CN109683328A - 一种可自动检焦的激光扩束系统以及其检焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可自动检焦的激光扩束系统以及检焦方法，所述可自动检焦的激光扩束系统包括检测光源、分光装置、参考光源、激光扩束装置、带孔遮光板和成像装置；检测光源与参考光源发出的平行光通过分光装置后共光路，经激光扩束装置，由于激光扩束装置的出射面为自准直面，所述自准直面上镀有分光膜，分光膜透射参考光、反射检测光，被反射的检测光，经带孔遮光板，成像于成像装置，根据孔的成像情况分析激光扩束系统的准直性，该方案解决了在激光扩束系统使用过程中出射光的准直性判断困难的问题，实现了实时监测激光扩束系统出射光的准直性，同时还可以在激光扩束系统的出射光被要求需要在某一定点处汇聚时，此光路仍可实时标定其目标的准确性。

Description

一种可自动检焦的激光扩束系统以及其检焦方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种可自动检焦的激光扩束系统以及其检焦方法。

背景技术

激光扩束系统在工业、医疗、军事等方面具有广泛的应用，目前对激光扩束系统出射光的准直性要求越来越高，也有些扩束系统并非需要出射准直光，可根据需要汇聚或发散。

现有的激光扩束系统均为只能实现扩束功能的系统，但在激光扩束系统使用过程中，如何能够对其出射光的准直性或对所述激光扩束系统的特定目标标定的情况进行判断并实时检测、同时能检测出离焦方向和离焦量是一个技术难题。

发明内容

本发明提供一种可自动检焦的激光扩束系统以及其检焦方法，解决现有技术对激光扩束系统中出射光的准直性或对所述激光扩束系统的特定目标标定的情况判断并实时监测困难的技术问题，本发明在原有的激光扩束系统上，通过将带孔遮光板成像于成像装置，根据成像位置分析激光扩束系统的准直性或对激光扩束系统的特定目标标定的情况，本发明可实现原有的激光扩束功能，并可实时监测其出射光的准直性以及检测出离焦方向、离焦量。

为实现上述目的，本发明提出了一种可自动检焦的激光扩束系统以及其检焦方法，包括：

检测光源，分光装置，参考光源，激光扩束装置，带孔遮光板，成像装置，以上所述的光学器件相互之间都是光路连接；

所述激光扩束装置出射面为自准直面，在自准直面上镀有分光膜，所述镀有分光膜的自准直面是为了透射参考光源光谱，反射检测光源光谱，参考光作为激光扩束系统的出射光，而被反射的检测光沿原光路返回，随后通过对带孔遮光板中孔的成像情况判断参考光的准直情况；

参考光源与检测光源发出的平行光经分光装置后共光路，共同经激光扩束装置，在激光扩束装置的出射面处参考光被透射，检测光被反射，所述分光装置是为了让参考光和检测光共光路，同时也可以有分光的作用；

被激光扩束装置反射的检测光，经带孔遮光板，在成像装置上成像，根据孔的成像情况判断经激光扩束系统的参考光的准直情况，所述带孔遮光板上的孔为透光部分，其余部分起到遮光作用，在成像装置上通过对带孔遮光板上的孔成像，并获得成像情况；

当激光扩束系统的出射光准直状态或者准直状态的目标标定位置准确时，孔经过成像装置成像后应该为沿光轴上的一点，成像位置为准直像面位置；若激光扩束系统的出射光线不准直或准直状态的目标标定位置有误，则像面位置会产生离焦，孔径过成像装置成像后不为一点，若此时像面位置在准直像面位置之前，即称像面位置在离焦方向为焦平面前时的像面位置，若像面位置在准直像面位置之后，即称像面位置在离焦方向为焦平面后时的像面位置，根据像面位置可得离焦方向，且判断准直情况或者激光扩束系统的目标标定位置情况，并且根据孔的成像大小，计算出离焦量。

进一步地，所述分光装置包括第一分光装置与第二分光装置，检测光经第一分光装置透射，经第二分光装置反射，随后与参考光共光路，在激光扩束装置处检测光被反射，被反射后经第二分光装置反射，经第一分光装置反射，再经带孔遮光板，将带孔遮光板上的孔成像于成像装置。

进一步地，所述第一分光装置为半反半透分光棱镜。

进一步地，所述第一分光装置包括起偏器、偏振分光凌镜、1/4波片。

进一步地，所述第二分光装置为半反半透分光镜。

进一步地，所述带孔遮光板上的孔相对带孔遮光板的中心对称分布。

进一步地，所述带孔遮光板上上孔的数量为至少一个。

进一步地，所述激光扩束装置出射面的分光膜为光谱分光膜，是为了能够针对不同波长的光选择性的反射或者透射。

进一步地，所述检测光源所发出的检测光与参考光源所发出的参考光的波长不一样，是为了通过光谱分光膜之后，将参考光和检测光分开，使参考光透射并从激光扩束装置5的出射面出射；使检测光反射，用于检测出射参考光的准直性或对所述激光扩束系统的特定目标标定的情况。

本发明还提出了一种可自动检焦的激光扩束系统的检焦方法，包括以下步骤：

步骤一，获得成像情况，参考光源与检测光源发出的平行光经分光装置后共光路，经激光扩束装置，参考光被透射，检测光被反射，被激光扩束装置反射的检测光，经带孔遮光板，在成像装置处获得带孔遮光板上孔的成像情况；

步骤二，判断准直或对激光扩束系统的特定目标标定的情况，观察成像情况，在成像装置上，当出射光准直或激光扩束系统准直状态的目标标定位置准确时，孔经过成像装置成像后为光轴上的一点，像面位置为准直像面位置；若出射光线不准直或准直状态的目标标定位置有误，则像面位置会产生离焦，像面位置位于准直像面位置之前，则离焦方向为焦平面前方，此时光线相对理想情况的光线略为汇聚，像面位置在离焦方向为焦平面前时的像面位置；反之，像面位置位于准直像面位置之后，则离焦方向为焦平面后方，激光光束相对于理想情况的光束略为发散，像面位置在离焦方向为焦平面后时的像面位置，如此通过像面位置可得离焦方向，进而判断准直情况或对激光扩束系统的特定目标标定的情况。

步骤三，计算离焦量，根据以下公式：

tanθ＝a/b

即可计算出离焦量，其中a为所成像相对遮光板中心的距离，b为离焦量。

本发明提供的可自动检焦的激光扩束系统以及其检焦方法，与现有技术相比的有益效果为：在原有的激光扩束系统系统上增加了分光装置、带孔遮光板、成像装置，激光扩束装置的出射面为自准面且镀有光谱分光膜，此光谱分光膜可以反射检测光源光谱，透射参考光源光谱，被反射的检测光通过带孔遮光板，成像于成像装置，根据成像位置分析激光扩束系统的准直性或对激光扩束系统的特定目标标定的情况，本发明可实现原有的激光扩束功能，并可实时监测其出射光的准直性或对所述激光扩束系统的特定目标标定的情况以及检测出离焦方向、离焦量，本发明结构简单，易于实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种可自动检焦的激光扩束系统示意图；

图2为本发明实施例提供的第一分光装置为半反半透分光法的分光装置示意图；

图3为本发明实施例提供的第一分光装置为偏振分光法的分光装置示意图；

图4为本发明实施例提供的带孔遮光板上的孔为狭缝和圆孔示意图；

图5为本发明实施例提供的带孔遮光板上的孔为两个圆孔示意图；

图6为本发明实施例提供的带孔遮光板上的孔为异形孔示意图；

图7为本发明实施例提供的带孔遮光板上的孔为多个孔示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一，如图1、图2所示，可自动检焦的激光扩束系统包括检测光源1；分光装置，分光装置包括第一分光装置2和第二分光装置4，在本实施例中，所述第一分光装置2包括分光棱镜21，分光棱镜21为半反半透分光棱镜，如图2所示，所述第二分光装置4为半反半透分光棱镜；参考光源3；激光扩束装置5，所述激光扩束装置5包括扩束镜、准直镜，激光扩束装置5的出射面为自准直面，在本实施例中，自准直面为平面，且在自准直面上镀有光谱分光膜，光谱分光膜能透射参考光，反射检测光；带孔遮光板6，所述带孔遮光板6上有关于板中心对称分布的孔；成像装置7，所述成像装置7包括成像凸透镜71，带孔遮光板6位于成像透镜71的前焦平面处，且带孔遮光板6的中心在光轴上。

成像过程如下：检测光源1发出的平行光经第一分光装置2透射，经第二分光装置4反射；同时，参考光源3发出光谱不同于检测光源1的平行光，经第二分光装置4透射；检测光与参考光在经过第二分光装置4后共光路，再经激光扩束装置5，在激光扩束装置5的出射面处参考光被透射，检测光被反射；被激光扩束装置5出射面反射的检测光，沿原光路返回经第二分光装置4反射，沿原光路返回再经第一分光装置2反射，随后经带孔遮光板6，带孔遮光板6上有两个孔，两个孔关于带孔遮光板6的中心对称分布，随后检测光在成像装置7上对带孔遮光板6进行成像，根据成像情况判断经激光扩束系统的参考光的准直情况。

在本实施例中，以带孔遮光板6上的两个孔分别为狭缝和圆孔为例，狭缝在上，圆孔在下，两个孔关于带孔遮光板6的中心对称分布，如图4所示；在成像装置上，当出射光准直或激光扩束系统准直状态的目标标定位置准确时，两个孔经过成像装置7成像后为一点，像面位置为准直像面位置72，若激光扩束系统出射光线不准直或准直状态的目标标定位置有误，则像面位置会产生离焦，若像面上狭缝的像在上方，圆孔像在下方，即像面上孔的位置关系与遮光板上孔的位置相同，则说明离焦方向为焦平面前方，即离焦方向为像面前，激光束相相对理想情况的光束略为汇聚，像面位置在离焦方向为焦平面前时的像面位置73，反之，若像面上狭缝的像在下方，圆孔像在上方，即像面上孔的位置关系与遮光板上孔的位置相反，激光光束相对于理想情况的光束略为发散，则为焦平面后方，即离焦方向为像面后，像面位置在离焦方向为焦平面前时的像面位置74，如此可得离焦方向，根据孔成像的大小，也可计算出离焦量。

可以理解，上述实施例中描述了两个孔分别为狭缝和圆孔，而实际中空的形状并不限定狭缝和圆孔，也可以为其他的异形孔或者都是圆孔或都是狭缝等。

实施例二，在实施例一的基础上，本实施例与实施例一的区别在于，所述第一分光装置2包括起偏器23、分光凌镜21为偏振分光棱镜、1/4波片22，如图3所示，检测光源经过起偏器23后变为某一振动方向的线偏振光，振动方向取决于起偏器的放置方向，经过偏振分光棱镜21透射，由1/4波片22将线偏振光变为圆偏振光，经过第一分光棱镜4反射，使圆偏振光进入激光扩束装置5，由于激光扩束装置5出射面将检测光线反射，出射面对检测光线的反射使的圆偏振光的相位改变了π，所以使圆偏振光的旋向与原来相反，再经第二分光装置4反射，经由1/4波片22将圆偏振光变为线偏振光，此时的线偏振光振动方向与检测光源经过起偏器后的线偏振光振动方向相反，由于偏振分光棱镜21只能透射特定振动方向的线偏振光，即只能透过检测光源经过起偏器23后的线偏振光振动方向，所以返回的线偏振光经过偏振分光棱镜21不能被透射，故将光线反射到达带孔遮光板6。

实施例三，在实施例一的基础上，本实施例与实施例一的区别在于，所述带孔遮光板6上的孔的数量至少为一个，可以是两个圆孔，如图5所示；可以是异性孔，如图6所示；可以是四个方形孔，如图7所示；或连续形状的孔，以及其他有类似形状能实现检焦功能的孔，请参照图4～图7所示。

实施例四，在实施例一的基础上，本实施例与实施例一的区别在于，激光扩束装置5的自准直面为曲面。

本发明还提供一种可自动检焦的激光扩束系统的其检焦方法，包括以下步骤：

步骤一，获得成像情况，参考光源3与检测光源1发出的平行光经分光装置后共光路，经激光扩束装置5，参考光被透射，检测光被反射，被激光扩束装置5反射的检测光，经第二分光装置4和第一分光装置2反射，经带孔遮光板6，在成像装置7处获得带孔遮光板6上孔的成像情况；

在本实施例中，在激光扩束装置5中，当扩束镜处在准直透镜的前焦平面时，检测光经过扩束镜扩束，再通过准直透镜后将成为一束平行光，检测光在激光扩束装置5中与光轴垂直的出射面被反射回去，反射回来的检测光再次通过准直透镜后仍会聚于准直透镜的前焦平面上。

步骤二，判断准直或对激光扩束系统的特定目标标定的情况，观察成像情况，在成像装置上，当出射光准直或激光扩束系统准直状态的目标标定位置准确时，两个孔经过成像装置7成像后为一点，像面位置是图1中的准直像面位置72；若出射光线不准直或准直状态的目标标定位置有误，则像面位置会产生离焦，像面上孔的位置关系与遮光板上孔的位置关系相同，则说明离焦方向为焦平面前方，即离焦方向为像面前，激光束相相对理想情况的光束略为汇聚，像面位置为图1中离焦方向为焦平面前时的像面位置73；反之，若像面上孔的位置关系与遮光板上孔的位置关系相反，激光光束相对于理想情况的光束略为发散，则说明离焦方向为焦平面后方，即离焦方向为像面后，像面位置为图1中离焦方向为焦平面后时的像面位置74，如此可得离焦方向，进而判断准直情况或对激光扩束系统的特定目标标定的情况。

在本实施例中，若激光扩束系统准直，则被反射的检测光平行于光轴，通过成像凸透镜71前焦面的带孔遮光板6聚焦成像，由于带孔遮光板6上的孔关于带孔遮光板6的中心对称分布，因此成像后为一个点，过像点垂直于光轴的面为准直像面72；若激光扩束系统不准直，则被反射的检测光相对光轴有倾斜角度，与光轴有倾斜角度的参考光，通过成像凸透镜71前焦面的带孔遮光板6聚焦成像，聚焦像面位置会相对准直像面前移或者后移。

步骤三，计算离焦量，根据以下公式：

tanθ＝a/b

即可计算出离焦量，其中a为所成像相对遮光板中心的距离，b为离焦量。

离焦量的计算可以根据需要准直、汇聚、发散，对入射光的准直情况进行修正。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接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内。

Claims (10)

1.一种可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，包括检测光源(1)，分光装置，参考光源(3)，激光扩束装置(5)，带孔遮光板(6)和成像装置(7)；

所述激光扩束装置(5)的出射面为镀有分光膜的自准直面；

参考光源(3)与检测光源(1)发出的平行光经分光装置后共光路，经激光扩束装置(5)，在激光扩束装置(5)的出射面处，参考光被透射，检测光被反射；

被激光扩束装置(5)反射的检测光，原路返回，经分光装置反射，经带孔遮光板(6)，在成像装置(7)处成像，根据孔的成像情况判断经激光扩束系统的参考光的准直性或对所述激光扩束系统的特定目标标定的情况。

2.根据权利要求1所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述分光装置包括第一分光装置(2)和第二分光装置(4)；

所述检测光从检测光源(1)经第一分光装置(2)透射，经第二分光装置(4)反射后与参考光共光路；

所述被激光扩束装置(5)反射的检测光，经第二分光装置(4)反射，经第一分光装置(2)反射，再经带孔遮光板(6)后，成像于成像装置(7)。

3.根据权利要求2所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述第一分光装置(2)为半反半透分光棱镜。

4.根据权利要求2所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述第一分光装置(2)包括起偏器(23)、偏振分光凌镜、1/4波片(22)。

5.根据权利要求2所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述第二分光装置(4)为半反半透分光镜。

6.根据权利要求1-5任一项所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述带孔遮光板(6)上的孔相对带孔遮光板(6)的中心对称分布。

7.根据权利要求6任一项所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述带孔遮光板(6)上孔的数量为至少一个。

8.根据权利要求1-5任一项所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述激光扩束装置(5)出射面的分光膜为光谱分光膜。

9.根据权利要求1-5任一项所述的可自动检焦的激光扩束系统，其特征在于，所述检测光源(1)所发出的检测光与参考光源(3)所发出的参考光的波长不一样。

10.一种可自动检焦的激光扩束系统的检焦方法，其特征在于，所述检焦方法使用权利要求1-9中任一项所述的可自动检焦的激光扩束系统，所述检焦方法包括以下步骤：

步骤一，获得成像情况，参考光源(3)与检测光源(1)发出的平行光经分光装置后共光路，经激光扩束装置(5)，参考光被透射，检测光被反射，被激光扩束装置(5)反射的检测光，经带孔遮光板(6)，在成像装置(7)处获得带孔遮光板(6)的孔的成像情况；

步骤二，判断准直情况，观察成像情况，在成像装置(7)处，当激光扩束系统参考光线准直时，孔经过成像装置(7)成像后为光轴上一点，像面位置为准直像面位置(72)；当激光扩束系统参考光线不准直时，像面位置在离焦方向为焦平面前时的像面位置(73)，或者像面位置在离焦方向为焦平面后时的像面位置(74)，根据像面位置可得离焦方向，且判断准直情况；

步骤三，计算离焦量，根据以下公式：

tanθ＝a/b

即可计算出离焦量，其中a为所成像相对遮光板中心的距离，b为离焦量。