CN107991062B - 基于光纤耦合的光斑检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤耦合的光斑检测方法和系统，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、光纤以及光电探测器；所述光源用于发出输入光束，扫描装置、光纤、光电探测器沿光路方向依次设置；所述扫描装置用于驱使光纤对光斑进行连续扫描，所述光纤用于接收传输的光能量，所述光电探测器用于记录耦合能量值，光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。本发明不仅可以用于检测不同的光学系统，不论光斑的大小、发散和会聚程度，也可以直接用于检测光源，具有结构精巧、使用方便、应用范围广等特点。

Description

基于光纤耦合的光斑检测方法和系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于光纤耦合的光斑检测系统及方法。

背景技术

随着激光、LED等光源技术的发展，光斑检测成为了光学检测的重要一环。在工业界应用最广泛的光斑检测方法是狭缝法，这种方法具有速度快和精度高等特点，但是这种方法一般只适用于高斯光束，对于光强变化剧烈的光斑(如光学系统的点扩散函数)则不适用。同时，狭缝法引入的斩波元件和扫描装置也限制了它的应用范围。

目前，实验室检测光学系统点扩散函数，大多数是通过显微镜来进行辅助测量。由于显微镜自身存在像差，将给光斑检测过程中带来额外的误差，导致测量数据不精准。此外，显微镜体积大，占用空间较多，在很多场合不适合使用，应用范围有限。

发明内容

为此，需要提供一种基于光纤耦合的光斑检测的技术方案，用以解决目前的检测方法对于光强变化剧烈的光斑进行检测时，存在的误差大、应用范围有限等问题。

为实现上述目的，发明人提供了一种基于光纤耦合的光斑检测系统，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、光纤以及光电探测器；所述光源用于发出输入光束，扫描装置、光纤、光电探测器沿光路方向依次设置；所述扫描装置用于对光斑进行连续扫描，所述光纤用于接收传输的光能量，所述光电探测器用于记录耦合能量值，光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。

进一步地，所述系统还包括待检光学系统，所述待检光学系统设置于光路上，所述扫描装置设置于待检光学系统之前或之后，所述光纤设置于待检光学系统之后；

所述待检光学系统用于将光束经过第一变换后并输出到光纤端面。

进一步地，所述第一变换包括扩束、准直、会聚中的一种或多种。

进一步地，所述输入光束根据待检光学系统确定。

发明人还提供了一种基于光纤耦合的光斑检测方法，所述方法应用于基于光纤耦合的光斑检测系统，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、光纤以及光电探测器；所述光源、扫描装置、光纤、光电探测器沿光路方向依次设置；所述方法包括以下步骤：

光源发出输入光束，扫描装置对光斑进行连续扫描，光纤接收传输的光能量；

光电探测器记录耦合能量值，光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。

进一步地，所述系统还包括待检光学系统，所述待检光学系统设置于光路上，所述扫描装置设置于待检光学系统之前或之后，所述光纤设置于待检光学系统之后；所述方法还包括步骤：

待检光学系统将光束经过第一变换后并输出到光纤端面。

进一步地，所述第一变换包括扩束、准直、会聚中的一种或多种。

进一步地，所述输入光束根据待检光学系统确定。

发明人还提供了一种基于光纤耦合的光斑检测系统所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、待检光学系统、反射镜以及光电探测器；所述光源、反射镜、待检光学系统、光电探测器沿光路依次设置；所述光电探测器上设置有光束限制元件；

所述光源用于发出输入光束，所述反射镜用于将光束反射至待检光学系统，所述待检光学系统用于将光束经过第一变换后并输出到光电探测器；

所述扫描装置设置于光电探测器位置，用于驱使光电探测器移动，以使得光束限制元件对光斑进行连续扫描，所述光束限制元件用于限制耦合的光能量；

所述光电探测器用于记录耦合能量值，光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。

进一步地，所述光束限制元件包括圆形孔径。

上述技术方案的基于光纤耦合的光斑检测系统及方法，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、光纤以及光电探测器；所述光源用于发出输入光束，扫描装置、光纤、光电探测器沿光路方向依次设置；所述扫描装置用于对光斑进行连续扫描，所述光纤用于接收传输的光能量，所述光电探测器用于记录耦合能量值，光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。本发明利用光纤对光斑进行扫描，获取光斑的能量分布，与现有技术相比，具备以下特点：

1)本发明可以不使用成像方法检测光学系统的点扩散函数，免去了检测系统对于成像器件的依赖，适用于成像和非成像检测领域；

2)本发明与狭缝法等现有技术相比，计算光斑所采用的反卷积算法可以获得更高的精度，并且检测精度不受光纤芯径的限制；

3)本发明的检测方法不需要对光学系统进行更改，检测设备体积小重量轻，使用范围更加广泛；

4)本发明适用于任何波段，可以拓展到紫外、红外、毫米波、X射线等领域，可以大大降低检测系统的成本。

附图说明

图1为本发明一实施例涉及的光斑检测系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例涉及的光斑的能量分布和光纤耦合能量计算示意图；

图3本发明一实施例涉及的为光纤扫描范围和方向的示意图；

图4为本发明另一实施例涉及的光斑检测系统的结构示意图；

图5为本发明另一实施例涉及的光斑检测系统的结构示意图。

附图标记说明：

图1中：1、光源；2、扫描装置；3、待检光学系统；4、光纤；5、光电探测器；

图2中：6、光斑；7、光纤轮廓；

图3中：6、光斑；7、光纤轮廓；

图4中：1、光源；2、扫描装置；4、光纤；5、光电探测器；

图5中：1、光源；8、反射镜；9、待检光学系统；10、光电探测器；11、扫描装置。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图4，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源1、扫描装置2、光纤4以及光电探测器5；所述光源1用于发出输入光束，扫描装置2、光纤4、光电探测器5沿光路方向依次设置；所述扫描装置2用于对光斑进行连续扫描，所述光纤4用于接收传输的光能量，所述光电探测器5用于记录耦合能量值；光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。优选的，所述输入光束根据待检光学系统确定，输入光束可以是平行光，也可以是发散的球面波。通过上述方案可以实现对光源光斑的检测。

请参阅图2，为本发明一实施例涉及的光斑的能量分布和光纤耦合能量计算示意图。假设光斑能量旋转对称，并且其光斑半径为r。可沿半径方向将其等分为n份，等分的间距为p，则有公式：n*p＝r。p要足够小(小于预设阈值)，保证采样足够密，以便获得较高的径向光强分辨率。每份内部能量可以近似看作相等，设为I₁、I₂、……I_n，令其组合为数组I(n)。

使用多模光纤接收光斑的能量，耦合的能量等于光纤截面与光斑重合面积S包含的能量。由于光斑已经分解为n个圆环，重合面积S可以分解为光纤与圆环的重合面积S₁、S₂、……S_n。光斑与每个圆环的重叠面积可以按照图3进行计算。假设圆环的半径OB为r_i，光纤的半径AB为R，光纤和光斑的圆心距离OA为d，则解△OAB即可求出角∠BOA＝α。计算圆环面积入下：

S_i＝2*α*ρ*r_i

则光纤耦合的能量为：

假设T(i)＝[S₁S₂…S_n]，则上式用矩阵表示为：

E＝T(i)*I(n)

请参阅图3，为本发明一实施例涉及的为光纤扫描范围和方向的示意图。利用快反镜摆动，使光斑在光纤上移动。光纤在扫描时沿着通过光斑中心的直线x轴方向进行扫描，获取光斑的一条耦合效率曲线。如图3所示，当光纤从光斑的左侧移动到右侧时，它扫描的范围为L＝(2R+2r)。假设总共扫描的点数为N，测量获得的耦合效率曲线为E(N)。扫描完毕，可以得出扫描矩阵T(N)，满足以下公式：

E(N)＝T(N)*I(n)

上式为一过定方程，可以用最小二乘法求出方程的解：

I(n)＝E(N)/T(N)

由此，可以得出光斑的二维能量分布。

在上述过程中，是假设光斑是旋转对称的情况。若光斑不是旋转对称的，则可以沿多个方向进行扫描，并通过反卷积算法计算光斑的二维或三维能量分布。

如图1所示，所述系统还包括待检光学系统3，所述待检光学系统3设置于光路上，所述扫描装置2设置于待检光学系统3之前或之后，所述光纤4设置于待检光学系统之后。所述待检光学系统3用于将光束经过第一变换后并输出到光纤端面。优选的，所述第一变换包括扩束、准直、会聚中的一种或多种。通过上述方案可以实现对待检光学系统的装调状态(如偏心、离焦等)进行检测。

发明人还提供了一种基于光纤耦合的光斑检测方法，所述方法应用于基于光纤耦合的光斑检测系统，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、光纤以及光电探测器；所述光源、扫描装置、光纤、光电探测器沿光路方向依次设置；所述方法包括以下步骤：

光源发出输入光束，扫描装置对光斑进行连续扫描，光纤接收传输的光能量；

光电探测器记录耦合能量值；光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。

如图5所示，为本发明另一实施例涉及的光斑检测系统的结构示意图。所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源1、扫描装置11、待检光学系统9、反射镜8以及光电探测器10；所述光源1、反射镜8、待检光学系统9、光电探测器10沿光路依次设置；所述光电探测器10上设置有光束限制元件；

所述光源1用于发出输入光束，所述反射镜8用于将光束反射至待检光学系统9，所述待检光学系统9用于将光束经过第一变换后并输出到光电探测器10；所述扫描装置11设置于光电探测器10位置，用于驱使光电探测器10移动，以使得光束限制元件对光斑进行连续扫描，所述光束限制元件用于限制耦合的光能量；所述光电探测器10用于记录耦合能量值；光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。在这一实施例中，待检光学系统9是一个缩束系统，光纤用一个针孔代替，而扫描装置11则直接控制探测器的运动，从而增加了本发明的应用场景。在本实施例中，所述光束限制元件包括圆形孔径；在另一些实施例中，光束限制元件还可以是其它形状(如方形)的具有一定尺寸的元件。同时，扫描装置的类型和位置也不限于图中所示。

本发明不仅可以用于检测不同的光学系统，不论光斑的大小、发散和会聚程度，也可以直接用于检测光源，具有结构精巧、使用方便、应用范围广等特点。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光纤耦合的光斑检测系统，其特征在于，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、光纤以及光电探测器；所述光源用于发出输入光束，扫描装置、光纤、光电探测器沿光路方向依次设置；所述扫描装置用于驱使光纤对光斑进行连续扫描，所述光纤用于接收传输的光能量，耦合的能量等于光纤截面与光斑重合面积S包含的能量，所述光电探测器用于记录耦合能量值，光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。

2.如权利要求1所述的基于光纤耦合的光斑检测系统，其特征在于，所述系统还包括待检光学系统，所述待检光学系统设置于光路上，所述扫描装置设置于待检光学系统之前或之后，所述光纤设置于待检光学系统之后；

所述待检光学系统用于将光束经过第一变换后并输出到光纤端面。

3.如权利要求2所述的基于光纤耦合的光斑检测系统，其特征在于，所述第一变换包括扩束、准直、会聚中的一种或多种。

4.如权利要求1所述的基于光纤耦合的光斑检测系统，其特征在于，所述输入光束根据待检光学系统确定。

5.一种基于光纤耦合的光斑检测方法，其特征在于，所述方法应用于基于光纤耦合的光斑检测系统，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、光纤以及光电探测器；所述光源、扫描装置、光纤、光电探测器沿光路方向依次设置；所述方法包括以下步骤：

光源发出输入光束，扫描装置驱使光纤对光斑进行连续扫描，光纤接收传输的光能量；

光电探测器记录耦合能量值；光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到；

卷积积分的计算过程为：

S1：将所述光斑沿半径方向将其n等分，等分的间距为p，p足够小，每份内部能量近似相等，设为I₁、I₂、……I_n，令其组合为数组I(n)，

S2：光纤接收光斑的能量，耦合的能量等于光纤截面与光斑重合面积S包含的能量，重合面积S可以分解为光纤与圆环的重合面积S₁、S₂、……S_n，

则光纤耦合的能量为：

令T(i)＝[S₁ S₂ … S_n]，则上式用矩阵表示为：

E＝T(i)*I(n)。

6.如权利要求5所述的基于光纤耦合的光斑检测方法，其特征在于，所述系统还包括待检光学系统，所述待检光学系统设置于光路上，所述扫描装置设置于待检光学系统之前或之后，所述光纤设置于待检光学系统之后；所述方法还包括步骤：

待检光学系统将光束经过第一变换后并输出到光纤端面。

7.如权利要求6所述的基于光纤耦合的光斑检测方法，其特征在于，所述第一变换包括扩束、准直、会聚中的一种或多种。

8.如权利要求5所述的基于光纤耦合的光斑检测方法，其特征在于，所述输入光束根据待检光学系统确定。

9.一种基于光纤耦合的光斑检测系统，其特征在于，所述光斑检测系统通过扫描的方式检测光斑的形状，包括光源、扫描装置、待检光学系统、反射镜以及光电探测器；所述光源、反射镜、待检光学系统、光电探测器沿光路依次设置；所述光电探测器上设置有光束限制元件；

所述光源用于发出输入光束，所述反射镜用于将光束反射至待检光学系统，所述待检光学系统用于将光束经过第一变换后并输出到光电探测器；

所述扫描装置设置于光电探测器位置，用于驱使光电探测器移动，以使得光束限制元件对光斑进行连续扫描，所述光束限制元件用于限制耦合的光能量；

所述光电探测器用于记录耦合能量值；光斑的形状和能量分布由耦合能量值进行反卷积运算得到。

10.如权利要求9所述的基于光纤耦合的光斑检测系统，其特征在于，所述光束限制元件包括圆形孔径。

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