一种激光光轴校准装置及校准方法

技术领域

本申请涉及激光光轴校准技术领域，特别涉及一种激光光轴校准装置及校准方法。

背景技术

在半导体加工设备测量系统应用中，激光光源与光学元件的相对位置关系，即倾斜度和位置点，会影响测量系统的成像质量及测量精度，由于激光器机械安装基准与光轴的相对位置关系精度低，无法达到使用要求，需在激光器外部增加机械安装基准，来提高激光光轴与机械安装基准的位置度及倾斜度，并达到使用要求。

现有技术中，多数采用大空间反射视觉法、光束质量分析仪等检测设备进行光轴校准。但是，大空间反射视觉法存在调试效率低、精度差、调试空间大等问题；而光束质量分析仪仅可校准激光器自身光束准直，无法与机械安装定位建立关系。

申请内容

本申请的目的在于提供一种激光光轴校准装置及校准方法，可以在一定程度上解决激光准直调试难度大，光束垂直入射到安装面的中心位置精度低的问题。

本申请提供的一种激光光轴校准装置，包括对准参考系统、调节组件和预对准系统；

所述对准参考系统包括光电探测器、聚焦透镜和二位调整架；所述调节组件包括位置二维调整系统、待准直激光器和俯仰二维调整系统；所述预对准系统包括平行平晶和自准直仪；

所述光电探测器、所述聚焦透镜、所述待准直激光器、所述平行平晶和所述自准直仪同轴布置；

所述二位调整架与所述聚焦透镜连接，用于调整所述聚焦透镜的位置；

所述位置二维调整系统和所述俯仰二维调整系统分别与所述待准直激光器连接，分别用于调整所述待准直激光器的位置与俯仰角度。

在本申请较佳的技术方案中，所述激光光轴校准装置还包括安装平台，所述对准参考系统、所述调节组件和所诉预对准系统均设置于所述安装平台上。

在本申请较佳的技术方案中，所述激光光轴校准装置还包括安装座、探测器固定块和探测器定位块；

所述光电探测器与所述探测器定位块之间通过顶丝固定，且所述光电探测器的中心与所述探测器定位块的中心重合；所述探测器固定块将所述光电探测器与所述探测器定位块固定在安装座上；所述安装座固定设置于所述安装平台上。

在本申请较佳的技术方案中，所述激光光轴校准装置还包括设置于所述光电探测器与所述聚焦透镜之间的衰减镜片。

在本申请较佳的技术方案中，所述衰减镜片通过镜片压圈固定在所述探测器定位块上。

在本申请较佳的技术方案中，所述聚焦透镜的焦距为f＝150mm，所述聚焦透镜到所述光电探测器的表面距离为150mm。

在本申请较佳的技术方案中，所述二位调整架的调节范围为0-2mm。

在本申请较佳的技术方案中，所述待准直激光器为固体激光器，功率为30mW；所述衰减镜片的衰减系数为1000倍。

本申请还提供了一种基于所述激光光轴校准装置的校准方法，包括以下步骤：

S1.对位置参考基准进行校准：在光学显微镜下，将所述光电探测器的中心调至所述探测器定位块的中心，并使用顶丝将所述光电探测器与所述探测器定位块固定，使用所述探测器固定块将调整后的所述光电探测器与所述探测器定位块固定在所述安装座上，此时所述光电探测器中心位于所述安装座安装基准面中心光轴处；

S2.对倾斜参考基准进行校准：将所述平行平晶设置于所述安装座基准面上，将所述自准直仪调整至于所述安装座基准面垂直，装有所述聚焦透镜的所述二位调整架固定在所述安装座上，调整所述聚焦透镜位置，使所述自准直仪的光斑照射在所述光电探测器的中心位置，固定所述聚焦透镜；

S3.对待准直激光器进行俯仰调试：将所述衰减镜片使用所述镜片压圈固定在所述探测器定位块上，所述待准直激光器的机械安装面放置在所述安装座的安装基准面上，使用所述俯仰二维调整系统调节所述待准直激光器的俯仰角度，使所述待准直激光器的光束打入所述光电探测器的中心位置，固定所述待准直激光器的俯仰螺钉，使所述待准直激光器光束垂直于所述待准直激光器的机械安装面；

S4.对待准直激光器进行位置调试：取下所述聚焦透镜及所述二位调整架，使用所述位置二维调整系统调节所述待准直激光器的激光位置，使光束打入所述光电探测器的中心位置，固定所述待准直激光器的位置螺钉，从而使所述待准直激光器光束位于所述待准直激光器的机械安装面中心位置。

在本申请较佳的技术方案中，所述步骤S1中，采用如下方法将所述光电探测器的中心调至所述探测器定位块的中心：将连接旋转位移台的所述探测器定位块放在光学显微镜下，并将所述探测器定位块右下角基准处与光学显微镜十字光标调至重合；将光学显微镜十字光标移至所述探测器定位块中心，再将连接三维调整系统的所述光电探测器的十字光标与光学显微镜十字光标调至重合。

本申请的有益效果为：

本申请采用光电探测器实现待准直激光器位置相对机械安装面精准定位，光电探测器与聚焦透镜组合实现待准直激光器俯仰相对机械安装面精准定位，该方法直观简单，定位精度高，能够降低调试空间。本申请技术方案同时适用于半导体激光器、气体激光器、固定激光器等多种类不同功率激光光轴相对于机械安装基准面的定位调试，提高了激光器输出光轴相对于机械面俯仰及位置精度，不仅可用于激光器光轴定位调试，也可用于激光器生产调试。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例中提供的一种激光光轴校准装置的结构示意图；

图2为本申请实施例中的光电探测器与外壳定位块的结构示意图；

图3为本申请实施例中的安装座安装基准面的平面示意图；

图4为本申请实施例中提供的激光光轴校准方法的流程图；

图中标号：

1-对准参考系统；

11-安装座；12-光电探测器；13-探测器固定块；14-探测器定位块；15-衰减镜片；16-镜片压圈；17-聚焦透镜；18-二位调整架；

2-调节组件；

21-位置二维调整系统；22-待准直激光器；23-俯仰二维调整系统；

3-预对准系统；

31-平行平晶；32-自准直仪；33-安装平台。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图3所示，本实施例提供的激光光轴校准装置，主要包含对准参考系统1，调节组件2和预对准系统3。

对准参考系统1包含安装座11、光电探测器12、探测器固定块13、探测器定位块14、衰减镜片15、镜片压圈16、聚焦透镜17和二位调整架18。

调节组件2包含位置二维调整系统21、待准直激光器22和俯仰二维调整系统23。

预对准系统3包含平行平晶31、自准直仪32和安装平台33。

安装座11底部固定在安装平台33上，安装座11右侧方形端面为待准直激光器22的安装基准面，预留销钉孔及螺纹孔，用于定位及固定待准直激光器22。位置二维调整系统21底部采用螺栓固定在安装平台33上，俯仰二维调整系统23底部采用螺栓固定在安装平台33上，自准直仪32底部采用螺栓固定在安装平台上，自准直仪33输出光线在安装座11安装基准面中心左右处，系统初步搭建完成。

将光电探测器12中心调至探测器定位块14中心，如图2所示，具体步骤为，连接旋转位移台的探测器定位块14放在光学显微镜下，调节探测器定位块14右下角基准处与光学显微镜十字光标重合，光学显微镜十字光标移至探测器定位块14中心，将连接三维调整系统的光电探测器14的十字光标与光学显微镜十字光标调至重合，使用顶丝将光电探测器12与探测器定位块14固定，使用探测器固定块13将调整后的光电探测器12与探测器定位块14固定在安装座11上，通过光学显微镜调节与机械加工定位，此时光电探测器12中心位于安装座11的安装基准面中心光轴处，具体偏差在0.05mm内，光电探测器12数据可实时观测被调节光束位置数据，作为判定被调节光束位置的基准。

手持平行平晶31放在安装座11安装基准面上，将自准直仪32调整至与安装座11基准面垂直，垂直精度小于1″。聚焦透镜17的焦距选取根据俯仰精度决定，聚焦透镜17到光电探测器12表面距离H等于透镜焦距。在本实施例中，聚焦透镜17的焦距f＝150mm，聚焦透镜17到光电探测器12表面距离150mm。装有聚焦透镜17的二位调整架18通过螺钉固定在安装座11上，二位调整架18的调节范围为0-2mm。调整聚焦透镜17位置，使自准直仪32光斑打在光电探测器12中心位置，固定聚焦透镜17。聚焦透镜17与光电探测器12合并使用，通过光电探测器12数据可实时观测被调节光束位置数据，作为判定被调节光束俯仰的基准，俯仰精度在0.23mrad内，被调光束位置改变，在光电探测器12上光束位置不会变化，被调光束俯仰改变，在光电探测器12上光束位置才会变化。

衰减镜片15衰减系数根据不同待准直激光器22的功率选定。本实施例中，待准直激光器22为固体激光器，功率为30mW，衰减镜片15的衰减系数为1000倍，将衰减镜片15使用镜片压圈16固定在探测器定位块14上，待准直激光器22机械安装面放置在安装座11安装基准面上，通过销钉及螺钉定位固定，使用俯仰二维调整系统23调节待准直激光器22的俯仰角度，使光束打入光电探测器12的中心位置，光电探测器12数据显示0mm处，固定待准直激光器22的俯仰螺钉，待准直激光器22的光束垂直于激光器机械安装面，俯仰精度在0.23mrad内。

取下聚焦透镜17及二位调整架18，使用位置二维调整系统21调节待准直激光器22的激光位置，使用光束打入光电探测器12的中心位置，光电探测器12数据显示0mm处，固定待准直激光器22位置螺钉，待准直激光器22光束位于激光器机械安装面中心位置，位置偏差在0.05mm范围内，待准直激光器22机械安装基准与光轴的位置度及倾斜度均达到使用条件。

其中，位置二维调整系统21和俯仰二维调整系统23的调整精度可达1um。

如图4所示，对所述校准装置的校准方法，包括如下步骤：

S1.位置参考基准校准：将光电探测器12中心调至探测器定位块13中心，连接旋转位移台的探测器定位块14放在光学显微镜下，调节探测器定位块14右下角基准处与光学显微镜十字光标重合，光学显微镜十字光标移至探测器定位块14中心，将连接三维调整系统的光电探测器12的十字光标与光学显微镜十字光标调至重合，使用顶丝将光电探测器12与探测器定位块14固定，使用探测器固定块13将调整后的光电探测器12与探测器定位块14固定在安装座11上，此时光电探测器12中心位于安装座11安装基准面中心光轴处，通过光电探测器12系统数据可实时观测被调节光束位置数据，作为判定被调节光束位置的基准；

S2.倾斜参考基准校准：将平行平晶31放在安装座11基准面上，将自准直仪32调整至于安装座11基准面垂直，装有聚焦透镜17的二位调整架18通过螺钉固定在安装座11上，调整二位调整架18中聚焦透镜17位置，使自准直仪32光斑打在光电探测器12中心位置，固定聚焦透镜17，聚焦透镜17与光电探测器12合并使用，通过光电探测器12数据可实时观测被调节光束位置数据，作为判定被调节光束俯仰的基准，被调光束位置改变，在光电探测器12上光束位置不会变化，被调光束俯仰改变，在光电探测器上光束位置才会变化；

S3.待准直激光器俯仰调试：将衰减镜片15使用镜片压圈16固定在探测器定位块13上，待准直激光器22机械安装面放置在安装座11安装基准面上，通过销钉及螺钉定位固定，使用俯仰二维调整系统23调节待准直激光器22俯仰，使待准直激光器22光束打入光电探测器12中心位置，固定待准直激光器22俯仰螺钉，待准直激光器22光束垂直于激光器机械安装面；

S4.待准直激光器位置调试：取下聚焦透镜17及二位调整架18，使用位置二维调整系统21调节待准直激光器22激光位置，使用光束打入光电探测器12中心位置，固定待准直激光器22位置螺钉，待准直激光器22光束位于激光器机械安装面中心位置。

本申请采用光电探测器实现待准直激光器位置相对机械安装面精准定位，光电探测器与聚焦透镜组合实现待准直激光器俯仰相对机械安装面精准定位，该方法直观简单，定位精度高，能够降低调试空间。本申请技术方案同时适用于半导体激光器、气体激光器、固定激光器等多种类不同功率激光光轴相对于机械安装基准面的定位调试，提高了激光器输出光轴相对于机械面俯仰及位置精度，不仅可用于激光器光轴定位调试，也可用于激光器生产调试。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。