本實用新型涉及光學技術領域，尤其涉及一種自動調節的斜入射光路。

背景技術：

光源斜入射至樣品是光學檢測應用中最常見的方式之一。目前常見的實現方式是通過反射鏡組合的安放角度及位置調節實現原定光學設計。該方式具有設計靈活、能實現較緊湊結構等優勢，在許多光學儀器中廣泛采用。由于固定元件松動，零件老化、樣品臺高度變動等原因，通過反射鏡組合實現的固定角度光源斜入射在使用中常常會發生偏移，導致入射角度、照射位置、聚焦效果等發生變化。對于精密光學儀器，即使細微的變化也將導致儀器效果改變，因此，長期穩定的斜入射照明光路對于許多精密光學儀器十分重要。

針對此問題，現有方法主要通過優化機械固定件穩定性及定期光學校準實現。其中，優化機械固定效果可以減小光路發生偏移的概率，但不可能實現完美固定；定期校準可以保證儀器長時間使用的穩定性，但它要求操作人員具有一定的操作技能且非常熟悉儀器原理結構，一般需要專門的工程師進行，并且由于校正前后光路差別也會影響儀器穩定性。

技術實現要素：

本申請實施例通過提供一種自動調節的斜入射光路，解決了現有技術中不能自動監控和調節反射鏡，且在反射鏡發生偏移后，校準精度較低、難度較大、花費時間較長的問題。

本申請實施例提供一種自動調節的斜入射光路，包括：激光器，所述激光器發出光束；第一反射鏡，所述第一反射鏡改變所述光束的傳播方向，使所述光束斜入射至樣品臺表面；所述第一反射鏡由電動旋轉鏡架控制旋轉角度；第二反射鏡，所述第二反射鏡改變經所述樣品臺反射出的光束的傳播方向；分束器，經所述第二反射鏡反射后的光束入射至所述分束器中；所述分束器將所述光束分為第一光束和第二光束；位置探測器，所述第一光束入射至所述位置探測器中；所述位置探測器探測得到第二子坐標系中光束中心位置；控制單元，所述控制單元獲取所述第二子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第二子坐標系中光束中心位置計算得出第一子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第一子坐標系中光束中心位置計算得到所述第一反射鏡需要調整的角度；所述控制單元將所述需要調整的角度通過發布指令傳遞給所述電動旋轉鏡架，從而調整所述第一反射鏡的旋轉角度。

優選的，所述光路還包括：光阱，所述第二光束入射至所述光阱中。

優選的，所述第一光束的強度小于所述第二光束的強度。

優選的，所述第二反射鏡和所述分束器之間還設置有第一透鏡，所述第一透鏡對所述經第二反射鏡反射后的光束進行會聚。

優選的，所述激光器和所述第一反射鏡之間還設置有第三反射鏡，所述第三反射鏡改變所述光束的傳播方向。

優選的，所述第三反射鏡為多個。

優選的，所述激光器和所述第一反射鏡之間還設置有第一光學元件，所述第一光學元件對光束進行擴束和/或整形。

優選的，所述第一光學元件為第一透鏡組。

優選的，所述激光器和所述第一反射鏡之間還設置有第二光學元件，所述第二光學元件對光束進行會聚。

優選的，所述第二光學元件為第二透鏡。

本申請實施例中提供的一個或多個技術方案，至少具有如下技術效果或優點：

在本申請實施例中，結合電動旋轉鏡架的可控調節、反射光的位置探測以及控制單元的信息處理，實現了光束中心位置的監測及自動調節，保證了光束入射角度及其在樣品臺上照射位置的精確性，保證了斜入射光路的長期穩定性。

進一步的，在本申請實施例中，結合電動旋轉鏡架的可控調節、反射光的位置探測以及控制單元的信息處理，整個反饋系統十分迅速，具有快速檢測、迅速調節的特點。

進一步的，在本申請實施例中，采用位置探測器實現光束中心位置偏離判斷，且通過反射光進行光束中心位置分析，能在不影響光路的條件下精確得到光束中心的偏離程度。

進一步的，在本申請實施例中，通過硬件與控制單元相結合，整個調節過程不需要進行人工手動光路調節，對使用者要求較低。

進一步的，在本申請實施例中，對光束進行了擴束、整形和會聚的處理，進一步提高光路的穩定性和精確性。通過多個反射鏡調整光路，使得光路在空間上更加靈活、應用更廣。

附圖說明

為了更清楚地說明本實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本實用新型的一個實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型實施例提供的一種自動調節的斜入射光路的理論分析圖。

圖2為本實用新型實施例提供的一種自動調節的斜入射光路的結構示意圖。

其中，1-激光器、2-第一反射鏡、3-第二反射鏡、4-分束器、5-位置探測器、6-光阱、7-第一透鏡、8-第三反射鏡、9-第一透鏡組、10-第二透鏡。

具體實施方式

本申請實施例通過提供一種自動調節的斜入射光路，解決了現有技術中不能自動監控和調節反射鏡，且在反射鏡發生偏移后，校準精度較低、難度較大、花費時間較長的問題。

本申請實施例的技術方案為解決上述技術問題，總體思路如下：

一種自動調節的斜入射光路，包括：

激光器，所述激光器發出光束；

第一反射鏡，所述第一反射鏡改變所述光束的傳播方向，使所述光束斜入射至樣品臺表面；所述第一反射鏡由電動旋轉鏡架控制旋轉角度；

第二反射鏡，所述第二反射鏡改變經所述樣品臺反射出的光束的傳播方向；

分束器，經所述第二反射鏡反射后的光束入射至所述分束器中；所述分束器將所述光束分為第一光束和第二光束；

位置探測器，所述第一光束入射至所述位置探測器中；所述位置探測器探測得到第二子坐標系中光束中心位置；

控制單元，所述控制單元獲取所述第二子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第二子坐標系中光束中心位置計算得出第一子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第一子坐標系中光束中心位置計算得到所述第一反射鏡需要調整的角度；所述控制單元將所述需要調整的角度通過發布指令傳遞給所述電動旋轉鏡架，從而調整所述第一反射鏡的旋轉角度。

為了更好的理解上述技術方案，下面將結合說明書附圖以及具體的實施方式對上述技術方案進行詳細的說明。

實施例1：

一種自動調節的斜入射光路，包括：激光器、第一反射鏡、第二反射鏡、分束器、位置探測器、控制單元。

所述激光器發出光束入射至所述第一反射鏡上；所述第一反射鏡改變所述光束的傳播方向，使所述光束斜入射至樣品臺表面；經所述樣品臺反射出的光束入射至所述第二反射鏡上，所述第二反射鏡改變經所述樣品臺反射出的光束的傳播方向，使光束入射至所述分束器中；所述分束器將所述光束分為兩束，分別為第一光束和第二光束；所述第一光束入射至所述位置探測器中。

其中，所述第一反射鏡由電動旋轉鏡架控制旋轉角度。

所述位置探測器探測得到第二子坐標系中光束中心位置。

所述控制單元獲取所述第二子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第二子坐標系中光束中心位置計算得出第一子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第一子坐標系中光束中心位置計算得到所述第一反射鏡需要調整的角度；所述控制單元將所述需要調整的角度通過發布指令傳遞給所述電動旋轉鏡架，從而調整所述第一反射鏡的旋轉角度。

如圖1所示，由幾何光學可知，一方面，樣品臺上光束入射角度由光束相對第一反射鏡2的入射角度及第一反射鏡2的偏轉角度決定。為了便于光路調試，入射光路一般盡量選擇與整個系統主坐標相平行的方向。以樣品臺平面為三維直角坐標XOY平面，并保證光束以平行z軸的方向入射至第一反射鏡2上，并且第一反射鏡2的中心位置固定。因此，樣品臺上光斑的照射位置同時也反映了光束入射角度。另一方面，由于第二反射鏡3、分束器4位置角度固定，樣品臺上光斑的照射位置與位置探測器5得到的光斑中心位置具有一一對應的關系。因此，可以根據位置探測器5的探測結果，改變第一反射鏡2的二維角度，保證樣片品上光斑位置不變。

為了得到樣品臺上光斑照明中心位置與第一反射鏡2改變角度及位置探測器5探測到坐標的量化關系，取樣品臺平面為XOY平面的三維直角坐標系為主坐標系，并基于兩個作用平面建立兩個子二維直角坐標系進行分析。取光束入射平面為參考平面，光束沿-z方向入射至第一反射鏡2上，第一反射鏡2反射表面與XOY平面成α角，第一反射鏡2中心與樣品平面距離為d1，以Φ角入射至樣品平面并以相同角度從另一側反射出去，入射至第二反射鏡3上，第二反射鏡3與XOY平面成θ角，反射光經過平行安放的分束器4后，部分入射至位置探測器5，從第二反射鏡3至位置探測器5的總距離為d3。為了便于量化分析，這里建立兩個子二維直角坐標系，其中，第一子坐標系與樣品表面平行，坐標軸x1與光束入射平面相平行；第二子坐標系與第二反射鏡3表面平行，坐標軸x2與光束入射平面相平行，這兩個子坐標系零點位置均為光斑無偏移時在各個子坐標軸的光束中心位置。

由幾何光學及幾何學知識可得到，當第一反射鏡2與XOY平面夾角α發生改變時，第一子坐標系中光束中心對應x1坐標將發生變化；第一反射鏡2所在平面與第一子坐標系所在平面相交線與OX1軸夾角β發生改變時，第一子坐標系中光束中心對應y1坐標將發生變化。取樣品臺上光斑照射中心處于指定位置時第一反射鏡2上述角度分別為(α₀，π/2)，實際使用中這兩個角度分別發生未知偏移(Δα，Δβ)，則此時角度偏移與光斑中心相對第一子坐標系的坐標值(a1，b1)關系為：

同理可得，光束在坐標系X1O1Y1平面坐標(a1，b1)及X2O2Y2平面光束中心位置對應坐標(a2，b2)關系為

其中，φ＝π/2-2α。

控制單元實現上，當控制單元探測到位置探測器5上光束中心在X2O2Y2平面探測到光束中心偏離坐標為(a2，b2)時，控制單元將其值帶入方程組(2)中，得到相應(a1，b1)值；再將數據帶入方程組(1)中，得到所需第一反射鏡2調整角度，再發布指令給高精度電動旋轉鏡架旋轉相應的度數，使樣品平面光束的照射中心回復至指定位置。

在本申請實施例中，結合電動旋轉鏡架的可控調節、反射光的位置探測以及控制單元的信息處理，實現了光束中心位置的監測及自動調節，保證了光束入射角度及其在樣品臺上照射位置的精確性，保證了斜入射光路的長期穩定性。整個反饋系統十分迅速，具有快速檢測、迅速調節的特點。采用位置探測器實現光束中心位置偏離判斷，且通過反射光進行光束中心位置分析，能在不影響光路的條件下精確得到光束中心的偏離程度。通過硬件與控制單元相結合，整個調節過程不需要進行人工手動光路調節，對使用者要求較低。

實施例2：

如圖2所示，一種自動調節的斜入射光路，包括：激光器1、第一反射鏡2、第二反射鏡3、分束器4、位置探測器5、控制單元、光阱6、第一透鏡7、第三反射鏡8、第一透鏡組9、第二透鏡10。

所述激光器1發出光束，經過多個所述第三反射鏡8改變光束的傳播方向，所述第一透鏡組9對光束進行擴束和/或整形，再經所述第三反射鏡8將光束反射至所述第二透鏡10上實現光束會聚，光束會聚后入射至所述第一反射鏡2上。

所述第一反射鏡2改變所述光束的傳播方向，使所述光束斜入射至樣品臺表面，經所述樣品臺反射出的光束入射至所述第二反射鏡3上。

所述第二反射鏡3改變經所述樣品臺反射出的光束的傳播方向，通過所述第一透鏡7對光束進行會聚，會聚后的光束入射至所述分束器4中。

所述分束器4將所述光束分為兩束，分別為第一光束和第二光束；所述第一光束入射至所述位置探測器5中；所述第二光束入射至所述光阱6中，避免反射光在儀器中傳輸產生雜散光。所述第一光束的強度小于所述第二光束的強度。

其中，所述第一反射鏡2由電動旋轉鏡架控制旋轉角度。

所述位置探測器5探測得到第二子坐標系中光束中心位置。

所述控制單元獲取所述第二子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第二子坐標系中光束中心位置計算得出第一子坐標系中光束中心位置；所述控制單元根據所述第一子坐標系中光束中心位置計算得到所述第一反射鏡2需要調整的角度；所述控制單元將所述需要調整的角度通過發布指令傳遞給所述電動旋轉鏡架，從而調整所述第一反射鏡2的旋轉角度。

如圖1所示，由幾何光學可知，一方面，樣品臺上光束入射角度由光束相對第一反射鏡2的入射角度及第一反射鏡2的偏轉角度決定。為了便于光路調試，入射光路一般盡量選擇與整個系統主坐標相平行的方向。以樣品臺平面為三維直角坐標XOY平面，并保證光束以平行z軸的方向入射至第一反射鏡2上，并且第一反射鏡2的中心位置固定。因此，樣品臺上光斑的照射位置同時也反映了光束入射角度。另一方面，由于第二反射鏡3、分束器4位置角度固定，樣品臺上光斑的照射位置與位置探測器5得到的光斑中心位置具有一一對應的關系。因此，可以根據位置探測器5的探測結果，改變第一反射鏡2的二維角度，保證樣片品上光斑位置不變。

為了得到樣品臺上光斑照明中心位置與第一反射鏡2改變角度及位置探測器5探測到坐標的量化關系，取樣品臺平面為XOY平面的三維直角坐標系為主坐標系，并基于兩個作用平面建立兩個子二維直角坐標系進行分析。取光束入射平面為參考平面，光束沿-z方向入射至第一反射鏡2上，第一反射鏡2反射表面與XOY平面成α角，第一反射鏡2中心與樣品平面距離為d1，以Φ角入射至樣品平面并以相同角度從另一側反射出去，入射至第二反射鏡3上，第二反射鏡3與XOY平面成θ角，反射光經過平行安放的分束器4后，部分入射至位置探測器5，從第二反射鏡3至位置探測器5的總距離為d3。為了便于量化分析，這里建立兩個子二維直角坐標系，其中，第一子坐標系與樣品表面平行，坐標軸x1與光束入射平面相平行；第二子坐標系與第二反射鏡3表面平行，坐標軸x2與光束入射平面相平行，這兩個子坐標系零點位置均為光斑無偏移時在各個子坐標軸的光束中心位置。

由幾何光學及幾何學知識可得到，當第一反射鏡2與XOY平面夾角α發生改變時，第一子坐標系中光束中心對應x1坐標將發生變化；第一反射鏡2所在平面與第一子坐標系所在平面相交線與OX1軸夾角β發生改變時，第一子坐標系中光束中心對應y1坐標將發生變化。取樣品臺上光斑照射中心處于指定位置時第一反射鏡2上述角度分別為(α₀，π/2)，實際使用中這兩個角度分別發生未知偏移(Δα，Δβ)，則此時角度偏移與光斑中心相對第一子坐標系的坐標值(a1，b1)關系為：

同理可得，光束在坐標系X1O1Y1平面坐標(a1，b1)及X2O2Y2平面光束中心位置對應坐標(a2，b2)關系為

其中，φ＝π/2-2α。

控制單元實現上，當控制單元探測到位置探測器5上光束中心在X2O2Y2平面探測到光束中心偏離坐標為(a2，b2)時，控制單元將其值帶入方程組(2)中，得到相應(a1，b1)值；再將數據帶入方程組(1)中，得到所需第一反射鏡2調整角度，再發布指令給高精度電動旋轉鏡架旋轉相應的度數，使樣品平面光束的照射中心回復至指定位置。

在本申請實施例中，結合電動旋轉鏡架的可控調節、反射光的位置探測以及控制單元的信息處理，實現了光束中心位置的監測及自動調節，保證了光束入射角度及其在樣品臺上照射位置的精確性，保證了斜入射光路的長期穩定性。整個反饋系統十分迅速，具有快速檢測、迅速調節的特點。采用位置探測器實現光束中心位置偏離判斷，且通過反射光進行光束中心位置分析，能在不影響光路的條件下精確得到光束中心的偏離程度。通過硬件與控制單元相結合，整個調節過程不需要進行人工手動光路調節，對使用者要求較低。此外，本實施例對光束進行了擴束、整形和會聚的處理，進一步提高光路的穩定性和精確性。通過多個反射鏡調整光路，使得空間上調整更加靈活。

本實用新型實施例提供的一種自動調節的斜入射光路至少包括如下技術效果：

1、在本申請實施例中，結合電動旋轉鏡架的可控調節、反射光的位置探測以及控制單元的信息處理，實現了光束中心位置的監測及自動調節，保證了光束入射角度及其在樣品臺上照射位置的精確性，保證了斜入射光路的長期穩定性。

2、在本申請實施例中，結合電動旋轉鏡架的可控調節、反射光的位置探測以及控制單元的信息處理，整個反饋系統十分迅速，具有快速檢測、迅速調節的特點。

3、在本申請實施例中，采用位置探測器實現光束中心位置偏離判斷，且通過反射光進行光束中心位置分析，能在不影響光路的條件下精確得到光束中心的偏離程度。

4、在本申請實施例中，通過硬件與控制單元相結合，整個調節過程不需要進行人工手動光路調節，對使用者要求較低。

5、在本申請實施例中，對光束進行了擴束、整形和會聚的處理，進一步提高光路的穩定性和精確性。通過多個反射鏡調整光路，使得光路在空間上更加靈活、應用更廣。

最后所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照實例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。