一种分光棱镜等光程胶合装置

技术领域

本专利涉及对把两个直角棱镜胶合形成分光棱镜的胶合装置。

背景技术

白光干涉显微物镜(以下简称干涉物镜)是白光干涉测量系统一个重要的器件，而立方体分光棱镜(以下简称分光棱镜)是干涉物镜中的一个关键器件。之所以称为关键器件，是因为其性能要求有别于其他应用领域。

白光是有限连续光谱范围内无限数量的相干波的叠加。在白光干涉仪中，这些单色载波产生一组离散的周期性条纹，其空间频率与它们的波长相对应。当对这些条纹图案的强度值求和时，可接受的条纹可见性仅限于单个有限相干包。这个相干包的长度称为相干长度(Lc)，用表达式近似表示Lc＝λ

其中△λ为光谱分布的半高宽(FWHM)值，λ

如图1所示，对单色干涉系统而言，只要保证ACA与AEA的光程差小于相干长度即可看见条纹，即使AB不等于AD仍可以等效地改变BC的距离。当存在多个波长时，由于光学玻璃固有的色散性质，系统只能通过匹配每条光路中的玻璃介质长度来实现消色差。这意味着长度AB和AD以及BC和DE必须是相等的。值得指出的是，如果光程ACA和AEA之间的差小于相干包Lc的长度，仍然可以实现可接受的条纹对比度。如果光程误差大于Lc，则条纹是不可见的。

导致分光棱镜光程误差的因素是分光棱镜胶合过程中两个直角棱镜的对准。对准过程通常是最大限度地减少内部光程误差的限制因素，也是分光镜胶合中最具挑战性的一步。

在装配过程中需要控制两个关键自由度(DOF)，它们是直角棱镜在斜边平面沿45°斜面的横向平移(DOF1)，如图2所示，以及直角棱镜围绕垂直于斜面的轴的旋转(DOF2)，如图3所示。这些自由度中的每一个都会对分光棱镜的整体光程误差产生影响。

直角棱镜沿斜面的相对横向位置(DOF1)是最关键的调整。这个自由度本质上是用来匹配分光棱镜内两个光路的轴上光程，通常是光程误差的最大来源。第二自由度(DOF2)用于通过确保分光棱镜立方体的两个出口面都垂直于入射光轴来有效消除可能存在于棱镜中的任何金字塔误差。

两个直角棱镜之间的UV胶粘剂层将是几微米厚(取决于胶粘剂粘度)，并将在两个直角棱镜之间引入分离的效果。这种间隙厚度可以通过直角棱镜沿45°斜面的直线运动(DOF1)来补偿。因此，胶隙的厚度并不是影响整体对准精度的一个因素。

发明内容

本专利的目的是提供一种分光棱镜等光程胶合装置，它结构简单，使用方便，能够保证胶合后的分光棱镜在两个光路的轴上光程差小于0.9um，精度极高。

本专利所述的一种分光棱镜等光程胶合装置，包括大视场低倍显微系统、夹持机构、自准直仪、UV灯；分光棱镜包括两个斜面相贴合的直角棱镜一和直角棱镜二，两个直角棱镜一、直角棱镜二的两个相对的斜面之间具有未固化UV胶粘剂；当UV灯对UV胶粘剂进行照射时，UV胶粘剂固化从而将直角棱镜一与直角棱镜二粘合在一起；

夹持机构压电千分尺、侧面调整座、包括具有负压腔的负压座、与负压腔相通用于对负压腔抽真空的真空泵；直角棱镜二的第一直角面被吸附在负压座上；压电千分尺与直角棱镜一的第一直角面接触，调节压电千分尺可以推动直角棱镜一沿着直角棱镜二的斜面移动；侧面调整座上螺纹连接有与直角棱镜一的两个侧面分别接触的调整螺钉，转动调整螺钉可以推动直角棱镜一在斜面内摆动；

大视场低倍显微系统包括白光光源、透镜、分光镜、物镜、管镜、CCD，用于检测分光棱镜的光程差；白光光源发出的白光经过透镜、并经分光镜反射后汇聚，再经物镜以平行光出射，并经直角棱镜一的第二直角面进入分光棱镜，一束平行光经分光棱镜斜面反射至直角棱镜一的第一直角面，经直角棱镜一的第一直角面反射形成第一反射光束；进入分光棱镜后的另一束平行光透过分光棱镜斜面后，经直角棱镜二的第一直角面反射形成第二反射光束，第一反射光束、第二反射光束经过经分光棱镜、物镜、分光镜、管镜汇聚到CCD上；

自准直仪设置在夹持机构一侧，用于检测直角棱镜一的第一直角面与直角棱镜二的第二直角面的平行度。

上述的分光棱镜等光程胶合装置，还包括与直角棱镜一的第一直角面接触的、位于压电千分尺与直角棱镜一之间的第一参考镜。

上述的分光棱镜等光程胶合装置，在第一参考镜外周设置保持架，保持架与直角棱镜一的第一直角面之间具有间隙，在压电千分尺推动第一参考镜、直角棱镜一移动式，第一参考镜、保持架不会与直角棱镜二接触。

上述的分光棱镜等光程胶合装置，还包括与直角棱镜二的第一直角面接触的第二参考镜，第二参考镜设置在负压座上，第二参考镜上开有把负压腔与直角棱镜二的第一直角面相连通的通孔，真空泵对负压腔抽真空时，直角棱镜二被吸附固定在第二参考镜上。

上述的分光棱镜等光程胶合装置，通孔有四个，分别与直角棱镜二的第一直角面的四个角部相对。

上述的分光棱镜等光程胶合装置，在透镜与分光镜之间设置光阑。

本发明的有益效果：

使用该分光棱镜等光程胶合装置时，转动调整螺钉，推动直角棱镜一在斜面内相对于直角棱镜二摆动，并在自准直仪中观察反映直角棱镜一的第一直角面与直角棱镜二的第二直角面的平行度的两个十字丝的距离，直到两个十字丝的距离满足要求；调节压电千分尺，推动直角棱镜一沿着斜面相对于直角棱镜二移动；直到在CCD中观察到干涉条纹；此时，采用UV灯对UV胶粘剂进行照射使得UV胶粘剂固化，直角棱镜一与直角棱镜二粘合在一起形成分光棱镜。

对于白光光源，如果中心波长λ

如果采用了第一参考镜和第二参考镜，以第一参考镜与直角棱镜一接触的面作为反射面对光线反射形成第一反射光束，以第二参考镜与直角棱镜二接触的面作为反射面对光线反射形成第二反射光束，出现的干涉条纹亮度更高，方便观察。

如果不采用第一参考镜和第二参考镜，直接以直角棱镜一的第一直角面作为反射面对光线反射形成第一反射光束，以直角棱镜二的第一反射面作为反射面对光线反射形成第二反射光束，观察到的干涉条纹亮度较低。

采用真空吸附方式把直角棱镜二固定在负压座或者第二参考镜上，操作方便。当需要把胶合好的分光棱镜取下时，真空泵不工作，负压腔进入空气即可快速取下分光棱镜。

附图说明

图1是分光棱镜光程示意图

图2是两个直角棱镜相对平移引起的胶合误差示意图

图3是两个直角棱镜相对转动引起的胶合误差示意图

图4是分光棱镜胶合装置的一种光学布局示意图

图5是分光棱镜胶合装置的另一种光学布局示意图

图6是分光棱镜等光程胶合装置整体图

图7是大视场低倍显微成像系统示意图

图8是大视场低倍显微成像系统的光路设计图

图9是卤素灯光谱图

图10是夹持机构立体图

图11是夹持机构A-A剖视图

图12是夹持机构俯视图

图13是第二参考镜俯视图

图14是十字丝未重合时示意图

图15是十字丝基本重合时示意图

图16是干涉条纹示意图

图中，科勒同轴照明机构100、F600自准直仪200、夹持机构300，

白光光源1、透镜2、光阑3、分光镜4、物镜5、管镜6、CCD7，第一参考镜8、第二参考镜9，孔径光阑10、透镜组11、反光镜12、视场光阑13、胶合镜一14、2X物镜15、胶合镜二16、胶合镜三17、

压电千分尺31、POM球头32、保持架33、负压座34、固定棱镜座35、DOF2尼龙调整螺钉36、侧面调整座37、保持架39，

直角棱镜一41、对直角棱镜二42。

具体实施方式

分光棱镜胶合装置的光学布局是基于大视场显微成像系统，满足柯勒照明的白光光束被分成测试光束和参考光束，然后重新返回合束后产生干涉图样。图4所示，包括白光光源1、透镜2、光阑3、分光镜4、物镜5、管镜6、CCD7。调整光阑大小得到匹配分光棱镜通光尺寸的光束直径。通过利用两个高质量的参考面(第一参考镜8的反射面、第二参考镜9的反射面)，白光光源的有限相干性可以有效地调整和测量分光棱镜10的光程差。由于白光具有较短的相干长度，可以确定看见干涉条纹时，分光棱镜的光程差小于Lc，以此判断是否满足DOF1要求。采用F600的自准直仪检测分光棱镜A面和C面平行度，以此得到满足要求的DOF2误差。对第一参考镜8的反射面、第二参考镜9的反射面要求较高，不仅仅反射面的平面度达到1/10λ以上，而且要求较高的清洁度，任何尘埃会产生附加的光程，所以需要洁净度可控的、较高的空间。

另一种方案是光源成像于物镜后焦面，参见图5，以便得到准直的光束。由于斜光束的存在，从实验的角度看差别不大。干涉条纹亮度不作要求时，可以直接利用分光棱镜A面、B面的反射光，无需采用第一参考镜8和第二参考镜9。

分光棱镜等光程胶合装置的工程化实施如图6，包括大视场低倍显微系统、夹持机构、F600自准直仪、UV灯。

参见图7，大视场低倍显微成像系统主要包括科勒同轴照明机构100(包括白光光源1、孔径光阑10、透镜组11、反光镜12、视场光阑13、胶合镜一14、分光镜4)、2X物镜15、F200管镜(包括胶合镜二16、胶合镜三17)、CCD相机。光路设计如图8。同时整体具有角度微调功能。

白光光源采用卤素灯，光纤导入的方式，卤素灯光谱如图9，经过滤色片光谱修正可以做到中心波长600nm，带宽400～800nm。那相干长度900nm左右。CCD相机采用4/3”CMOS，分辨率4656x3520。

F600自准直仪200焦距为600mm，分划板格值为1角分，为了便于观察，可在目镜位置增加转CCD观察的组件。测量图4、5中A，C面的平行度误差时，实际误差＝读数值/2。

夹持机构300主要包括压电千分尺31、POM球头32、参考镜保持架33、第一参考镜8、第二参考镜9、负压座34、固定棱镜座35、DOF2尼龙调整螺钉36、侧面调整座37、负压座34等。固定棱镜座35固定在负压座上，用于对直角棱镜二42进行定位。侧面调整座37固定在负压座34或者固定棱镜座35上，其上螺纹连接有DOF2尼龙调整螺钉36。压电千分尺31、POM球头32、第一参考镜8、直角棱镜一41依次接触。第二参考镜9密封设置在具有负压腔的负压座34上，直角棱镜二42的第一直角面与第二参考镜上表面接触，第二参考镜9上开有四个把负压腔通孔与直角棱镜二的第一直角面相连通的通孔，真空泵对负压腔抽真空时，直角棱镜二被吸附固定在第二参考镜上。浮动的直角棱镜一41、固定的直角棱镜二42为待胶合工件。如图10-12。另外VU灯应安置在装置旁备用。

压电千分尺也称压电测微头，粗调行程13mm，精调行程100um，步进精度10nm开环控制。第一参考镜和第二参考镜的平面度应小于1/10λ。在第一参考镜外周设置保持架39，保持架39与直角棱镜一的第一直角面之间具有一定距离，保持架主要用于防止第一参考镜位移过程中和固定的直角棱镜二42接触。

第二参考镜上的通孔应设计在相对于直角棱镜一直角面的四个角上，如图13所示。可用激光打孔。

胶合分光棱镜的胶合程序如下：

首先，将直角棱镜一和直角棱镜二两个直角棱镜进行配对，45°正负误差相配，选用90°和误差最小的(45°+45°＝90°)二个直角棱镜。清洗两个直角棱镜，并用一层薄的未固化UV胶粘剂连接。然后将预组装的分光棱镜放置在第二参考镜上并由固定棱镜座定位，同时负压装置如真空泵对负压座内的负压腔抽真空将“直角棱镜二”吸附固定在第二参考镜上。第一参考镜放在保持架中，和浮动的直角棱镜一出口面精密贴上。观察自准直仪，用DOF2尼龙调整螺钉调整，直到十字丝基本重合，误差在一个格值以内，见图12、图13。然后使用压电千分尺步进调整两个直角棱镜的相对位置。一旦出现干涉条纹(见图12)，UV胶粘剂用UV灯照射预固化，此时负压腔进气，分光棱镜可以被取下移除。

我们展示了一种有效的装置来制作立方体分光棱镜，其等光程匹配精度小于一个相干长度0.9um的光程。

进一步提高对准精度是可能的。对光源的光谱特性进行修正，加大带宽，由此减小相干长度。DOF1的控制受到压电千分尺线性分辨率的限制，可以采用闭环控制的压电，提高步进精度。通过提高直角棱镜的制造精度，也可以减少分光棱镜中的残余楔形误差。

虽然更高的精度是可行的，但本装置已经满足大多数白光干涉测量应用的要求。另外本装置是相对低成本的仪器，使其成为生产环境的理想选择。