CN106289380B - 一种新型超薄同轴光源探测系统 - Google Patents

Abstract

一种新型超薄同轴光源探测系统，包括：光源、准直系统、探测器、镜头、待测物体及半透半反镜组，所述半透半反镜组位于探测镜组与待测物体之间，所述半透半反镜组包括第一棱镜和第二棱镜，其中两棱镜相互贴合的表面上镀有半透半反膜，光源发出的平行光束一部分经由镜组的折射与反射折转90°后正入射待测物体，由待测物体反射的携带有物体表面信息的光再次到达半透半反镜组，其中的一部分透射进入上方镜头中，完成对物体表面的测量，本申请可以在保证探测物体尺寸L不缩小的情况下，降低同轴光源平行光管的高度H，从而使得仪器整体体积减小，同时使得待测物体与探测镜头之间的距离减小，使得较短焦距的镜头也可以对待测物体清晰成像和精确测量。

Description

一种新型超薄同轴光源探测系统

技术领域

本发明涉及同轴光源探测领域，尤其是涉及新型超薄同轴光源探测系统。

背景技术

目前，常用的对物体表面进行检测的同轴光源典型光路如图1所示，经准直后的平行准直光束以45°入射半透半反镜，一部分光折转90°后正入射待测物体，由待测物体反射的携带有物体表面信息的光再次到达半透半反镜，其中的一部分透射进入上方的镜头与探测器中，完成对物体表面的测量。该光路结构的主要缺点是平行光束(以及整个平行光管外壳)的高度H与待测物体的尺寸L之间必须满足H≥L，这导致两个突出问题：1、当待测物体尺寸L较大时，会导致平行光管的高度H过高，导致系统的整体体积过大；2、镜头与待测物体距离较远，在使用的探测镜头焦距有限的情况下，会导致物体无法在探测像面上清晰成像，从而影响测量精度。

发明内容

为了能够使探测系统的平行光管的高度小于待测物体的尺寸，本发明采用如下技术方案实现：

一种新型超薄同轴光源探测系统，包括：光源、准直系统、镜头、探测器、待测物体以及半透半反镜组，所述半透半反镜组位于探测器与待测物体之间，其特征在于：所述半透半反镜组包括第一棱镜和第二棱镜，其中两棱镜相互贴合，在贴合表面上镀有半透半反膜，所述光源发出的经准直系统准直的平行准直光束以一角度θ入射该半透半反镜组，一部分光经由镜组的折射与反射折转90°后正入射待测物体，由待测物体反射的携带有物体表面信息的光再次到达半透半反镜组，其中的一部分透射进入上方的镜头中，完成对物体表面的测量；

优选的，所述待测物体尺寸L大于探测系统的平行光管的高度H；

优选的，所述角度θ<45°；

优选的，所述第一棱镜与第二棱镜的形状及材料完全相同；

优选的，所述探测系统的整个光路由参数组(L,θ,n)来表征，其中L为待测物体的尺寸，θ为入射的平行准直光束与第一棱镜第一个入射平面的夹角，n为棱镜材料在探测光波长上的折射率，α,β为第一棱镜的底面三角形的两个内角，H为探测系统的平行光管的高度，X为第一棱镜的第一个入射面的侧边长度，Y为第一棱镜底面另一个边的长度，θ₁为在第一棱镜的表面发生折射的折射角，θ₂为被待测物体反射的反射光在第一棱镜表面再次发生折射的折射角，其中，

H＝Xsinθ+Ysin(β-θ)

优选的，定义评价参数P：

其中，T为探测系统的光强透过率，

对0°到45°内的各个θ值计算P的值，当P值最大时所对应的θ值就是最佳的入射平行准直光束与第一棱镜第一面的夹角，通过已知的L和n以及得到的最佳θ值，计算出α.β,X,Y,H这些参数，即完成了超薄同轴光源探测系统的光路设计；

优选的，平行准直光束在经过整个镜组后相对于待测物体在水平方向上错开距离Δ；

优选的，所述待测物体尺寸L为70cm、光源的波长为546.1nm、棱镜材质为光学玻璃BK7、θ取值为17.4、且探测系统的平行光管的高度H为41.138cm。

本发明针对目前传统观同轴光源平行光管高度必须大于等于待测物体尺寸所导致的探测系统尺寸过大，待测物面距离镜头过远的问题，提出一种基于完全相同的三角柱状棱镜组合和半透半反镀膜的超薄同轴光源，突破物体尺寸对于平行光管高度的限制，在探测物体尺寸不缩小的情况下，减小平行光管高度，从而实现同轴光源探测系统的小型化，以及使用较短焦距镜头时清晰的成像和精确测量。光路使用器件简单易得，成本低廉。

附图说明

图1为传统同轴光源探测系统典型光路图；

图2为本发明新型超薄同轴光源探测系统光路结构图；

图3示出本发明平行光管高度H随入射角度θ的变化情况；

图4示出本发明系统光强总透过率T随入射角度θ的变化情况；

图5示出本发明系统评价参数P随入射角度θ的变化情况；

具体实施方式

一种用于探测平行光正入射待测物体时反射光所携带的物体表面信息的超薄同轴光源光路，其侧视图如图2所示，整个探测系统包括：光源，准直系统，半透半反镜组，待测物体，镜头，探测器。其中的核心部件为半透半反镜组，由形状、材料完全相同的两个棱镜1、2组成，其中棱镜1在与棱镜2相贴合的表面上镀有半透半反膜。整个光路由参数组(L,θ,n)来表征，各个参数的含义在图2中标示处，其中L为待测物体的尺寸，θ为入射平行光与棱镜1第一个入射平面的夹角，n为棱镜材料在探测光波长上的折射率，α,β为棱镜的底面三角形的两个内角，H为超薄同轴光源的平行光管的高度，Δ为探测光在经过整个半透半反镜组后相对于待测物体在水平方向上错开的距离，X为棱镜1的第一个入射面的侧边长度，Y为棱镜1底面另一个边的长度。

在测量过程中，由单色光源发出的平行光以与棱镜1表面夹角θ入射棱镜1(θ<45°)，在棱镜1表面发生折射(折射角θ₁)后，在两棱镜相贴的面所镀的半透半反膜上发生反射，反射光在棱镜1表面再次发生折射(折射角θ₂)，折射后的光相对于从光源出射的光转过90°，正入射到待测物体表面，然后发生反射，此时的反射光携带有待测物体表面的信息；之后一部分反射光依次通过棱镜1、半透半反膜、棱镜2后透射射出来，透射光与之前携带待测表面信息的反射光方向完全相同，但有一个很小的横向位移Δ，最终正入射到达探测器，产生测量信号，获得待测物体表面信息。我们在设计半透半反镜组时需要在给定待测物体尺寸L的情况下确定探测图2中其他参数的最优取值，从而得到兼顾高度H和系统通光量的最优解。

当待测物体的尺寸L，以及探测波长和相应波长下所选取的棱镜材质的折射率n确定时，首先可以给定一个θ值(θ<45°)，此时相应的棱镜内角α,β可以由下两式确定：

此时，棱镜1、2的底面形状完全确定。探测光在棱镜1第一个表面上第一次和第二次折射的折射角分别为：

此时可以计算得到棱镜1入射面的侧边尺寸X为：

另一边尺寸Y为：

此时，棱镜1、2底面的各边尺寸也完全确定。此时超薄同轴光源的平行光管高度H为：

H＝Xsinθ+Ysin(β-θ)

入射光与棱镜1第一面的夹角θ越小，最终得到的H值也越小，同轴光源越“薄”，仪器尺寸越小。但是θ不能无限制地减小，因为根据菲涅尔公式，θ越小，在棱镜1第一面上发生折射的光强就越小，最终通过系统后携带物体信息的光强度就越小，从而系统的探测信噪比就会降低。系统的光强透过率T与θ之间的关系如下式(假设探测光无偏振)：

对于一个超薄同轴光源系统来说，平行光管的高度H越小越好，光强通过率T越高越好，因此可以定义一个评价参数P：

对0到45°内的各个θ值计算P的值，则P值最大时所对应的θ值就是最佳的入射平行光束与棱镜1第一面的夹角。通过已知的L和n以及得到的最佳θ值，计算出α.β,X,Y,H,Δ等参数，即完成了超薄同轴光源的光路设计。以上所述的仅是本发明的优选的实施方式。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的情况下，还可以作出若干改进和变型，这也视为本发明的保护范围。

实施例：

取参数组(L,θ,n)中的待测物体尺寸L为70cm，假设探测波长为546.1nm，使用的棱镜材质为常见的光学玻璃BK7，在546.1nm波长下BK7的折射率n为1.51872，利用MATLAB数值仿真软件和上文中的公式，以0.1°为间隔计算θ从0到45°变化时平行光管高度H，总透过率T，评价参数P和水平偏移Δ的变化情况，分别如图3,4,5所示。

图3中的横坐标代表入射角度θ(单位为°)，纵坐标代表H与待测物体尺寸L的比值。从图3中可以看出，入射角度θ越大，平行光管高度H也越高。从这个角度来看θ应尽可能的取较小的值。

图4中横坐标代表入射角度θ(单位为°)，纵坐标代表系统光强总透过率T。从图4中可以看出如果θ过小，将导致系统光强总透过率T过小，影响探测的光强信噪比。因此θ的取值需要在T和H之间进行折衷。由于T的值越大越好，H的值越小越好，因此定义评价参数P＝T/H，当P值取最大时，得到的θ值为最佳值。

图5中横坐标代表入射角度代表入射角度θ(单位为°)，纵坐标代表评价参数P。可以看出当θ取17.4°时(精度为0.1°，P值最大，因此17.4°就是最佳θ取值。将θ＝17.4°代入上文中的公式，可以计算出光路中各个参数为：

H＝41.138cm

X＝92.448cm

Y＝24.334cm

Δ＝2.033cm

α＝13.785°

β＝51.074°

其中H＝41.138cm<L＝70cm，突破了传统同轴光源中H≥L的限制，同时水平偏移Δ＝2.033cm相对于物体尺寸很小，可以认为在工业上对系统整体无影响。

Claims (5)

1.一种新型超薄同轴光源探测系统，包括：光源、准直系统、镜头、探测器、待测物体以及半透半反镜组，所述半透半反镜组位于探测器与待测物体之间，其特征在于：所述半透半反镜组包括第一棱镜和第二棱镜，其中两棱镜相互贴合，在贴合表面上镀有半透半反膜，所述光源发出的经准直系统准直的平行准直光束以一角度θ入射该半透半反镜组，其中角度θ<45°，一部分光经由镜组的折射与反射折转90°后正入射待测物体，由待测物体反射的携带有物体表面信息的光再次到达半透半反镜组，其中的一部分透射进入上方的镜头中，完成对物体表面的测量；

所述探测系统的整个光路由参数组(L,θ,n)表征，其中L为待测物体的尺寸，θ为入射的平行准直光束与第一棱镜第一个入射平面的夹角，n为棱镜材料在探测光波长上的折射率，α,β为第一棱镜的底面三角形的两个内角，H为探测系统的平行光管的高度，X为第一棱镜的第一个入射面的侧边长度，Y为第一棱镜底面另一个边的长度，θ₁为在第一棱镜的表面发生折射的折射角，θ₂为被待测物体反射的反射光在第一棱镜表面再次发生折射的折射角，其中，

H＝Xsinθ+Ysin(β-θ)

评价参数P：

其中，T为探测系统的光强透过率，

当P值最大时所对应的θ值，设定为最佳的入射平行准直光束与第一棱镜第一面的夹角，通过已知的L和n以及得到的最佳θ值，计算出α,β,X,Y,H。

2.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于：所述待测物体尺寸L大于探测系统的平行光管的高度H。

3.如权利要求2所述的探测系统，其特征在于：所述第一棱镜与第二棱镜的形状及材料完全相同。

4.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于：平行准直光束在经过整个镜组后相对于待测物体在水平方向上错开距离Δ。

5.如权利要求1所述的探测系统，其特征在于：所述待测物体尺寸L为70cm、光源的波长为546.1nm、棱镜材质为光学玻璃BK7、θ取值为17.4、且探测系统的平行光管的高度H为41.138cm。