CN102183359A - 对光束的准直性进行检测的方法和装置 - Google Patents

对光束的准直性进行检测的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种对光束的准直性进行检测的方法和装置，该方法包括：将激光器出射的光束滤波后，经过准直透镜进行准直调整后，入射到斜方棱镜上并在其中发生至少一次全反射，然后出射光束被光电探测器接收，信号送入到探测器的驱动和显示单元中，经分析后显示待测光束的归一化剖面光强分布曲线，据此可以判断光束是否准直，并且确定非准直光束是汇聚还是发散。用于实现上述方法的装置包括：激光器、单模光纤、准直透镜、斜方棱镜、光电探测器、探测器驱动与显示单元。本发明利用了发生全反射时反射率对角度敏感的原理，提高系统的灵敏度；结构简单，易于调整，制造成本低；检测方法简单，方便易操作。

Description

对光束的准直性进行检测的方法和装置
技术领域
本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种对光束的准直性进行检测的方法和装置。
背景技术
如今，激光由于其单色性好、亮度高、发散角小、相干性好而被广泛应用于激光测距、激光焊接、激光切割、激光手术等各方面领域。然而，激光为具有一定发散角的点光源。尤其地，为了使用方便，通常采用带尾纤的激光器，或者为了进行滤波，输出的激光通常经过带小孔的空间波滤波器。在光电检测技术领域，比如，基准面的检测，机床的控制等，对激光准直性的检测就显得极其重要。传统基于光学干涉的原理对光束的准直性进行检测的方法光电处理方法复杂，调制难度高，实用性差。为了简化结构，在申请号为200910209490.5的中国专利申请中，廖汉忠等人提出了利用柱面透镜单方向轴对称曲率的特性，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。然而由于利用了两个柱面透镜，两个光电探测器，并且光电探测器要位于柱面镜的焦面位置，调整麻烦，调整精度不高。
发明内容
本发明提供了一种对光束的准直性进行检测的方法和装置，基于全反射的原理，调整简单且成本低。
一种对光束的准直性进行检测的方法，包括以下步骤：
(1)激光器出射的光束，经过单模光纤滤波滤去高阶模式；
(2)滤波后的光束经过准直透镜进行准直调整后，成为待测光束；
(3)将所述的待测光束入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内发生至少一次全反射；
(4)在斜方棱镜内发生全反射后的光束出射后，被光电探测器接收， 将光强信号转化为电信号，送入到探测器的驱动和显示单元中，探测器的驱动和显示单元对收集到的电信号进行分析，显示待测光束的归一化剖面光强分布曲线。
另一种可选的技术方案中，在所述的步骤(3)中，先将所述的待测光束经过孔阑后成为环形光束，再将所述的环形光束入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内发生至少一次全反射。
其中，所述的步骤(1)中，所述的激光器出射的光束为波长在380～780nm范围内的可见光。
其中，所述的步骤(2)中，所述的准直透镜可以为正透镜，也可以为正透镜组。
其中，所述的步骤(3)中，所述的斜方棱镜的入射面的尺寸大于所述准直透镜产生的待测光束的直径。
其中，所述的步骤(4)中所述的光电探测器可以为电荷耦合器件(CCD)，也可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列探测器。
本发明还提供了一种对光束的准直性进行检测的装置，用于上述的检测方法中，包括：第一部件组、第二部件组、第三部件组和第四部件组，其中，
所述的第一部件组，由激光器和单模光纤依次构成，用于发射出激光，并对其进行滤波处理滤去高阶模式；
所述的第二部件组，为准直透镜，用于对由单模光纤出射的激光束进行准直调整，得到待测光束；
所述的第三部件组，为斜方棱镜，使得从准直透镜出射的待测光束在其中发生至少一次全反射；
所述的第四部件组，依次包括：光电探测器以及探测器的驱动和显示单元，所述的光电探测器用于接收在斜方棱镜内发生至少一次全反射后出射的光束，并将光强信号转化为电信号；所述的探测器驱动和显示单元用于接收所述的电信号和进行处理，并显示待测光束的归一化剖面光强分布曲线；
所述的各部件组的相对位置为：
所述的第一部件组、第二部件组和第三部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，并且第一部件组和第三部件组均位于第二部件组的光轴上。第四部件组位于第三部件组出射光路上。
另一种可选的技术方案中，所述的第三部件组为孔阑和斜方棱镜，使得从准直透镜出射的待测光束变成环形光束，入射到斜方棱镜上并在其中发生至少一次全反射。
其中，所述的准直透镜可以为正透镜，也可以为正透镜组。
其中，所述的斜方棱镜的入射面的尺寸大于所述准直透镜产生的待测光束的直径，使得待测光束通过斜方棱镜时全部光束均能进入发生全反射，提高测量质量和精度。
其中，所述的光电探测器可以是电荷耦合器件(CCD)，也可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)阵列探测器。
本发明的方法和装置的基本原理如下：
当单模光纤出射的光束位于准直透镜的一倍焦距时，经准直透镜出射的光线均平行于准直透镜的光轴，此时，待测光束为准直光束，直接入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，应呈高斯分布；如待测光束先经过光阑，再入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，中心为暗斑且两侧最高光强相等。
当单模光纤出射的光束位于准直透镜的一倍焦距以外时，经准直透镜出射的光线，沿光轴汇聚，此时，待测光束为汇聚光束，直接入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，最高光强向左偏移；如待测光束先经过光阑，再入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，中心为暗斑且左侧最高光强大于右侧最高光强。
当单模光纤出射的光束位于准直透镜的一倍焦距以内时，经准直透镜出射的光线，沿光轴发散，此时，待测光束为发散光束，直接入射到斜方 棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，最高光强向右偏移；如待测光束先经过光阑，再入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内至少发生一次全反射后，出射光束被光电探测器接收，这时探测器的驱动和显示单元显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，中心为暗斑且左侧最高光强小于右侧最高光强。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)利用了发生全反射时反射率对角度敏感的原理，提高系统的灵敏度；
(2)结构简单，易于调整，制造成本低；
(3)对光束准直性的检测，原理简单，通过判断归一化剖面光强分布曲线最高光强的位置，既可以判断光束是否准直，还可以确定是汇聚还是发散。
附图说明
图1为本发明对光束的准直性进行检测的装置的第一种实施例的原理示意图。
图2为采用图1的装置时待测光束准直、汇聚和发散时归一化剖面光强分布曲线。
图3待测光束为S偏振光(垂直偏振光)和P偏振光(平行偏振光)在不同入射角度时的归一化反射率曲线。
图4为入射光在斜方棱镜内部发生两次反射时的光线示意图。
图5为本发明对光束的准直性进行检测的装置的第二种实施例的原理示意图。
图6为采用图5的装置时待测光束准直、汇聚和发散时归一化剖面光强分布曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1：
如图1所示，一种对光束的准直性进行检测的装置，包括：激光器1、 单模光纤2、准直透镜3、斜方棱镜4、光电探测器5、探测器驱动与显示单元6。
激光器1、单模光纤2构成第一部件组，准直透镜3为第二部件组，斜方棱镜4为第三部件组，光电探测器5和探测器驱动与显示单元6为第四组件组。第一部件组、第二部件组和第三部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，并且第一部件组和第三部件组均位于第二部件组的光轴上。第四部件组位于第三部件组出射光路上。
激光器1发出的激光经过单模光纤2滤去高阶模式，再经过准直透镜3进行准直调整后，得到待测光束。待测光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4内部发生至少一次全反射，最后出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，同时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线。
具体原理如下：
当单模光纤2出射的光束位于准直透镜3的一倍焦距处，经准直透镜后的光线均平行于准直透镜的光轴，所有光束的截面面积在任何位置都相等。该光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4的内部发生至少一次全反射，出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，此时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线，呈高斯分布，如图2中曲线(a)所示。
当单模光纤2出射的光束位于准直透镜3的一倍焦距以外处，经准直透镜后的光线，沿光轴汇聚。该光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4的内部发生至少一次全反射，出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，此时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线中最高光强向左偏移，如图2中曲线(b)所示。
当单模光纤2出射的光束位于准直透镜3的一倍焦距以内处，经准直透镜后的光线，沿光轴发散。该光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4的内部发生至少一次全反射，出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，此时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线中最高光强向右偏移，如图2中曲线(c)所示。
单模光纤2出射后的光束经过准直透镜3后，得到的待测光束入射到 斜方棱镜4上发生反射时，反射率随入射角度的变化如图3所示，在发生全反射的临界角(41.8°)附近反射率有急剧变化。
因此，先调整斜方棱镜4的位置，使得待测光束的入射角在临界角(41.8°)附近，让其反射光不是100％的反射，此时有部分透射光。这样当单模光纤2出射的光束偏离准直透镜3的一倍焦距位置处，经准直透镜3出射后的光束变成发散或者汇聚光束，入射到斜方棱镜4上发生全反射时造成中心光线两侧的反射率不一样。这样当光电探测器接收到光束后，根据探测器的驱动和显示单元中显示的光束的归一化剖面光强分布曲线中最高光强的位置的情况，可以判断经过准直透镜后的待测光束是准直，还是汇聚或者发散。
图4给出了在斜方棱镜4内发生两次全反射时的光线示意图，入射光线8在界面A发生一次全反射，接着在界面B发生第二次全反射，如果斜方棱镜4长度增加，可使全反射次数增加。
实施例2：
如图5所示，一种对光束的准直性进行检测的装置，包括：激光器1、单模光纤2、准直透镜3、孔阑7、斜方棱镜4、光电探测器5、探测器驱动与显示单元6。
激光器1、单模光纤2构成第一部件组，准直透镜3为第二部件组，孔阑7和斜方棱镜4为第三部件组，光电探测器5和探测器驱动与显示单元6为第四组件组。第一部件组、第二部件组和第三部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，并且第一部件组和第三部件组均位于第二部件组的光轴上。第四部件组位于第三部件组出射光路上。
激光器1发出的激光经过单模光纤2滤去高阶模式，再经过准直透镜3得到待测光束。待测光束经过孔阑7后成为环形光束，该环形光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4内部发生至少一次全反射，最后出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，同时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线。
具体原理如下：
当单模光纤2出射的光束位于准直透镜3的一倍焦距处，经准直透镜后的光线均平行于准直透镜的光轴，经过孔阑7后成为环形光束。该环形 光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4的内部发生至少一次全反射，出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，此时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线中，中心为暗斑且两侧最高光强相等，如图6中曲线(a)所示。
当单模光纤2出射的光束位于准直透镜3的一倍焦距处，经准直透镜后的光线，沿光轴汇聚，经过孔阑7后成为环形光束。该环形光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4的内部发生至少一次全反射，出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，此时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线中，中心为暗斑且左侧最高光强大于右侧最高光强，如图6中曲线(b)所示。
当单模光纤2出射的光束位于准直透镜3的一倍焦距处，经准直透镜后的光线，沿光轴发散，经过孔阑7后成为环形光束。该环形光束入射到斜方棱镜4上，在斜方棱镜4的内部发生至少一次全反射，出射光束被光电探测器5接收，光强信号转化为电信号，此时探测器的驱动与显示单元6显示收集到的光束的归一化剖面光强分布曲线中，中心为暗斑且左侧最高光强小于右侧最高光强，如图6中曲线(c)所示。
因此，当光电探测器接收到光束后，根据探测器的驱动和显示单元中显示的光束的归一化剖面光强分布曲线中左右两侧的光强分布的情况，可以判断经过准直透镜后的待测光束是准直，还是汇聚或者发散。

Claims (10)

1.一种对光束的准直性进行检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)激光器出射的光束，经过单模光纤滤波滤去高阶模式；
(2)滤波后的光束经过准直透镜进行准直调整后，成为待测光束；
(3)将所述的待测光束入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内发生至少一次全反射；
(4)在斜方棱镜内发生全反射后的光束出射后，被光电探测器接收，将光强信号转化为电信号，送入到探测器的驱动和显示单元中，探测器的驱动和显示单元对收集到的电信号进行分析，显示待测光束的归一化剖面光强分布曲线。
2.如权利要求1所述的对光束的准直性进行检测的方法，其特征在于，在所述的步骤(3)中，先将所述的待测光束经过孔阑后成为环形光束，再将所述的环形光束入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内发生至少一次全反射。
3.如权利要求1或2所述的对光束的准直性进行检测的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，所述的激光器出射的光束为波长在380～780nm范围内的可见光。
4.如权利要求1或2所述的对光束的准直性进行检测的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中所述的斜方棱镜的入射面的尺寸大于所述准直透镜产生的待测光束的直径。
5.如权利要求1或2所述的对光束的准直性进行检测的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中，所述的光电探测器为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体阵列探测器。
6.用于如权利要求1所述的对光束的准直性进行检测的方法的装置，包括：第一部件组、第二部件组、第三部件组和第四部件组，其中，
所述的第一部件组，由激光器和单模光纤依次构成，用于发射出激光，并对其进行滤波处理滤去高阶模式；
所述的第二部件组，为准直透镜，用于对由单模光纤出射的激光束进行准直调整，得到待测光束；
所述的第三部件组，为斜方棱镜，使得从准直透镜出射的待测光束在其中发生至少一次全反射；
所述的第四部件组，依次包括：光电探测器以及探测器的驱动和显示单元，所述的光电探测器用于接收在斜方棱镜内发生至少一次全反射后出射的光束，并将光强信号转化为电信号；所述的探测器驱动和显示单元用于接收所述的电信号和进行处理，并显示待测光束的归一化剖面光强分布曲线；
所述的各部件组的相对位置为：
所述的第一部件组、第二部件组和第三部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，并且第一部件组和第三部件组均位于第二部件组的光轴上。第四部件组位于第三部件组出射光路上。
7.用于如权利要求2所述的对光束的准直性进行检测的方法的装置，包括：第一部件组、第二部件组、第三部件组和第四部件组，其中，
所述的第一部件组，由激光器和单模光纤依次构成，用于发射出激光，并对其进行滤波处理滤去高阶模式；
所述的第二部件组，为准直透镜，用于对由单模光纤出射的激光束进行准直调整，得到待测光束；
所述的第三部件组，为孔阑和斜方棱镜，使得从准直透镜出射的待测光束变成环形光束，入射到斜方棱镜上并在其中发生至少一次全反射；
所述的第四部件组，依次包括：光电探测器以及探测器的驱动和显示单元，所述的光电探测器用于接收在斜方棱镜内发生至少一次全反射后出射的光束，并将光强信号转化为电信号；所述的探测器驱动和显示单元用于接收所述的电信号和进行处理，并显示待测光束的归一化剖面光强分布曲线；
所述的各部件组的相对位置为：
所述的第一部件组、第二部件组和第三部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，并且第一部件组和第三部件组均位于第二部件组的光轴上。第四部件组位于第三部件组出射光路上。
8.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述的准直透镜可以为正透镜，也可以为正透镜组。
9.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，所述的斜方棱镜的入射面的尺寸大于所述准直透镜产生的待测光束的直径。
10.如权利要求6或7所述的装置，其特征在于，其中，所述的光电探测器为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体阵列探测器。
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