CN101701804A - 准直光束检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准直光束检测装置，包括两相互平行且柱面方向呈正交设置的第一柱面镜及第二柱面镜、分别对应安装于两柱面镜焦点处的第一光电探测器及第二光电探测器、与第一柱面镜正对的准直镜、第一透射镜及第二透射镜；第一透射镜为透明介质且倾斜设置于准直镜与第一柱面镜之间，准直镜、第一透射镜、第一柱面镜及第一光电探测器依次排列于一条直线上；第二透射镜与第一透射镜相互平行且位于同一直线上，并面对第二柱面镜，第二透射镜、第二柱面镜及第二光电探测器依次排列于一条直线上；本发明利用柱面镜只存在单向轴对称曲率的特性，对准直光束的平行度进行检测，因此装置结构简单、容易调整、制造低廉且易于推广的准直光束检测装置。

Description

准直光束检测装置

技术领域

本发明涉及一种准直光束检测装置，尤其涉及一种对准直光束的平行度进行检测的装置。

背景技术

激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，LASER)是现代新光源，因具有扩散角小、亮度高、单色性好、可长距离传播等特点而被广泛应用，如激光测距、激光钻孔和切割、地震监测、激光手术、激光唱头等。同时，激光的空间控制性和时间控制性很好，对加工对象的材质、形状、尺寸和加工环境的自由度均很大，适用于自动化加工，激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业实行适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。

激光为具有一定发散角的点光源，因此激光发出后一般要经过准直镜形成与准直镜的对称轴平行的准直光束，该准直光束的平行度和准直度影响着激光的性能，其平行度即出射光与激光头的机械轴的重合度；准直度即出射光是否存在发散性或会聚性，度量指标可定性为出射光的边缘光线与中心光线是否存在夹角；因此准直光束的准直度及平行度是其光束性能评价的重要指标，为了保证激光的性能，通常采用准置仪对准直光束的准直度或平行度进行检测，现有的准直仪对准直光束的检测主要是基于光学干涉原理，即利用干涉法进行检测，其系统原理示意图如图1所示，电光源P产生的光束经准直镜L后出射一待测的准直光束，待测的准直光束入射到楔形镜W上后，被分成两部分，一部分是楔形镜前、后两表面的反射光，它们形成沿X轴正向的剪切量S，经反射镜M1反射后在探测器上形成干涉条纹；另一部分是透射光，由反射镜M2反射后入射到楔形镜上，在其两表面发生反射，由于此时入射方向相反，将形成沿X轴负向的剪切量S，同时也在探测器上形成干涉条纹。将反射镜M1的上(下)半部分和M2的下(上)半部分挡住，在探测器上会形成上下两个半场的干涉条纹，调整遮住的位置，使两个半场的干涉条纹拼在一起形成一个整场，当入射光的波前曲率半径改变时，上下两个半场的条纹宽度或方向会以相反的趋势变化。利用这种方法检测得到的干涉条纹如图2a-2c所示，当待测光束准直时，干涉场中将看到平行等距且沿分界线连续的直条纹，如图2a所示；在两种特殊的情况下，即当楔形镜的楔角方向垂直于X轴方向时，两组干涉条纹沿X轴方向彼此平行，如图2b所示；当楔形镜的楔角方向平行于X轴方向时，两组干涉条纹沿Y轴方向平行，如图2c所示。采用此种方法检测准直光束的准直度，调整两反射镜的遮住的位置时，调整难度高，且在技术上难以保证拼在一起的两个半场的干涉条纹的精确度；同时，计算机与光电处理方法复杂，实用性差；采用这种方法的干涉仪制造成本高，难以推广。

因此，急需一种结构简单、容易调整、制造低廉且易于推广的准直光束检测装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、容易调整、制造低廉且易于推广的准直光束检测装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：提供一种准直光束检测装置，用于与点光源配合来检测准直光束的平行度，其包两柱面镜、两光电探测器、准直镜、第一透射镜及第二透射镜，两所述柱面镜相互平行设置，两所述柱面镜为第一柱面镜及第二柱面镜，所述第一柱面镜及第二柱面镜的柱面方向呈正交设置；两所述光电探测器为第一光电探测器及第二探测器，所述第一光电探测器安装于所述第一柱面镜的焦点处，所述第二光电探测器安装于所述第二柱面镜的焦点处；所述准直镜正对所述第一柱面镜；所述第一透射镜为透明介质，所述第一透射镜倾斜设置于所述准直镜与所述第一柱面镜之间，所述准直镜、所述第一透射镜、所述第一柱面镜及第一光电探测器依次排列于一条直线上；所述第二透射镜与所述第一透射镜相互平行且位于同一直线上，所述第二透射镜面对所述第二柱面镜，所述第二透射镜、第二柱面镜及第二光电探测器依次排列于一条直线上。

较佳地，所述第一透射镜为半反射半透射镜，所述准直镜产生的待测准直光束经过所述半透射半反射镜后，半透射半反射镜产生分光作用，把待测的准直光束分开为两部分，一部分透射后出射到第一柱面镜，另一部分反射到第二透射镜，经第二透射镜反射后出射到第二柱面镜，使本发明准直光束检测装置的结构简单，调试方便。

较佳地，所述第二透射镜为全反射镜；所述全反射镜与所述半反射半透射镜相互平行且位于同一直线上并与所述第二柱面镜对应安装，经半透射半反射镜反射后的光束入射到全反射镜，经全反射镜转折光路后，待测光束出射到第二柱面镜，全反射镜与半反射半透射镜配合应用，减小装置的整体体积，使装置的生产成本降低。

较佳地，所述第一透射镜及第二透射镜的口径均大于所述准直镜产生的准直光束的直径，使准直光束经过半透射半反射镜及全反射镜时能被完全的反射和透射，提高检测质量及精度。

较佳地，本发明准直光束检测装置还包括与所述第一光电探测器及第二光电探测器相对应的第一显示器及第二显示器，所述第一显示器与所述第一光电探测器对应安装，所述第二显示器与所述第二光电探测器对应安装，显示器用于将光电探测器检测到的线性光斑清楚显示。

较佳地，所述点光源、所述准直镜、所述第一透射镜、所述第一柱面镜及所述第一光电探测器依次排列于一条直线上；点光源产生的光束经准直镜后形成待测的准直光束，待测的准直光束经过排列于一条直线上的第一透射镜及第一柱面镜，减少光路转折，提高检测质量。

与现有技术相比，由于本发明准直光束检测装置具有两相互平行设置的第一柱面镜及第二柱面镜，所述第一柱面镜及第二柱面镜的柱面方向呈正交设置；对应的第一光电探测器和第二光电探测器分别对应安装于所述第一柱面镜及第二柱面镜的焦点处；准直镜正述第一柱面镜安装；第一透射镜为透明介质，第一透射镜倾斜设置于所述准直镜与所述第一柱面镜之间，所述准直镜、第一透射镜、第一柱面镜及第一光电探测器依次排列于一条直线上；第二透射镜与第一透射镜相互平行且位于同一直线上，第二透射镜面对第二柱面镜，且第二透射镜、第二柱面镜及第二光电探测器依次排列于一条直线上；点光源产生的光束经过准直镜后形成待测的准直光束，该待测准直光束经半反射半透射镜后被分为两部分，其中一部分透过第一透射镜后出射到第一柱面镜，另一部分被第一透射镜反射到第二透射镜上，经第二透射镜反射镜后出射到第二柱面镜上，经两柱面镜后形成两截面上的线性光斑，并通过两光电探测器分别对两个截面上的线性光斑进行检测，检测到的线性光斑通过显示器显示，并通过比较线性光斑的长度，进而实现对准直光束的平行度的检测；由于柱面镜具有只存在单一的轴对称曲率的特性，通过两柱面方向正交的柱面镜对两个截面上的准直光束进行检测，并通过比较检测所得两个方向上的线性光斑的长度，实现对准直光束的平行度的检测，原理简单，易于操作，且装置构造简洁，整体体积小，生产成本低，适用面广，易于推广。

附图说明

图1是现有准直光束检测的原理示意图。

图2是现有准直光束检测所得的干涉条纹示意图。

图3是本发明准直光束检测装置的原理示意图。

图4是本发明准直光束检测装置的准直镜的原理示意图。

图5是本发明准直光束检测装置的柱面镜的原理示意图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。

如图3所示，本发明准直光束检测装置100包括焦距相等的第一柱面镜40a和第二柱面镜40b，第一柱面镜40a的焦距为Fx，第二柱面镜40b的焦距为Fy，因此有Fx＝Fy，第一柱面镜40a和第二柱面镜40b相互平行设置，且两柱面镜40a、40b的柱面方向在同一侧并呈正交的设置，第一柱面镜40a设置为X轴方向柱面镜，第二柱面镜40b设置为Y轴方向柱面镜，第一柱面镜40a和第二柱面镜40b位于一条直线上，且两者的中心距离为S；第一光电探测器50a和第二光电探测器50b分别与第一柱面镜40a和第二柱面镜40b对应安装，且两光电探测器50a、50b分别对应安装于两柱面镜40a、40b的焦点位置处，第一电探测器50a与第一显示器60a对应连接，第二电探测器50b与第二显示器60b对应连接，高分辨率的光电探测器50a、50b用于对线性光斑的长度进行检测，提高检测精度，显示器60a、60b用于对检测到的线性光斑进行显示；准直镜20与第一柱面镜40a对应安装，用于产生待测的准直光束，准直镜20、第一柱面镜40a、第一光电探测器50a依次排列于一条直线上，且准直镜20、第一柱面镜40a的光轴位于一条直线上，即光轴C1；半透射半反射镜30a倾斜的安装于准直镜20与第一柱面镜40a之间，该半透射半反射镜30a位于第一柱面镜40a与准直镜20的光轴所确定的光轴C1上，用于透射并转折准直镜20所产生的待测准直光束；经过准直镜20形成的待测准直光束的直径为d，该半透射半反射镜30a的口径大于待测准直光束的直径d；全反射镜30b与第二柱面镜40b对应安装，且全反射镜30b与半透射半反射镜30a相互平行地安装并位于同一直线上，全反射镜30b、第二柱面镜40b及第二光电探测器60b依次排列于一条直线上，即位于第二柱面镜40b的光轴C2上，全反射镜30b用于接收并转折半透射半反射镜30a反射的光束；全反射镜30b的口径大于待测准直光束的直径d；由于第一柱面镜40a和第二柱面镜40b的中心距为S，半透射半反射镜30a与全反射镜30b之间的光程差也为S；准直镜20的焦点一侧具有点光源10，点光源10发出的光经准直镜20后形成待测的准直光束，待测的准直光束经过半透射半反射镜30a时产生分光作用，待测的准直光束被分开为两部分，一部分透过半透射半反射镜30a后出射到第一柱面镜40a，另一部分被半透射半反射镜30a反射到全反射镜30b，经全反射镜30b反射到第二柱面镜40b；光束经过第一柱面镜40a和第二柱面镜40b后形成两线性光斑，分别用两光电探测器50a、50b对两线性光斑进行检测，再对检测到的两线性光斑的长度进行计算比较，进而判断准直光束的平行度。

结合图4a-4b，对本发明的准直镜20的原理进行说明。如图4a所示，当点光源位于准直镜20的焦点位置D时，光线经准直镜20后出射的光线平行于光轴C3，所有光束的截面面积在任何位置都相等；如图4b所示，当点光源位于准直镜20的焦点位置D外侧，即位于外焦点D1处时，光线经准直镜20后出射的光线向光轴C3会聚，所以其光束截面的面积沿准直光束的出射方向逐渐减小，直至为零；如图4c所示，当点光源位于准直镜20的焦点位置D内侧，即位于内焦点D2处时，光线经准直镜20后出射的光线远离光轴C3发散，所以其光束截面的面积沿准直光束的出射方向逐步增大；由此可知，准直镜20产生准直光束的条件是点光源位于其焦点位置D处。

结合图4a-图5，对本发明两呈正交设置的柱面镜40a、40b的原理进行说明，由于柱面镜为在光学上只存在单向的轴对称曲率的光学镜片，不同于旋转轴对称的球面镜，所以柱面镜产生的光焦度只存在一个方向上，对其他方向没有光焦度，所以对光线没有偏折效果，利用此原理，准直光束A经过X轴方向的第一柱面镜40a时，会形成Y轴方向的线性光斑，该线性光斑的长度为Ly，其在X轴方向没有光焦度，对光线没有偏折聚集效果；准直光束B经过Y轴方向的第二柱面镜40b会形成X轴方向的线性光斑，该线性光斑的长度为Lx，而在Y轴方向没有光焦度，对光线也没有偏折聚集效果；若准直镜20出射的光束没有发散角时，对与XY正交的两个截面上检测到的线性光斑长度相等，即Lx＝Ly；而当点光源位于外焦点D1处时，经准直镜出射的光线向光轴会聚，经过半透射半反射镜30a和全反射镜30b的光路转折后，Y轴方向的第二柱面镜40b形成的线性光斑小于X轴方向的第一柱面镜40a形成的线性光斑，即Lx＜Ly；相应地，当点光源位于内焦点D2处时，经准直镜出射的光线远离光轴发散，因此线性光斑的长度与点光源位于外焦点D1处时相反，即Lx＞Ly；因此通过检测与XY正交的两截面上线性光斑的长度Lx、Ly既可判断准直光束的平行度；根据检测到的正交的两个截面上的线性光斑的长度，进行计算可得到准直光束的发散角，进而检测准直光束的准直度。

结合图3-图5，对本发明准直光束检测装置100的原理进行详细说明。点光源10发出的光束经过准直镜20后形成平行于光轴C1的待测准直光束，该准直光束的直径为d，该待测的准直光束经过半透射半反射镜30a时，半透射半反射镜30a对其产生分光作用，把需要检测的准直光束分开为两部分，一部分透过半透射半反射镜30a后出射到第一柱面镜40a，另一部分经半透射半反射镜30a反射到全反射镜30b，半透射半反射镜30a与全反射镜30b之间的光程差为S，再经全反射镜30b反射后出射到第二柱面镜40b；由于第一柱面镜40a设置于X轴方向上，因此待测准直光束经过第一柱面镜40a后形成Y轴方向的线性光斑，其长度为Ly，通过第一光电探测器50a检测光束通过第一柱面镜40a后形成的线性光斑，并通过第一显示器60a显示；第二柱面镜40b设置于Y轴方向上，因此待测准直光束经过第二柱面镜40b后形成X轴方向的线性光斑，其长度为Lx，通过第二光电探测器50b检测光束经过第二柱面镜40b后形成的线性光斑，并通过第二显示器60b显示；再通过比较两线性光斑的长度Lx、Ly，判断待测准直光束的平行度，若Lx＝Ly，说明准直光束平行于光轴C1，准直镜20出射的准直光束没有发散角，即点光源10位于准直镜20的焦点处；相应地，若Lx＜Ly，说明点光源10位于准直镜20的外焦点D1处；若Lx＞Ly，说明点光源10位于准直镜20的内焦点D2处；因此，通过比较与XY呈现正交的两截面上的线性光斑的长度Lx、Ly，就可判断待测准直光束是否平行与光轴；再根据线性光斑的长度Lx、Ly，准直光束的直径d，光程差S，两柱面镜的焦距Fx、Fy，可计算出被测准直光束的发散角，根据计算出的光束发散角可对点光源进行调整，保证准直光束的平行度和准直度；根据此原理，该装置还可用于检测准直镜20本身的质量，即点光源10精确设置于准直镜20的焦点处，则根据检测到的准直光束的平行度，可判断准直镜20的准直质量。

以上仅对具有两呈正交设置的第一柱面镜40a、第二柱面镜40b的准直光束检测装置100的原理及结构进行了描述，但不限于该实施例，本发明准直光束检测装置100还可根据实际需要，增加多个柱面镜，对准直光束的多个截面的线性光斑进行检测。

本发明准直光束检测装置100的光电探测器50a、50b的原理等均为本领域普通技术人员所熟知，在此不再做详细的说明。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种准直光束检测装置，用于与点光源配合检测准直光束的平行度，其特征在于，包括：

两相互平行设置的柱面镜，两所述柱面镜为第一柱面镜及第二柱面镜，所述第一柱面镜及第二柱面镜的柱面方向呈正交设置；

两光电探测器，两所述光电探测器为第一光电探测器及第二光电探测器，所述第一光电探测器安装于所述第一柱面镜的焦点处，所述第二光电探测器安装于所述第二柱面镜的焦点处；

准直镜，所述准直镜正对所述第一柱面镜；

第一透射镜，所述第一透射镜为透明介质，所述第一透射镜倾斜设置于所述准直镜与所述第一柱面镜之间，所述准直镜、所述第一透射镜、所述第一柱面镜及所述第一光电探测器依次排列于一条直线上；

第二透射镜，所述第二透射镜与所述第一透射镜相互平行且位于同一直线上，所述第二透射镜面对所述第二柱面镜，所述第二透射镜、所述第二柱面镜及所述第二光电探测器依次排列于一条直线上。

2.如权利要求1所述的准直光束检测装置，其特征在于：所述第一透射镜为半反射半透射镜。

3.如权利要求1所述的准直光束检测装置，其特征在于：所述第二透射镜为全反射镜。

4.如权利要求1所述的准直光束检测装置，其特征在于：所述第一透射镜及第二透射镜的口径均大于所述准直镜产生的准直光束的直径。

5.如权利要求1所述的准直光束检测装置，其特征在于：还包括与所述第一光电探测器及第二光电探测器相对应的第一显示器及第二显示器，所述第一显示器与所述第一光电探测器对应安装，所述第二显示器与所述第二光电探测器对应安装。

6.如权利要求1所述的准直光束检测装置，其特征在于：所述点光源、所述准直镜、所述第一透射镜、所述第一柱面镜及所述第一光电探测器依次排列于一条直线上。

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