進行精密裝調(diào)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
在光學共焦顯微技術(shù)領(lǐng)域和光學精密測量領(lǐng)域中，針對橢球面反射鏡精密裝調(diào)的技術(shù)需求，本發(fā)明公開了一種橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置與方法，充分利用橢球面反射鏡雙焦點共軛的特殊性質(zhì)，通過提供一種定位橢球面反射鏡遠焦點的技術(shù)手段，實現(xiàn)對橢球面反射鏡進行精確定位，進而為精密裝調(diào)橢球面反射鏡提供技術(shù)手段，減小橢球面反射鏡的慧差和像散，對橢球面反射鏡在光學共焦顯微技術(shù)領(lǐng)域和光學精密測量領(lǐng)域中的應用和發(fā)展起到促進作用。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
一種橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置，包括由激光器、準直擴束器、衰減片、圖像傳感器、管鏡、分光鏡、平面反射鏡和聚焦物鏡組成的搭接光路，還包括橢球面反射鏡；所述搭接光路置于六自由度工作臺上，平面反射鏡與六自由度工作臺成45度角，所述橢球面反射鏡單獨固定在聚焦物鏡的上方，聚焦物鏡的焦點與橢球面反射鏡截面橢圓形的遠焦點重合；激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過準直擴束器后形成平行光，再經(jīng)過衰減片衰減、分光鏡透射、平面反射鏡反射以及聚焦物鏡匯聚后，照射到橢球面反射鏡的內(nèi)表面；被橢球面反射鏡兩次反射的光束，再次經(jīng)過聚焦物鏡匯聚、平面反射鏡反射、分光鏡反射、管鏡匯聚后，由圖像傳感器成像。
一種在上述橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置上實現(xiàn)的橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法，包括以下步驟：
步驟a、開啟激光器，并用衰減片對從準直擴束器出射的平行光束進行強度衰減，使圖像傳感器能夠有效成像；
步驟b、不斷調(diào)整六自由度工作臺，獲取圖像傳感器在不同自由度下采集得到光斑的強度信息和圓度信息；
步驟c、將光斑的強度信息和圓度信息合并成一個評價函數(shù)，建立自由度-評價函數(shù)表；
步驟d、找到評價函數(shù)的極值，并從自由度-評價函數(shù)表中找到極值所對應的自由度；
步驟e、根據(jù)極值所對應的自由度，調(diào)整六自由度工作臺，使聚焦物鏡的焦點和橢球面反射鏡的遠焦點重合。
上述橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法，所述步驟b具體為：將六個自由度分別設(shè)定有N1、N2、N3、N4、N5、N6個離散數(shù)值，對這六組數(shù)值進行排列組合，得到N1×N2×N3×N4×N5×N6種組合，分別在每一種組合下，得到光斑的強度信息和圓度信息。
上述橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法，步驟c所述的評價函數(shù)為：評價函數(shù)＝k1×光斑光強最大值+k2×圓度誤差；式中，k1和k2為系數(shù)。
有益效果：
本發(fā)明實現(xiàn)了對橢球面反射鏡進行精確定位，具體體現(xiàn)在以下方面：
第一、本發(fā)明通過控制六自由度工作臺的姿態(tài)，實現(xiàn)橢球面反射鏡遠焦點與聚焦物鏡的焦點重合，這是本發(fā)明實現(xiàn)對橢球面反射鏡進行精確定位的第一個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；
第二、本發(fā)明利用橢球面反射鏡雙焦點共軛性質(zhì)，即利用從遠焦點入射的光束還能從遠焦點出射的性質(zhì)，增加圖像傳感器、管鏡和分光鏡，實現(xiàn)成像光路的集成，這是本發(fā)明實現(xiàn)對橢球面反射鏡進行精確定位的第二個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；
第三、在成像光路中，將橢球面反射鏡遠焦點與聚焦物鏡的焦點位置對應關(guān)系轉(zhuǎn)化為光斑信息，利用光斑的強度信息和圓度信息來判斷是否對準，這是本發(fā)明實現(xiàn)對橢球面反射鏡進行精確定位的第三個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)；
以上三個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)相互作用，缺一不可，充分利用橢球面反射鏡雙焦點共軛的特殊性質(zhì)，通過提供一種利用成像光斑信息來定位橢球面反射鏡遠焦點的技術(shù)手段，實現(xiàn)對橢球面反射鏡進行精確定位，進而為精密裝調(diào)橢球面反射鏡提供技術(shù)手段，減小橢球面反射鏡的慧差和像散，對橢球面反射鏡在光學共焦顯微技術(shù)領(lǐng)域和光學精密測量領(lǐng)域中的應用和發(fā)展起到促進作用。
附圖說明
圖1是本發(fā)明橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1激光器、2準直擴束器、3衰減片、4圖像傳感器、5管鏡、6分光鏡、7平面反射鏡、8聚焦物鏡、9橢球面反射鏡、10六自由度工作臺。
具體實施例
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施例做進一步詳細描述。
具體實施例一
本實施例是橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置實施例。
本實施例的橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置包括由激光器1、準直擴束器2、衰減片3、圖像傳感器4、管鏡5、分光鏡6、平面反射鏡7和聚焦物鏡8組成的搭接光路，還包括橢球面反射鏡9；所述搭接光路置于六自由度工作臺10上，平面反射鏡7與六自由度工作臺10成45度角，所述橢球面反射鏡9單獨固定在聚焦物鏡8的上方，聚焦物鏡8的焦點與橢球面反射鏡9截面橢圓形的遠焦點重合；激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)過準直擴束器2后形成平行光，再經(jīng)過衰減片3衰減、分光鏡6透射、平面反射鏡7反射以及聚焦物鏡8匯聚后，照射到橢球面反射鏡9的內(nèi)表面；被橢球面反射鏡9兩次反射的光束，再次經(jīng)過聚焦物鏡8匯聚、平面反射鏡7反射、分光鏡6反射、管鏡5匯聚后，由圖像傳感器4成像。
具體實施例二
本實施例是橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法實施例。
本實施例的橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法，在具體實施例一所述橢球面反射鏡遠焦點高精度定位裝置上實現(xiàn)。
該橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法，包括以下步驟：
步驟a、開啟激光器1，并用衰減片3對從準直擴束器2出射的平行光束進行強度衰減，使圖像傳感器4能夠有效成像；
步驟b、不斷調(diào)整六自由度工作臺10，獲取圖像傳感器4在不同自由度下采集得到光斑的強度信息和圓度信息；
步驟c、將光斑的強度信息和圓度信息合并成一個評價函數(shù)，建立自由度-評價函數(shù)表；
步驟d、找到評價函數(shù)的極值，并從自由度-評價函數(shù)表中找到極值所對應的自由度；
步驟e、根據(jù)極值所對應的自由度，調(diào)整六自由度工作臺10，使聚焦物鏡8的焦點和橢球面反射鏡9的遠焦點重合。
具體實施例三
本實施例是橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法實施例。
本實施例的橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法，在具體實施例二的基礎(chǔ)上，進一步限定步驟b具體為：將六個自由度分別設(shè)定有N1、N2、N3、N4、N5、N6個離散數(shù)值，對這六組數(shù)值進行排列組合，得到N1×N2×N3×N4×N5×N6種組合，分別在每一種組合下，得到光斑的強度信息和圓度信息。
本實施例為如何獲得系列強度信息和圓度信息提供了一種具體的技術(shù)手段。
具體實施例四
本實施例是橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法實施例。
本實施例的橢球面反射鏡遠焦點高精度定位方法，在具體實施例二的基礎(chǔ)上，進一步限定步驟c所述的評價函數(shù)為：評價函數(shù)＝k1×光斑光強最大值+k2×圓度誤差；式中，k1和k2為系數(shù)。
本實施例為評價函數(shù)的計算方法提供了一種具體的技術(shù)手段。