一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法，装置中以激光器输出的激光的方向为x轴，第一椭球面反射镜的最长的轴在x轴上，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点为原点，水平面上经过原点与x轴垂直的轴为y轴，经过原点垂直于水平面的轴为z轴，第一椭球面反射镜的靠近激光器的第二焦点处设有z轴振镜，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点处设有y轴振镜；第二椭球面反射镜的最长的轴在z轴上，第二椭球面反射镜的第三焦点与第一焦点重合，第二椭球面反射镜的第四焦点位于第三焦点z轴方向上的上方，第四焦点处设有转折反射镜。与现有技术相比，本发明专利技术具有减少畸变和串扰等优点。和串扰等优点。和串扰等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法


[0001]本专利技术涉及光束扫描的
，尤其是涉及一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法。

技术介绍

[0002]随着光学技术的发展，利用振镜实现高速光束扫描的方式从而精准地控制光线角度得到了越来越广泛的应用。振镜是有偏转镜和电机构成，通过控制器向振镜电机发送电压或电流信号，振镜即可做出相应的角度偏转，光线经过此片反射镜反射后，以对应的角度出射，从而实现控制光束角度的目的。通常来说，振镜常与激光器、平场透镜等元件共同构成光束扫描系统，并在受激拉曼显微成像、光声成像、光学相干层析显微等成像技术中获得了广泛的应用。然而需要注意的是，负责光束z方向偏转和y方向偏转的两个振镜不可能在空间位置上重合，这就导致了经过偏转的光束在z
‑
方向和y
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方向上的偏转中心不重合。在共聚焦成像、光学相干断层扫描成像等系统中，偏转后的光束不经过扫描透镜直接照射进物镜中，由于物镜孔径有限，进入物镜的光线及时角度正确然而能量却不均匀；在共聚焦系统或激光打标系统中，偏转后的光束在经过平面场镜或f
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θ镜之后，在确定成像平面上两个方向的像高不同，导致了明显的枕型畸变。
[0003]此类问题均是由z和y两个方向的振镜空间位置不重合导致的，虽然已经有了一些算法可以矫正此种畸变，但对控制系统要求很高，且不同位置的矫正数据都需要重新调整。因此对于操作精度非常高的扫描系统，此问题仍需进一步改进。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置和扫描方法。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，包括激光器、z轴振镜、第一椭球面反射镜、y轴振镜、第二椭球面反射镜和固定偏转镜，以激光器输出的激光的方向为x轴，第一椭球面反射镜的最长的轴在x轴上，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点为原点，水平面上经过原点与x轴垂直的轴为y轴，经过原点垂直于水平面的轴为z轴，第一椭球面反射镜的靠近激光器的第二焦点处设有z轴振镜，第一椭球面反射镜的远离激光器的第一焦点处设有y轴振镜；第二椭球面反射镜的最长的轴在z轴上，第二椭球面反射镜的第三焦点与第一焦点重合，第二椭球面反射镜的第四焦点位于第三焦点z轴方向上的上方，第四焦点处设有转折反射镜；激光器发射入射光线，入射光线依次经过z轴振镜、第一椭球面反射镜、y轴振镜、第二椭球面反射镜和固定偏转镜后输出。
[0006]进一步地，第一椭球面反射镜和第二椭球面反射镜的尺寸相同，第一椭球面反射
镜的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第一椭球面反射镜的最长的轴，第二椭球面反射镜的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第二椭球面反射镜的最长的轴。
[0007]进一步地，z轴振镜的偏转中心位于第一椭球面反射镜的第二焦点；y轴振镜的偏转中心位于第一椭球面反射镜的第一焦点。
[0008]进一步地，若入射光线未经过振镜偏转，则最终转折反射镜输出无偏转中心光线，入射光线与无偏转中心光线平行。
[0009]进一步地，入射光线与z轴振镜的初始角度之间成45
°
。
[0010]本专利技术的另一方面，还提出一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，采用上述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，扫描方法包括以下步骤：S1、调节激光器、z轴振镜，第一椭球面反射镜，y轴振镜，第二椭球面反射镜和固定偏转镜；S2、调节完成后，控制调节激光器发射入射光线，并按照所需的扫描模式驱动z轴振镜和y轴振镜；S3、入射光线经过z轴振镜后偏转，在xy平面传播；S4、S3的偏转后的光线从z轴振镜射到第一椭球面反射镜，再从第一椭球面反射镜反射到第一焦点处的y轴振镜；S5、S4的光线经过y轴振镜后偏转；S6、S5的偏转后的光线从y轴振镜射到第二椭球面反射镜，再从第二椭球面反射镜反射到第四焦点处的转折反射镜；S7、S6的光线从转折反射镜反射，形成扫描光束，返回S2改变z轴振镜和y轴振镜的扫描模式，改变扫描光束的位置，对不同的位置进行扫描。
[0011]进一步地，S1的调节的具体步骤为：第一步, 控制调节激光器发射入射光线，并调整入射光线，使之沿x轴方向传播；第二步，放置z轴振镜，并进行驱动，使得入射光线经过z轴振镜的反射后形成的z轴偏转光线仍沿xy平面传播，调节z轴振镜的位置，使入射光线照射在z轴振镜上的光斑没有明显位移；第三步，放置第一椭球面反射镜，使z轴振镜的反射光斑在第一椭球面反射镜的第二焦点附近；第四步，调整第一椭球面反射镜，使第一椭球面反射镜反射的z轴偏转光线处于xy平面内，并微调第一椭球面反射镜反射，使z轴偏转光线汇聚到第一焦点；第五步，放置y轴振镜，并使y轴振镜的中心位置和第一焦点重合，驱动y轴振镜，微调y轴振镜的位置，使照射在y轴振镜镜面上的光斑位置最小且不发生移动；第六步，停止驱动z轴振镜，使得z轴振镜反射的光只有无偏转中心光线，无偏转中心光线经过y轴振镜后，产生y轴偏转光线；第七步，放置第二椭球面反射镜，使y轴振镜的反射光斑在第二椭球面反射镜的第三焦点附近；第八步，调整第二椭球面反射镜，使得第二椭球面反射镜的反射光斑的z轴坐标与无偏转中心光线在第二椭球面反射镜的反射光斑的z轴坐标相等；第九步，驱动z轴振镜，微调椭球面反射镜的位置，使所以光线均汇聚到第四焦点，
在第四焦点处放置转折反射镜；第十步，停止驱动z轴振镜和y轴振镜，调整转折反射镜，使得转折反射镜反射出的出射光线与入射光线平行。
[0012]进一步地，振镜基于高频交流信号驱动。
[0013]进一步地，调整转折反射镜具体为调整转折反射镜的俯仰。
[0014]进一步地，S2中，按照所需的扫描模式驱动z轴振镜时，转折反射镜处的z方向偏转角度为z轴振镜的偏转角度的两倍，设所需的z方向偏转角度为2n，则z轴振镜的偏转角度为n。
[0015]进一步地，S2中，按照所需的扫描模式驱动y轴振镜时，转折反射镜处的y方向偏转角度和y轴振镜的偏转角度之间的关系为：
[0016]其中，f为椭球面焦距，φ为y方向偏转角度，θ为y轴振镜的偏转角度。
[0017]进一步地，椭球面焦距为：
[0018]其中，c为椭球面最长的轴，a为椭球面的短轴。
[0019]本专利技术的另一方面，还提出一种基于反射光线测量的大角度折射率测量方法，方法采用的装置包括上述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，平面扫描装置输出的光为倾斜光束，方法采用的装置还包括：在无偏转中心光线方向上依次设置的平场透镜、半反半透镜、物镜和样品，半反半透镜的y轴方向上设有汇聚透镜和偏振探测器，所述无偏转中心光线为未经过振镜偏转的从转折反射镜反射的光线；方法包括以下步骤：控制平面扫描装置输出倾斜光束，倾斜光束经过平场透镜和半反半透镜后，照射到物镜的一个边缘，并经过物镜的偏转以倾斜光束的倾斜角度汇聚到样品表面，所述倾斜角度基于z轴振镜和y轴振镜的偏转角度确定；样品表面的光束经本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，包括激光器（1）、z轴振镜（2）、第一椭球面反射镜（3）、y轴振镜（4）、第二椭球面反射镜（5）和固定偏转镜（6），以激光器（1）输出的激光的方向为x轴，第一椭球面反射镜（3）的最长的轴在x轴上，第一椭球面反射镜（3）的远离激光器（1）的第一焦点为原点，水平面上经过原点与x轴垂直的轴为y轴，经过原点垂直于水平面的轴为z轴，第一椭球面反射镜（3）的靠近激光器（1）的第二焦点处设有z轴振镜（2），第一椭球面反射镜（3）的远离激光器（1）的第一焦点处设有y轴振镜（4）；第二椭球面反射镜（5）的最长的轴在z轴上，第二椭球面反射镜（5）的第三焦点与第一焦点重合，第二椭球面反射镜（5）的第四焦点位于第三焦点z轴方向上的上方，第四焦点处设有转折反射镜（6）；激光器（1）发射入射光线（7），入射光线（7）依次经过z轴振镜（2）、第一椭球面反射镜（3）、y轴振镜（4）、第二椭球面反射镜（5）和固定偏转镜（6）后输出。2.根据权利要求1所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，第一椭球面反射镜（3）和第二椭球面反射镜（5）的尺寸相同，第一椭球面反射镜（3）的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第一椭球面反射镜（3）的最长的轴，第二椭球面反射镜（5）的另外两根轴的长度相等，且其长度小于第二椭球面反射镜（5）的最长的轴。3.根据权利要求1所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，z轴振镜（2）的偏转中心位于第一椭球面反射镜（3）的第二焦点；y轴振镜（4）的偏转中心位于第一椭球面反射镜（3）的第一焦点。4.根据权利要求1所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，若入射光线（7）未经过振镜偏转，则最终转折反射镜（6）输出无偏转中心光线（8），入射光线（7）与无偏转中心光线（8）平行。5.根据权利要求1所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描装置，其特征在于，入射光线（7）与z轴振镜（2）的初始角度之间成45
°
。6.一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，采用权利要求1~5中任一项所述的基于椭球面的振镜平面扫描装置，扫描方法包括以下步骤：S1、调节激光器（1）、z轴振镜（2），第一椭球面反射镜（3），y轴振镜（4），第二椭球面反射镜（5）和固定偏转镜（6）；S2、调节完成后，控制调节激光器（1）发射入射光线（7），并按照所需的扫描模式驱动z轴振镜（2）和y轴振镜（4）；S3、入射光线（7）经过z轴振镜（2）后偏转，在xy平面传播；S4、S3的偏转后的光线从z轴振镜（2）射到第一椭球面反射镜（3），再从第一椭球面反射镜（3）反射到第一焦点处的y轴振镜（4）；S5、S4的光线经过y轴振镜（4）后偏转；S6、S5的偏转后的光线从y轴振镜（4）射到第二椭球面反射镜（5），再从第二椭球面反射镜（5）反射到第四焦点处的转折反射镜（6）；S7、S6的光线从转折反射镜（6）反射，形成扫描光束，返回S2改变z轴振镜（2）和y轴振镜（4）的扫描模式，改变扫描光束的位置，对不同的位置进行扫描。7.根据权利要求6所述的一种基于椭球面的振镜平面扫描方法，其特征在于，S1的调节
的具体步骤为：第一步, 控制调节激光器（1）发射入射光线（7），并调整入射光线（7），使之沿x轴方向传播；第二步，放置z轴振镜（2），并进行驱动，使得入射光线（7）经过z轴振镜（2）的反射后形成的z轴偏转光线（9）仍沿xy平面传播，调节z轴振镜（2）的位置，使入射光线（7）照射在z轴振镜（2）上的光斑没有明显位移；第三步，放置第一椭球面反射镜（3），使z轴振镜（2）的反射光斑在第一椭球面反射镜（3）的第二焦点附近；第四步，调整第一椭球面反射镜（3），使第一椭球面反射镜（3）反射的z轴偏转光线（9）处于xy平面内，并微调第一椭球面反射镜（3）反射，使z轴偏转光线（9）汇聚到第一焦点；第五步，放置y轴振镜（4），并使y轴振镜（4）的中心位置和第一焦点重合，驱动y轴振镜（4），微调y轴振镜（4）的位置，使照射在y轴振镜（4）镜面上的光斑位置最小且不发生移动；第六步，停止驱动z轴振镜（2），使得z轴振镜（2）反射的光只有无偏转中心光线（8），无偏转中心光线（8）经过y轴振镜（4）后，产生y轴偏转光线（10）；第七步，放置第二椭球面反射镜（5），使y轴振镜（4）的反射光斑在第二椭球面反射镜（5）的第三焦点附近；第八步，调整第二椭球面反射镜（5），使得第二椭球面反射镜（...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嘉贺，苏航，杨勇，杨青，袁小聪，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：