CN101236304B - 一种光线平行调整的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光线平行调整的装置和方法，属于光电检测技术领域。本发明利用高稳定性的准直激光器(1)发射准直激光经过分光器偏振(2)分光，在偏振分光器(2)的反射光路和透射光路上分别放置一个λ/4波片，波片的快轴方向与激光的偏振方向成45°。通过同一块平面反射镜(9)使光线逆向反射，使要调整的光线先后入射到同一个测角探测器(8)上，通过调整二维反射镜(6)使两出射光线的平行性达到1弧秒以下。此方法还可以调整多束光线之间的平行性，结构简单，使用灵活，通用性强，成本较低，便于校正，调整精度高。
Description
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，特别涉及一种光线之间平行度的高精度调整。利用调整后的平行光束可以进行两直线导轨的平行度测量，还可以进行直线导轨副本身的滚转角测量。
背景技术
数控机床直线导轨副需要进行滚转角测量，而最简单的光学测量方法是利用平行光线进行测量。尽管通过两个五角棱镜能使光线产生平行光线，但由于五角棱镜只能保证有一个方向的垂直，很难得到两束光线平行性在1弧秒以下，且高精度的五角棱镜造价也贵。
本发明的目的在于提供一种具有通用性的激光平行性调整装置和方法，调整精度优于1弧秒。利用此方法得到的平行光线可以用作近距离导轨之间的平行性装调和导轨本身的滚转角测量。
发明内容
一种光线平行调整的装置是：准直激光器发出高稳定性的准直激光，经过偏振分光器分光。其中偏振分光器的反射光路上放置一个λ/4波片，波片的快轴方向与激光的偏振方向成45°，再入射到一个平面反射镜上。而在偏振分光器的透射光路上放置另外一个λ/4波片，波片的快轴方向与激光的偏振方向也成45°，再通过一个二维可调平面反射镜反射，使其反射方向与偏振分光器的反射光平行入射到同一平面反射镜上。平面反射器使两光线逆向返回到偏振分光器。由于两光束分别两次透过λ/4波片，光线的振动方向分别旋转了90°，因此原来经过偏振分光器的反射光变成透射光，原来经过偏振分光器的透射光变成反射光。通过一个透镜入射到同一个探测器上。
所述的准直光器包括经过单模光纤准直的半导体激光器和气体激光器。
所述的偏振分光器可以是非偏振半透半反分光器，这时两个λ/4波片可以不用，只是从平面反射镜反射回来的光将发生能量损失。
所述的探测器可以是四象限探测器、位置敏感探测器和CCD其中的一种。
所述的探测器必须放置在透镜焦平面上。
所述的透镜还可以用透镜组替代。
所述装置可以通过增加偏振分光器和λ/4波片产生多束平行光线。
本发明的一种光线平行调整方法步骤为：
(1)准直激光器发出稳定激光通过偏振分光器分光，分为垂直线偏振S和平行线偏振P激光；
(2)用纸板挡住偏振分光器的透射光P，使垂直线偏振激光S透过一个λ/4波片，变成圆偏振光，入射到一个平面反射镜上，其中λ/4波片的快轴与S偏振方向成45°；
(3)调整平面反射镜使圆偏振光线逆向返回第二次透过λ/4波片，此时光线由圆偏振光变成线偏振光，但偏振方向旋转了90°，因此光线透过偏振分光器和透镜，入射到探测上，并使光线入射到探测器的中心位置，记下读数；
(4)保持平面反射镜不动，把纸板拿开，放在偏振分光器的反射光路上挡住偏振分光器的反射光S；
(5)偏振分光器的透射光P透过另外一个λ/4波片，再通过可以二维调节的平面反射镜反射，使光线入射到上述的固定不动的平面反射镜上。其中λ/4波片的快轴与P偏振方向成45°，透过此λ/4波片的偏振光也变成圆偏振光；
(6)固定不动的反射镜使圆偏振光线逆向返回，经过二维可调节的平面反射镜反射，第二次透过λ/4波片，使圆偏振光变成了线偏振光，但其振动方向旋转了90°，因此光线经过偏振分光器反射，透过透镜，入射到探测器上；
(7)调节二维可调平面反射镜，使逆向入射到探测器上的光点的位置读数与上述记下的读数相同；
(8)撤走以上所述的挡光纸板和固定平面反射镜，则两出射光线为平行光线。
所述的方法可以通过调整增加的偏振分光器的反射方向产生多束平行光线。
本发明是一种适用于产生两束平行光线，具有如下的优点：
1、调整装置和方法简单，成本较低。
2、调整精度高，利用高稳定准直激光可以调整到光线之间平行性在1弧秒以下。
3、利用此方法还可以调整两束以上光线之间的平行性。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为调整光束平行光线的实施例一。
图2为测角原理图。
图3为调整两束光线平行的实施例二。
图4为同时调整三束光线平行性的实施例三。
图中：1-为准直激光器；2-为偏振分光器；3、4-为λ/4波片；5-为小平面反射镜；6-为二维调节装置；7-为凸透镜；8-为四象限探测器；9-为大平面反射镜；10-为半透半反分光器；11-为偏振分光器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
图1为调整两束平行光线的原理装置。准直激光器1发出稳定激光通过偏振分光器2分光，分为垂直线偏振S和平行线偏振P激光。用纸板挡住偏振分光器的透射光P，使垂直线偏振激光S透过一个λ/4波片3，变成圆偏振光，入射到一个平面反射镜9上，其中λ/4波片3的快轴与S偏振方向成45°。调整平面反射镜9使圆偏振光线逆向返回第二次透过λ/4波片3，此时光线由圆偏振光变成线偏振光，但偏振方向旋转了90°，因此光线透过偏振分光器2和透镜7，入射到四象限探测器8上，并使光线入射到探测器8的中心位置，记下读数。保持平面反射镜9不动，把纸板拿开，放在偏振分光器2的反射光路上挡住偏振分光器2的反射光S。偏振分光器2的透射光P透过另外一个λ/4波片4，再通过可以二维调节的平面反射镜5反射，平面反射镜5固定在一个二维调节装置6上，使光线入射到上述的固定不动的平面反射镜9上。其中λ/4波片4的快轴与P偏振方向成45°，透过此λ/4波片4的偏振光也变成圆偏振光。固定不动的反射镜9使圆偏振光线逆向返回，经过二维可调节的平面反射镜5反射，第二次透过λ/4波片4，使圆偏振光变成了线偏振光，但其振动方向旋转了90°，因此光线经过偏振分光器2反射，透过透镜7，入射到四象限探测器8上。调节二维可调平面反射镜5，使逆向入射到探测器8上的光点的位置读数与上述记下的读数相同。撤走以上所述的挡光纸板和固定平面反射镜9，则两出射光线为平行光线。
两次光线的测量角度原理如图2所示，探测器8放置在透镜7的焦平面上，当入射光线偏离透镜7光轴θ时，光点在探测器上有位移d的偏移，则光线偏移角度为：
tgθ＝d/f (1)
图3为调整两束光线平行的实施例二，相对于实施例一(图1)，图3少了两个λ/4波片，且偏振分光器2被非偏振半透半反分光器10取代。具体光线平行调焦过程为：准直激光器1发出稳定激光通过半透半反分光器10分光，分为反射光和透射光。用纸板挡住透射光，使反射光入射到一个平面反射镜9上。调整平面反射镜9使光线逆向返回到半透半反分光器10，此时光线再次被半透半反分光器10平分，其中透射光透过透镜7，入射到探测器8上，并使光线入射到四象限探测器8的中心位置，记下读数。保持平面反射镜9不动，把纸板拿开，放在分光器10的反射光路上，挡住分光器10的反射光。分光器10的透射光通过可以二维调节的平面反射镜5反射，平面反射镜5固定在一个二维调节装置6上，使光线入射到上述的固定不动的平面反射镜9上。固定不动的反射镜9使光线逆向返回，经过二维可调节的平面反射镜5反射，入射到分光器10上，光线再次经过半透半反分光器10分光，其中反射光，透过透镜7，入射到四象限探测器8上。调节二维可调平面反射镜5，使逆向入射到探测器8上的光点的位置读数与上述记下的读数相同。撤走以上所述的挡光纸板和固定平面反射镜9，则两出射光线为平行光线。
图4为同时调整三束光线平行性的实施例。此实施例是在图1基础上增加了一个偏振分光器11。准直激光器1发出稳定激光通过偏振分光器2分光，分为垂直线偏振S和平行线偏振P激光。用纸板挡住偏振分光器的透射光P，使垂直线偏振激光S透过一个λ/4波片3，变成圆偏振光，入射到一个平面反射镜9上，其中λ/4波片3的快轴与S偏振方向成45°。调整平面反射镜9使圆偏振光线逆向返回第二次透过λ/4波片3，此时光线由圆偏振光变成线偏振光，但偏振方向旋转了90°，因此光线透过偏振分光器2和透镜7，入射到四象限探测器8上，并使光线入射到探测器8的中心位置，记下读数。保持平面反射镜9不动，把纸板拿开，放在偏振分光器2的反射光路上挡住偏振分光器2的反射光S。从偏振分光器2透射光P经过λ/4波片4，其中λ/4波片4的快轴与P偏振方向成45°，当光线透过λ/4波片4时，光线由线偏振激光变成圆偏振光。圆偏振激光经过偏振分光器11分成两相互垂直的线偏振激光，其中反射光为S‘线偏振，透射光为P’线偏振。再用另外一块纸板挡住偏振分光器11后面的透射光P’。反射光S‘入射到固定平面反射镜9上，反射镜9使光线逆向反射到偏振分光器11，经过偏振分光器11反射，再次透过λ/4波片4，线偏振光变成圆偏振光。圆偏振光经过偏振分光器2分光，反射光透过透镜7，入射到四象限探测器8上。调整偏振分光器11的反射方向，使入射到四象限探测器8上的读数与第一次读数相同。这时第一束光线S与第二束光线S’平行。从偏振分光器11后撤走第二块纸板，放置在偏振分光器11的反射光S’上，挡住返回的光。使从偏振分光器11后的透射光P’经过平面反射镜5入射到固定反射镜9上。固定反射镜9使光线逆向返回，经过平面反射镜5反射，透过偏振分光器11和λ/4波片4，这时线偏振激光也变成圆偏振光。圆偏振激光经过偏振分光器2分光，其中反射光透过透镜7，入射到四象限探测器8上。调整平面反射镜5反射方向，使入射到四象限探测器8上的读数与第一次读数相同。这时第一束光线S与第三束光线P’平行。。撤走以上所有挡光纸板和固定平面反射镜9，则三束出射光线为平行光线。同理还可以通过增加偏振分光器和λ/4波片进行三束以上的平行光线调整。
Claims (9)
1.一种光线平行调整的装置，其特征在于：准直激光器(1)发出高稳定性的准直激光，经过偏振分光器(2)分光，在偏振分光器(2)的反射光路上放置一个λ/4波片(3)，λ/4波片(3)的快轴方向与激光的偏振方向成45°，再入射到一个平面反射镜(9)上；而在偏振分光器(2)的透射光路上放置另外一个λ/4波片(4)，λ/4波片(4)的快轴方向与激光的偏振方向也成45°，再通过一个二维可调平面反射镜(5)反射，使其反射方向与偏振分光器(2)的反射光平行入射到同一平面反射镜(9)上；平面反射镜(9)使两光线逆向返回到偏振分光器(2)；由于两光束分别两次透过λ/4波片(3、4)，光线的振动方向分别旋转了90°，因此原来经过偏振分光器(2)的反射光变成透射光，原来经过偏振分光器(2)的透射光变成反射光；通过一个透镜(7)入射到同一个探测器(8)上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的准直激光器(1)可以为经过单模光纤准直的半导体激光器或是气体激光器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的偏振分光器(2)用非偏振半透半反分光器替代。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的探测器(8)可以是四象限探测器或者是位置敏感探测器或者是CCD。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的探测器(8)必须放置在透镜(7)焦平面上。
6.如权利要求1所述的装置中，其特征在于：所述的透镜(7)还可以用透镜组替代。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置可以通过增加偏振分光器和λ/4波片产生多束平行光线。
8.一种光线平行调整的方法，其特征在于：所述方法步骤为：
(a)准直激光器(1)发出稳定激光通过偏振分光器(2)分光，分为垂直线偏振S和平行线偏振P激光；
(b)用纸板挡住偏振分光器(2)的平行线偏振P激光，使垂直线偏振S激光透过一个λ/4波片(3)，变成圆偏振光，入射到一个平面反射镜(9)上，其中λ/4波片(3)的快轴与S偏振方向成45°；
(c)调整平面反射镜(9)使圆偏振光线逆向返回第二次透过λ/4波片(3)，此时光线由圆偏振光变成线偏振光，但偏振方向旋转了90°，因此光线透过偏振分光器(2)和透镜(7)，入射到四象限探测器(8)上，并使光线入射到探测器(8)的中心位置，记下读数；
(d)保持平面反射镜(9)不动，把纸板拿开，放在偏振分光器(2)的反射光路上挡住偏振分光器(2)的垂直线偏振S激光；
(e)偏振分光器(2)的平行线偏振P激光透过另外一个λ/4波片(4)，再通过可以二维调节的平面反射镜(5)反射，使光线入射到上述的固定不动的平面反射镜(9)上，其中λ/4波片(4)的快轴与P偏振方向成45°，透过此λ/4波片(4)的偏振光也变成圆偏振光；
(f)固定不动的反射镜(9)使圆偏振光线逆向返回，经过二维可调节的平面反射镜(5)反射，第二次透过λ/4波片(4)，使圆偏振光变成了线偏振光，但其振动方向旋转了90°，因此光线经过偏振分光器(2)反射，透过透镜(7)，入射到四象限探测器(8)上；
(g)调节二维可调平面反射镜(5)，使逆向入射到四象限探测器(8)上的光点的位置读数与上述记下的读数相同；
(h)撤走以上所述的挡光纸板和固定平面反射镜(9)，则两出射光线为平行光线。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：可以通过调整增加的偏振分光器的反射方向产生多束平行光线。
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