专利名称：光学系统光远场参量的检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种光学系统光远场参量的检测装置。主要用于光学系统小光斑的检测。
准确地测量光远场(离被测样品表面距离超过二分之一波长的区域，称为光远场)的参量，可以更进一步研究光学系统光远场的性质和应用，也可以准确地判断光源的特性或检验光学系统的质量。例如利用小光斑检测判断光学系统的成像质量或光学元件的加工质量。在先技术中对小光斑的检测主要有刀口扫描的装置(参见《光学测量》，北京工业学院苏大图主编，机械工业出版社，1988年6月，262页)以及测量光学系统出瞳处的光强分布和波像差由计算得到小光斑的光强分布的结构(参见《光学车间检验》，D.马拉卡拉主编，机械工业出版社，1983年8月，47页)。当会聚光斑直径的尺寸接近波长的一半(λ/2)时，用上述的刀口扫描的装置无法精确地测量光斑的强度分布，后一种测量光学系统出瞳处的光强分布和波像差计算光斑的光强分布所用的测量装置和测量过程很复杂，实时性和环境适应性也很差。上述两种测量装置都只能测量光场的强度分布，不能测量包括光场偏振态等在内的完整信息。而在先技术中的近场光学显微镜仅用于光近场参量的测量(参见Near-Fie1d OpticsMicroscopy，Spectroscopy，and Surface Modification Beyondthe Diffraction Limit，Eric Betzig and Jay K.Trautman，SCIENCE Vol.257，10July 1992)。
本实用新型的目的是提供一种检测被测样品光远场参量的检测装置，它将能够弥补在先技术中的小光斑测量装置存在的缺陷、并能够进行高空间分辨高精度实时方便的光远场参量的测量。
本实用新型的检测装置包括光源1，在光源1发射光束G前进的方向上，中心轴线O1O1与光源1的光轴OO相重合地置有光纤扫描器3，光纤扫描器3内的中心轴线O1O1上置有光纤探针4，光纤探针4的针尖401对着光源1发射光束G前进的方向，光纤探针4的光纤404将光束传送到光电探测器6上，光电探测器6的输出通过锁相放大器7放大后输入到计算机8上。计算机8对锁相放大器7输出的电信号进行A/D转换与采集，再经图像处理后显示测量结果的光远场分布状况(三维的或二维的)。光纤扫描器3通过高压放大器5与计算机8相连。也就是说，计算机8控制高压放大器5的高压输出到光纤扫描器3上，从而计算机8控制光纤扫描器3的扫描。测量时，被测样品2置于光源1与光纤扫描器3之间，如图1和图3所示。
所说的光纤扫描器3具有三维扫描方向，它包括扫描器主体303，扫描器主体303置于带上下运动马达301和左右移动马达304的支架302内，支架302置于带前后运动马达306的导轨305上。如图2所示。
所说的扫描器主体303包括筒壁上带有穿线孔3038的圆筒3035，圆筒3035的前端有针尖保护罩3033，圆筒3035的后端有后保护罩3037，圆筒3035内与圆筒3035同中心轴线O1O1的置有细圆筒3036，圆筒3035壁的两端面是凹凸形，在圆筒3035前端的凹端面内固定有与圆筒3035同中心轴线O1O1的压电陶瓷扫描管3034，压电陶瓷扫描管3034前端上套有绝缘环3032，盖在绝缘环3032前端上有软铁罩3031。上述扫描器主体303内，前端的针尖保护罩3033，软铁罩3031，细圆筒3036至后端的保护罩3037均共中心轴线O1O1地开有供光纤探针4穿过的中心通孔。如图3所示。
所说的光纤探针4包括前端带有镀金属膜的纳米直径的小孔402的针尖401，针尖401的后面带着长长的光纤404。靠近针尖401一端的光纤404外套有磁性块403，光纤探针4与扫描器主体303同中心轴线O1O1且置于光纤扫描器3的扫描器主体303的中心位置上，则光纤探针4穿过针尖保护罩3033，软铁罩3031，细圆筒3036以及后保护罩3037的中心通孔。其中光纤探针4的针尖401恰好装在针尖保护罩3033的中心通孔内，以利针尖保护罩3033对针尖401起到保护作用。磁性块403吸附在软铁罩3031上。由细圆筒3036将光纤探针4固定于扫描器主体303内。
上述扫描器主体303内的压电陶瓷扫描管3034通过圆筒3035壁上的穿线孔3038引出的导线连接到驱动压电陶瓷扫描管3034实现高精度两维或三维空间扫描的高压放大器5上；光纤探针4的外径与细圆筒3036的内径胶合一体，因此由细圆筒3036将光纤探针4固定在圆筒3035内。磁性块403与光纤探针4上的光纤404固定为一体，利用磁力磁性块403固定在软铁罩3031的端面上，可以保证光纤探针4的针尖401随压电陶瓷扫描管3034的扫描进行扫描而不受外界干扰；光纤探针4的光纤404尾端对准光电探测器6的光敏面；针尖保护罩3033旋出时可以保护针尖401不受损伤，测量时旋进针尖保护罩3033露出针尖401就可以进行测量。(见图3)所说的光源1是激光器，或者是白炽灯，或者是其他光源，光源的选择是依据被测样品2的工作波段而定。被测样品2也可以本身带光源的，当然也可不带光源；被测样品2可以是一个完整的光学系统，也可以是光学元部件或光学零件。被测样品2置于光源1与光纤扫描器3之间，被测样品2与光源1同光轴或者不同光轴。
测量过程中，如上述图1的结构，将被测样品2置于光源1与光纤扫描器3之间，当光源1发出的光束G经过被测样品2后，会聚于焦点上，首先开启光纤扫描器3上的上下运动马达301、左右运动马达304以及前后运动马达306将光纤探针4的针尖401粗调整到光斑附近，然后由计算机8输出的控制信号控制高压放大器5输出的高压信号，推动压电陶瓷扫描管3034带动光纤探针4针尖401对聚焦光斑进行两维扫描，光信号被针尖401上的小孔402接收后，经过光纤404传输到光电探测器6，光信号经光电探测器6的光电转换后，其输出信号经锁相放大器件7放大和降噪后输入到计算机8，计算机8首先对信号A/D转换和采样，并处理，最后显示结果。再根据测量的结果，计算机8自动调整光纤探针4的针尖401的位置，直至被测样品2所射出的光斑在针尖401的扫描区域的中心位置上，且所得的光斑大小为最小，这时光纤探针4的针尖401位于焦面上，从图像中可得到焦面光斑的大小，再通过调到离开焦点前五倍焦深D距离的位置和离开焦点后五倍焦深D距离位置处各测得两个光斑，即为前后两离焦光斑，可观察焦前焦后光场的分布，比较所获得的三个光斑，判断被测样品2的成像质量。
本实用新型的优点本实用新型的测量装置的光纤扫描器3带动光纤探针4作三维方向的粗调和三维方向的细调，尤其是细调采用能高空间分辨的三维扫描的压电陶瓷扫描管3034(计算机8用16位D/A控制高压放大器5的输出，从而控制压电陶瓷扫描管3034的扫描)带动具有高空间分辨率的带有镀金属膜的纳米直径的小孔402(小孔直径最小可达几纳米)的针尖401对聚焦光斑以及离焦光斑进行高空间分辨两维或三维扫描和采样，能够实现光远场高精度光参量测量。所以可实时给出光参量的两维或三维分布。本实用新型的测量装置测量范围广。首先能够检测的被测样品2广泛，可以是光学系统，光学元部件，光学零件等，其次测量的参量多，可以是光强分布，偏振态分布、光谱状况、光斑质量等。本实用新型的测量装置结构简单。光源1可进行光强调制，接收部分采用锁相放大器件7能够有效消除各种噪声(光学或电子学)，对环境的适应性强。
图1是本实用新型的光学系统光远场的检测装置示意图。
图2是光纤扫描器3正面外形示意图。
图3是光纤扫描器3内的扫描器主体303和光纤探针4的结构剖视图。
实施例装置如图1、图2、图3所示。光源1选用氦氖(He-Ne)激光器，被测样品2为一般准直扩束系统201和DVD光头中的聚焦透镜202的组合件。选用带有镀金属膜的直径为50纳米的小孔402，针尖401的后面带有长长的光纤404。光电探测器6用H6780-04型的光电倍增管。测量出上述被测样品2的光学组件的光斑质量，测量的空间分辨率为50nm，光参量测量精度优于1％。
权利要求1．一种光学系统光远场参量的检测装置，包括光源(1)，光电探测器(6)和计算机(8)，其特征在于&#601&#62在光源(1)发射光束(G)前进的方向上，中心轴线(O1O1)与光源(1)的光轴(OO)相重合地置有光纤扫描器(3)，被测样品(2)置于光源(1)与光纤扫描器(3)之间；&#602&#62光纤扫描器(3)内的中心轴线(O1O1)上置有针尖(401)对着光源(1)发射光束(G)前进方向的光纤探针(4)；&#603&#62光纤探针(4)的光纤(404)将光束传送到光电探测器(6)上，光电探测器(6)的输出通过锁相放大器(7)放大后输入到计算机(8)上；&#604&#62计算机(8)控制高压放大器(5)的高压输出到光纤扫描器(3)上。
2．根据权利要求1所述的光学系统光远场参量的检测装置，其特征在于所说的光纤扫描器(3)包括置于带上下运动马达(301)和左右移动马达(304)的支架(302)内的扫描器主体(303)，支架(302)置于带前后运动马达(306)的导轨(305)上。
3．根据权利要求1或2所述的光学系统光远场参量的检测装置，其特征在于所说的光纤扫描器(3)的扫描器主体(303)包括筒壁上带有穿线孔(3038)的圆筒(3035)，圆筒(3035)的前端有针尖保护罩(3033)，圆筒(3035)的后端有后保护罩(3037)，圆筒(3035)内与圆筒(3035)同中心轴线(O1O1)的置有细圆筒(3036)，圆筒(3035)壁的两端面是凹凸形，在圆筒(3035)前端的凹端面内固定有与圆筒(3035)同中心轴线(O1O1)的压电陶瓷扫描管(3034)，压电陶瓷扫描管(3034)前端上套有绝缘环(3032)，盖在绝缘环(3032)前端上有软铁罩(3031)。上述前端的针尖保护罩(3033)，软铁罩(3031)，细圆筒(3036)至后端的后保护罩(3037)均共中心轴线(O1O1)地开有供光纤探针(4)穿过的中心通孔。
4．根据权利要求1所述的光学系统光远场参量的检测装置，其特征在于所说的置于光纤扫描器(3)内中心轴线(O1O1)上的针尖(401)对着光源(1)发射光束(G)前进方向的光纤探针(4)包括前端带有镀金属膜的纳米直径的小孔(402)的针尖(401)，针尖(401)的后面带着光纤(404)，靠近针尖(401)一端光纤(404)外套有磁性块(403)。
专利摘要一种光学系统光远场参量的检测装置。主要包含中心轴线上置有光纤探针的具有三维粗细调的光纤扫描器,光纤探针在被测样品的焦点上及焦点前后的位置上进行扫描,它将接收到的光信号传送给光电探测器,再经锁相放大器输入计算机。计算机通过高压放大器控制光纤探针扫描。具有对被测样品光远场的高精度和实时给出光参量的两维或三维分布的特点。
文档编号G01M11/00GK2423581SQ0021793
公开日2001年3月14日 申请日期2000年6月8日 优先权日2000年6月8日
发明者徐文东, 孙洁林, 林强, 干福熹 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所