CN101592787A - 一种用于光路调节的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于光路调节的装置和方法。所述装置包括：激光器，其用于产生照射到光斑探测器上的激光光束；光斑探测器，其用于接收所述激光光束并将接收到的所述激光光束信息转化为电信号发送给监视器；和监视器，其与所述光斑探测器相连接，用于将所接收的电信号转化为图像。基于该装置的光路调节方法由于为同轴测量，相比传统方法，能够消除阿贝误差，提高调节的精确度，并且更易于操作，有利于实际推广。

Description

一种用于光路调节的装置和方法

技术领域

本发明涉及光学系统调节领域，特别涉及一种用于光路调节的装置和方法。

背景技术

无论是几何光学实验还是物理光学实验，经常需要进行与共轴球面系统相关的光路调节。所谓的共轴球面系统包括至少一个诸如透镜这样的包含折射球面的光学系统。为了获得具有良好质量的像，共轴球面系统中各光学元件主光轴应处于同一直线上。

出于安全考虑，传统的调节方式一般不用人眼观察光路，并且某些激光非人眼可见，所以一般地是操作人员用手拿着探片(一种将非可见光转换成可见光的探测板，也称为感光板)探测光束是否通过光阑的小孔，从而判断是否达到准直。然而，这种方法存在的缺点是：1)探片同一点不能长时间接收激光照射，否则会出现饱和，光点渐渐消失。所以需要人手不停移动，变换光束在探片上的位置，而人手的抖动会造成判断不准。2)当需要对准准直光和发散光同轴时，需要沿光路方向移动探片并判断发散光的光斑空间位置，由于探片无法精确反映出光斑的信息(直径、空间的位置等)，使造成的误差较大。

还有一种利用CCD调节光路的传统方法，以下结合图1举例说明这种传统方法。图1为校准两氦氖激光器光路使之准直的示意图，包括氦氖激光器101、氦氖激光器102、小孔光阑103、小孔光阑104、漫射板105、CCD106和监视器107。漫射板105既可以反射光也可以透射光，所述氦氖激光器101照射到漫射板105上产生的漫反射光和氦氖激光器102照射到漫射板105上产生的漫透射光入射到CCD106，CCD106将光斑位置和大小的信息转化成电信号传送至监视器107显示。这种利用CCD调节光路的传统方法克服了使用探片带来的手抖造成的误差，但是由于测量仪器即CCD106的轴线与待测物即氦氖激光器101和102在漫射板105上形成的光斑的轴线不在同一直线上，这种离轴检测引入了所谓的“阿贝误差”，在校正发散光与准直光同轴时，此误差更大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种准确度高的光路调节装置和方法。

根据本发明的一个方面，提供一种用于光路调节的装置，包括：

激光器，其用于产生照射到光斑探测器上的激光光束；

光斑探测器，其用于接收所述激光光束并将接收到的所述激光光束信息转化为电信号发送给监视器；和

监视器，其与所述光斑探测器相连接，用于将所接收的电信号转化为图像。

其中，优选地包括一个激光器、一个光斑探测器和一个监视器，或者两个激光器、两个光斑探测器和一个监视器。

根据本发明的另一个方面，还包括小孔光阑，所述小孔光阑的孔直径至少比激光器光束直径大一个数量级，所述小孔光阑被放置在所述光斑探测器的前端并且其孔位于所述激光器光轴上。

其中，优选地，所述光斑探测器为CCD；所述光斑探测器、激光器和小孔光阑均连接有一个五维调整架，其均置于一光学滑轨上，以保证所述调整架可以沿所述光轴移动。

根据本发明的又一个方面，提供一种光路调节方法，包括以下步骤：

1)校准所述装置；

2)将待调节的光学元件置于所述准直光路中所述光斑探测器的前端，调节所述光学元件，使得所述光斑或光斑的中心始终落在所述光斑探测器上的同一位置；

3)待所有光学元件按步骤2)调整完毕后，移去所述激光器、光斑探测器和监视器。

根据本发明的再一个方面，其中在所述步骤1)中进一步包括将光斑探测器置于准直光路中，使所述激光光束照射到所述光斑探测器上形成光斑，然后根据监视器显示的光斑位置对所述光斑探测器进行调节，直到其与所述准直光路垂直。

根据本发明的另一个方面，其中在所述步骤2)中所述待调节的光学元件发出发散光束。其中，所述光斑为矩形或圆形或正方形或椭圆形光斑。

根据本发明的另一个方面，其中在所述步骤2)中所述光斑探测器在沿光轴方向进行移动时，所述矩形或圆形或正方形或椭圆形光斑的中心坐标始终落在所述CCD的坐标原点。

根据本发明的再一个方面，其中在所述步骤2)中所述待调节的光学元件，准直光通过其光轴后仍然为准直光。所述光斑探测器在沿所述光轴方向进行移动时，所述光斑始终落在光轴与所述光斑探测器的交点位置。

根据本发明的又一个方面，其中在所述步骤2)中还包括将小孔光阑放置于所述光学元件与光斑探测器之间并位于所述光轴上，然后调节所述光学元件，直至所述待调节的光束穿过所述小孔光阑落在所述光轴与所述光斑探测器的交点位置；其中所述小孔光阑的孔直径至少比所述激光器光束直径大一个数量级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为共轴测量，消除了离轴测量带来的阿贝误差，使调节精度尤其是对产生发散光束的光学元件的调节精度提高，此外使用本发明方法使操作更简单易行。

附图说明

图1为利用CCD调节光路的传统方法示意图；

图2为本发明装置在准直光路中校准的示意图；

图3为利用本发明装置调节LD与柱面透镜的组合在准直光路中的位置的示意图；

图4为利用本发明装置调节透镜在准直光路中的位置的示意图；

图5为利用本发明装置调节其他光学元件在准直光路中的位置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明内容作进一步详细说明。图2为本发明装置在准直光路中校准的示意图，包括氦氖激光器101、氦氖激光器102、小孔光阑103、小孔光阑104、CCD201、CCD202、监视器107。所述氦氖激光器101、102用于产生照射到CCD的感光面上的激光光束。所述CCD201、CCD202的作用是接收氦氖激光器的光束，所述CCD201和202的感光面自身带有平面正交坐标系(标记为aob，放置CCD201和202时使a与y方向大致相同，b与z方向大致相同，a轴和b轴相应显示在监视器上)，所述CCD201和202可将光斑位置和大小的信息转化成电信号传送至监视器107显示，可在监视器107上对光斑坐标精确读数。所述CCD201、CCD202还可以是其他能够实现相同功能的光斑探测器。所述监视器107用于转化所接收的电信号为图像，例如CRT显示器、液晶显示器和投影仪等。此外，氦氖激光器101和102，小孔光阑103和104，CCD201和CCD202还各安装一个五维调整架(图中未画出)用于调节各元件的空间位置，其中有三维可以调节CCD201和CCD202在x、y、z方向的位置并可对移动的距离精确读数，另两维可以调整CCD201和202自身的翻转。将上述所有五维调整架安装在沿x方向放置的光学滑轨(图中未示出)上，这样可调节光学元件沿滑轨x方向的位置，仅改变其在x方向的空间坐标，从而CCD201和202可在滑轨上沿x方向移动以判断通过各光学元件后的光束是否沿x方向。光学滑轨的x方向仅为示例性的，而非局限。

在将CCD201和CCD202加入光路之前，需要先对两个激光器的光束进行校准，即将氦氖激光器101和氦氖激光器102发出的激光调节成同轴且沿x方向。由于该调节过程属于光学实验常见技术，这里不再作详细叙述。在确定准直光路后，将CCD201和CCD202放入到准直光路中，严格保证CCD201和202所在的五维调整架有一维与滑轨的x方向平行，并让氦氖激光器101、102发出的激光分别照射在CCD201、202的感光面A、B上。可选地，在氦氖激光器101和感光面A，以及氦氖激光器102和感光面B之间分别加入小孔光阑103和104，所述小孔光阑103和小孔光阑104的孔直径应至少比氦氖激光器101和氦氖激光器102光束直径大一个数量级，以避免激光光束通过小孔时发生衍射效应。以下为调节感光面A垂直于准直光路的步骤：1)将初始时刻氦氖激光器101发出的激光在CCD201上的光斑位置调节到坐标系a轴上；2)调整CCD201所在的调整台的旋钮沿y方向移动CCD201，若此时光斑不沿a轴移动，则调节CCD201自身的二维翻转，使沿y方向移动CCD201时，监视器上的光斑沿a轴移动且CCD201沿y方向移动的距离与监视器上光斑移动的距离相等。用同样的步骤调节CCD201使其在z轴上移动时监视器上的光斑也沿b轴移动且CCD201沿z方向移动的距离与监视器上光斑移动的距离相等，此时CCD201的感光面A垂直于由氦氖激光器101所发出的激光；3)调节CCD201的位置使光斑位置落在监视器上的坐标系原点。采用上述同样的步骤也可以调节CCD202的感光面B垂直于氦氖激光器102发出的激光光束，而且可以根据光斑的位置将监视器上的坐标系调零。本领域的技术人员应该理解，此处及下文中所提到的yoz平面仅作为举例说明，其可以根据实际光学滑轨所设定的方向来确定。至此，完成了对本发明装置的全部校准工作。

接下来对光路中的光学元件进行光路调整。图3为利用本发明装置调节LD和柱面透镜的组合在准直光路中的位置的示意图，图3在图2的基础上撤去了氦氖激光器102和小孔光阑104，在滑轨上加入了LD301和柱面透镜302，并将二者作为一个整体安装在一个五维调整架上。由于LD301发出的光束在LD的快轴、慢轴上具有不同的发散角(典型的为快轴40°×慢轴10°)，由上述LD301发出的光束经过柱面透镜302后成为在LD的快轴、慢轴上均具有较小发散角的光束303(典型的为5°×5°)。一般而言，来自LD301的光束303在CCD202感光面B上形成一矩形的光斑，调节LD301和柱面透镜302的五维调整架，使得在x方向移动其到任意位置时，由CCD202所接收到的LD301矩形光斑的四个顶点在感光面B上的yoz平面内的坐标分别为典型的(c，d)、(c，-d)、(-c，d)、(-c，-d)(c、d为任意非零数值)，即矩形光斑四边分别平行于y轴和z轴，且以yoz平面的坐标原点(0，0)为对称中心。此时说明光束303的光轴已与准直光路重合，完成了对LD301和柱面透镜302的组合与准直光路的同轴调整。此处所使用的LD和柱面透镜的组合仅为示例性的，其他可以产生诸如圆形、正方形、椭圆等具有对称结构的光斑或产生不规则光斑的光学元件也可以采用类似于上述的方法对其进行光路调节，只需保证在调节其沿x轴移动时，CCD上的光斑大小以监视器上坐标系的原点为中心等比例缩放即可。由于上述调节方法为共轴调节，消除了阿贝误差，使调节精度提高。

图4为利用本发明装置调节透镜在准直光路中的位置的示意图，图4在图3的基础上，加入了透镜401，本实施例中透镜401为凸透镜，但在其他应用场合，透镜401也可以是凹透镜。类似的，透镜401也安装在一个五维调整架上。调节透镜401所在的五维调整架使氦氖激光器101发出的光束通过透镜401后能通过小孔光阑103入射到CCD201的感光面A上，此时CCD201上成像光斑在yoz平面内的坐标应为(0，0)，类似于前述的调整方法，移动透镜401至光轴上的任意位置，使CCD201所接收到的光斑在感光面A上yoz平面内的坐标均为(0，0)，此时说明透镜401的光轴已与准直光路重合，从而完成对透镜401的同轴调整，可以将其放置在所需位置(如图5所示)。可选地，也可以去掉小孔光阑103，通过移动CCD201观察经过透镜401的光束在yoz平面内的成像光斑坐标，然后对透镜401进行调整使其与准直光路同轴。

图5为利用本发明装置调节其他光学元件在准直光路中的位置的示意图。将光学元件501放置在激光器前端，如果氦氖激光器101发出的光束经过光学元件501后仍然为准直光束的话，则保留小孔光阑103，参照图4中调节透镜401的方法调节501；如果氦氖激光器101发出的光束经过光学元件501后为发散光束，则去掉小孔光阑103，参照图3中调节LD301和柱面透镜302的组合的方法调节光学元件501。

当准直光路中所有光学元件都按照上述方法调整各自光轴与准直光路重合后，可以撤去氦氖激光器、小孔光阑、CCD和监视器，然后移动各光学元件在x方向的位置至光学上的合适位置即完成光路调节的全过程。

本领域的技术人员应该理解，虽然在本实施例中所使用的是最常用的氦氖激光器，但其他类型的可用于光路校准的激光器也可为之所用；而且本实施例通过两个激光器、两个CCD以及一个监视器实现光路调节，但事实上，利用一个激光器、一个CCD和一个监视器即可以完成对某些简单光路的调节工作，因此本发明的实施例是非限制的；此外，为了保证各光学元件能同轴移动调节，本实施例中所有光学元件所在的调整架都安装在滑轨上，实际操作中也可去掉滑轨，严格保证所有的各光学元件所在的五维调整架都有一维沿某一方向移动，通过调整调整架也可达到同样目的。

尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但对于本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (14)

1.一种用于光路调节的装置，包括：

激光器，其用于产生照射到光斑探测器上的激光光束；

光斑探测器，其用于接收所述激光光束并将接收到的所述激光光束信息转化为电信号发送给监视器；和

监视器，其与所述光斑探测器相连接，用于将所接收的电信号转化为图像。

2.如权利要求1所述的装置，包括一个激光器、一个光斑探测器和一个监视器，或者两个激光器、两个光斑探测器和一个监视器。

3.如权利要求1或2所述的装置，还包括小孔光阑，所述小孔光阑的孔直径至少比激光器光束直径大一个数量级，所述小孔光阑被放置在所述光斑探测器的前端并且其孔位于所述激光器光轴上。

4.如权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，所述光斑探测器为CCD。

5.如权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述光斑探测器、激光器和小孔光阑均连接有一个五维调整架。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述五维调整架均置于一光学滑轨上，以保证所述调整架可以沿光轴移动。

7.一种采用权利要求1所述装置的光路调节方法，包括以下步骤：

1)校准所述装置；

2)将待调节的光学元件置于所述准直光路中所述光斑探测器的前端，调节所述光学元件，使得所述光斑或光斑的中心始终落在所述光斑探测器的同一位置；

3)待所有光学元件按步骤2)调整完毕后，移去所述激光器、光斑探测器和监视器。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤1)中进一步包括将光斑探测器置于准直光路中，使所述激光光束照射到所述光斑探测器上形成光斑，然后根据监视器显示的光斑位置对所述光斑探测器进行调节，直到其与所述准直光路垂直。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中所述待调节的光学元件发出发散光束。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中所述光斑为矩形或圆形或正方形或椭圆形光斑。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中所述光斑探测器在沿光轴方向进行移动时，所述矩形或圆形或正方形或椭圆形光斑的中心坐标始终落在所述CCD的坐标原点。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中所述待调节的光学元件，准直光通过其光轴后仍然为准直光。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中所述光斑探测器在沿所述光轴方向进行移动时，所述光斑始终落在光轴与所述光斑探测器的交点位置。

14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在所述步骤2)中还包括将小孔光阑放置于所述光学元件与光斑探测器之间并位于所述光轴上，然后调节所述光学元件，直至所述待调节的光束穿过所述小孔光阑落在所述光轴与所述光斑探测器的交点位置；其中所述小孔光阑的孔直径至少比所述激光器光束直径大一个数量级。

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