CN110487516B - 用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置及其使用方法，其特征在于，它包括底座(1)，安装于底座(1)上的左光管(2)、右光管(5)和分光镜(4)，所述分光镜(4)上设有上光管(3)；具体步骤为：步骤一、单模光纤放置在消色差镜头一焦点位置，该消色差镜头一负责把光纤出射的发散光变成平行光；步骤二、准直后的光束经过45度摆放的半透半反镜，一部分反射进入左侧消色差镜头二，该左侧消色差镜头二把光束会聚成光纤成像点；步骤三、CCD放置在45度平板玻璃右侧消色差镜头三焦面位置，左右两个消色差镜头同轴放置，当光纤成像点位置有点光源进入，CCD会对点光源成像。
Description
技术领域
本发明属于光学系统装调检测领域，具体而言，本发明是一种用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置及其使用方法。
背景技术
现有的平行光管定焦面位置方法很多。
有的需要利用更长焦距的平行光管发出平行光来确定待检光管焦面位置，从而提高检焦精度。长焦距平行光管的存储维护不方便，使用对环境要求较高。
有利用光栅或者干涉仪标定待测光管最佳焦面，定焦精确，手段复杂。
利用角锥自准直扫描检测装置，用待测平行光管自身检自身，反复迭代寻找最优焦面位置。该检焦装置使用方法简单，轻便灵活易于存储维护。
该检焦方法与角锥移动导轨精度无关，只与三个镜头焦面位置标定精度有关，定期标定保存得当可以重复使用。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明为了减少检焦位置与干涉仪焦点位置误差，所采用如下技术方案：
一种用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置，其特征在于：它包括底座1，安装于底座1上的左光管2、右光管5和分光镜4，所述分光镜4上设有上光管3。
所述左光管2由左光管镜头套21、左光管压镜头法兰22、消色差镜头二镜框23、左光管压镜片法兰24、左光管镜片25、26、左光管光管套27、左光管镜头并紧法兰28、左光管镜头安装座29组成；所述左光管镜头套21内安装有消色差镜头二镜框23和左光管镜片25、26，所述左光管镜头套21一端与所述左光管光管套27相连并通过左光管镜头并紧法兰28固定，所述左光管镜头套21另一端通过左光管压镜头法兰22固定，所述左光管镜片25、26由左光管压镜片法兰24固定，所述左光管2通过左光管镜头安装座29固定于所述底座1上。
所述上光管3由上光管固定座31、上光管镜头套32、上光管压镜头法兰33、消色差镜头一镜框34、上光管压镜片法兰35、上光管镜片36、37、光纤38、上光管光管套39、上光管镜头并紧法兰30组成；所述上光管镜头套32内安装有消色差镜头一镜框34和上光管镜片36、37，所述上光管镜头套32一端与所述上光管光管套39相连并通过上光管镜头并紧法兰30固定，所述上光管镜头套32另一端通过上光管压镜头法兰33固定，所述上光管镜头36、37由上光管压镜片法兰35固定，所述上光管光管套39的一端设置光纤38，所述上光管3通过上光管镜头固定座31固定于所述底座1上。
所述右光管5由右光管镜头套51、右光管压镜头法兰52、消色差镜头三镜框53、右光管压镜片法兰54、右光管镜片55、56、右光管光管套57、右光管镜头并紧法兰58、右光管镜头安装座59、CCD 50组成；所述右光管镜头套51内安装有消色差镜头三镜框53和右光管镜片55、56，所述右光管镜头套51一端与所述右光管光管套57相连并通过右光管镜头并紧法兰58固定，所述右光管镜头套51另一端通过右光管压镜头法兰52固定，所述右光管镜片55、56由右光管压镜片法兰54固定，所述右光管光管套57的一端设置CCD 50，所述右光管5通过右光管镜头安装座59固定于所述底座1上。
所述分光镜4由调整底座41、44、调整镜框42、分束片43组成；所述分束片43设置于所述调整镜框42上，所述调整镜框42两侧分别固定调整底座41、44，所述调整底座41、44固定于所述底座1上。
同时，本发明还公开了一种用于平行光管检焦的角锥自准直扫描方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤一、单模光纤放置在消色差镜头一焦点位置，该消色差镜头一负责把光纤出射的发散光变成平行光；
步骤二、准直后的光束经过45度摆放的半透半反镜，一部分反射进入左侧消色差镜头二，该左侧消色差镜头二把光束会聚成光纤成像点；
步骤三、CCD放置在45度平板玻璃右侧消色差镜头三焦面位置，左右两个消色差镜头同轴放置，当光纤成像点位置有点光源进入，CCD会对点光源成像。
上述的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描方法，其进一步特征在于：
角锥从待检光管口径自上而下平移；当光纤成像点放置在待检光管焦面位置时，待检光管出射平行光束；由于角锥返回光束与角锥入射光束方向一致，因此随着角锥位置沿待检光管直径方向平移CCD成像光斑位置不动。
如果CCD成像光斑位置跑动，说明角锥返回光束角度有变化，此时光纤成像点没有放置在待检光管焦面上，待检光管出射的是发散光束。因此需要调整检焦装置位置，直到平移角锥，检焦装置CCD成像光斑不动。
有益效果：本发明内部焦距4m，口径400mm平行光管交付时使用过该方法，检焦位置与干涉仪焦点位置误差优于0.02mm。
附图说明
图1为本发明实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置立体图。
图2为本发明实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置结构图。
图3为本发明实施例的角锥自准直扫描装置的左光管部件图。
图4为本发明实施例的角锥自准直扫描装置的上光管部件图。
图5为本发明实施例的角锥自准直扫描装置的右光管部件图。
图6为本发明实施例的角锥自准直扫描装置的分光镜部件图。
图7为本发明实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置核心部件图。
图8为本发明实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描方法原理图。
图9为本发明实施例的光斑质心坐标偏差曲线图。
图10为本发明实施例的装置标定示意图。
图11为本发明实施例的第一臂标定原理图。
图12为本发明实施例的第二臂标定原理图。
图13为本发明实施例的第三臂标定原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的所有装置核心部件，包括3个口径80mm，焦距560mm消色差镜头、一片半透半反平板玻璃、一个角锥、一个CCD相机、一根单模光纤。如图1-6所示，本实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置及其各核心部件的结构图。
本实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置，包括底座1，安装于底座1上的左光管2、右光管5和分光镜4，所述分光镜4上设有上光管3。
所述左光管2由左光管镜头套21、左光管压镜头法兰22、消色差镜头二镜框23、左光管压镜片法兰24、左光管镜片25、26、左光管光管套27、左光管镜头并紧法兰28、左光管镜头安装座29组成；所述左光管镜头套21内安装有消色差镜头二镜框23和左光管镜片25、26，所述左光管镜头套21一端与所述左光管光管套27相连并通过左光管镜头并紧法兰28固定，所述左光管镜头套21另一端通过左光管压镜头法兰22固定，所述左光管镜片25、26由左光管压镜片法兰24固定，所述左光管2通过左光管镜头安装座29固定于所述底座1上。
所述上光管3由上光管固定座31、上光管镜头套32、上光管压镜头法兰33、消色差镜头一镜框34、上光管压镜片法兰35、上光管镜片36、37、光纤38、上光管光管套39、上光管镜头并紧法兰30组成；所述上光管镜头套32内安装有消色差镜头一镜框34和上光管镜片36、37，所述上光管镜头套32一端与所述上光管光管套39相连并通过上光管镜头并紧法兰30固定，所述上光管镜头套32另一端通过上光管压镜头法兰33固定，所述上光管镜头36、37由上光管压镜片法兰35固定，所述上光管光管套39的一端设置光纤38，所述上光管3通过上光管镜头固定座31固定于所述底座1上。
所述右光管5由右光管镜头套51、右光管压镜头法兰52、消色差镜头三镜框53、右光管压镜片法兰54、右光管镜片55、56、右光管光管套57、右光管镜头并紧法兰58、右光管镜头安装座59、CCD 50组成；所述右光管镜头套51内安装有消色差镜头三镜框53和右光管镜片55、56，所述右光管镜头套51一端与所述右光管光管套57相连并通过右光管镜头并紧法兰58固定，所述右光管镜头套51另一端通过右光管压镜头法兰52固定，所述右光管镜片55、56由右光管压镜片法兰54固定，所述右光管光管套57的一端设置CCD 50，所述右光管5通过右光管镜头安装座59固定于所述底座1上。
所述分光镜4由调整底座41、44、调整镜框42、分束片43组成；所述分束片43设置于所述调整镜框42上，所述调整镜框42两侧分别固定调整底座41、44，所述调整底座41、44固定于所述底座1上。
图7为本发明实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置核心部件图。
本实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描方法，具体步骤为：
步骤一、单模光纤放置在消色差镜头一焦点位置，该消色差镜头一负责把光纤出射的发散光变成平行光；
步骤二、准直后的光束经过45度摆放的半透半反镜，一部分反射进入左侧消色差镜头二，该左侧消色差镜头二把光束会聚成光纤成像点；
步骤三、CCD放置在45度平板玻璃右侧消色差镜头三焦面位置，左右两个消色差镜头同轴放置，当光纤成像点位置有点光源进入，CCD会对点光源成像。
图8为本发明实施例的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描方法原理图。
角锥从待检光管口径自上而下平移；当光纤成像点放置在待检光管焦面位置时，待检光管出射平行光束；由于角锥返回光束与角锥入射光束方向一致，因此随着角锥位置沿待检光管直径方向平移CCD成像光斑位置不动。
如果CCD成像光斑位置跑动，说明角锥返回光束角度有变化，此时光纤成像点没有放置在待检光管焦面上，待检光管出射的是发散光束。因此需要调整检焦装置位置，直到平移角锥，检焦装置CCD成像光斑不动。
用于平行光管检焦的角锥自准直扫描方法，其进一步步骤在于：
步骤3.1使用激光干涉仪标定光纤成像点位置，使用固定的机械件做好焦点位置基准记录；
步骤3.2放置检焦装置在待检光管理论焦面位置，使用角锥沿待检光管直径方向扫描，记录CCD成像光斑质心坐标，记录光斑质心坐标最大偏差值。
步骤3.3调整检焦装置位置，并做好位置记录，每调整一次检焦装置位置，重复步骤3.2，会得到一个光斑质心坐标偏差范围。
步骤3.4拟合步骤3.3中的数据会得到一个曲线，如图9所示，曲线最低点即为待检光管焦面位置；
步骤3.5把检焦装置复位到曲线最低点对应的位置，此时光纤成像点就是待测光管焦点，安装步骤3.1中的机械基准，拆除检焦装置。
图10为本发明实施例的装置标定示意图。装置标定步骤：
1)第一臂标定：利用平面镜自准直，调节光纤位置使得光功率计探测功率和进光功率比值最大。如图11所示，为本发明实施例的第一臂标定原理图。
2)第二臂标定：利用标定好的第一臂出光，第二臂CCD接收，根据GB/T 13739-2011计算激光光斑半径。调整CCD前后使得半径最小。如图12所示，为本发明实施例的第二臂标定原理图。
3)第三臂标定：第一臂光纤打光，根据GB/T 13739-2011计算CCD上激光光斑半径。调整平面镜前后使得半径最小。如图13所示，为本发明实施例的第三臂标定原理图。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。
Claims (4)
1.一种用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置，其特征在于：它包括底座(1)，安装于底座(1)上的左光管(2)、右光管(5)和分光镜(4)，所述分光镜(4)上设有上光管(3)；所述左光管(2)由左光管镜头套(21)、左光管压镜头法兰(22)、消色差镜头二镜框(23)、左光管压镜片法兰(24)、左光管镜片(25、26)、左光管光管套(27)、左光管镜头并紧法兰(28)、左光管镜头安装座(29)组成；所述左光管镜头套(21)内安装有消色差镜头二镜框(23)和左光管镜片(25、26)，所述左光管镜头套(21)一端与所述左光管光管套(27)相连并通过左光管镜头并紧法兰(28)固定，所述左光管镜头套(21)另一端通过左光管压镜头法兰(22)固定，所述左光管镜片(25、26)由左光管压镜片法兰(24)固定，所述左光管(2)通过左光管镜头安装座(29)固定于所述底座(1)上；
所述上光管(3)由上光管镜头固定座(31)、上光管镜头套(32)、上光管压镜头法兰(33)、消色差镜头一镜框(34)、上光管压镜片法兰(35)、上光管镜片(36、37)、光纤(38)、上光管光管套(39)、上光管镜头并紧法兰(30)组成；所述上光管镜头套(32)内安装有消色差镜头一镜框(34)和上光管镜片(36、37)，所述上光管镜头套(32)一端与所述上光管光管套(39)相连并通过上光管镜头并紧法兰(30)固定，所述上光管镜头套(32)另一端通过上光管压镜头法兰(33)固定，所述上光管镜片(36、37)由上光管压镜片法兰(35)固定，所述上光管光管套(39)的一端设置光纤(38)，所述上光管(3)通过上光管镜头固定座(31)固定于所述底座(1)上；
所述右光管(5)由右光管镜头套(51)、右光管压镜头法兰(52)、消色差镜头三镜框(53)、右光管压镜片法兰(54)、右光管镜片(55、56)、右光管光管套(57)、右光管镜头并紧法兰(58)、右光管镜头安装座(59)、CCD(50)组成；所述右光管镜头套(51)内安装有消色差镜头三镜框(53)和右光管镜片(55、56)，所述右光管镜头套(51)一端与所述右光管光管套(57)相连并通过右光管镜头并紧法兰(58)固定，所述右光管镜头套(51)另一端通过右光管压镜头法兰(52)固定，所述右光管镜片(55、56)由右光管压镜片法兰(54)固定，所述右光管光管套(57)的一端设置CCD(50)，所述右光管(5)通过右光管镜头安装座(59)固定于所述底座(1)上；
所述分光镜(4)由调整底座(41、44)、调整镜框(42)、分束片(43)组成；所述分束片(43)设置于所述调整镜框(42)上，所述调整镜框(42)两侧分别固定调整底座(41、44)，所述调整底座(41、44)固定于所述底座(1)上。
2.一种角锥自准直扫描方法，其特征在于，使用权利要求1所述的用于平行光管检焦的角锥自准直扫描装置，具体步骤为：
步骤一、单模光纤放置在消色差镜头一焦点位置，该消色差镜头一负责把光纤出射的发散光变成平行光；
步骤二、准直后的光束经过45度摆放的半透半反镜，一部分反射进入左侧消色差镜头二，该左侧消色差镜头二把光束会聚成光纤成像点；
步骤三、CCD放置在45度平板玻璃右侧消色差镜头三焦面位置，左右两个消色差镜头同轴放置，当光纤成像点位置有点光源进入，CCD会对点光源成像；
角锥从待检光管口径自上而下平移；当光纤成像点放置在待检光管焦面位置时，待检光管出射平行光束；由于角锥返回光束与角锥入射光束方向一致，因此随着角锥位置沿待检光管直径方向平移CCD成像光斑位置不动；
如果CCD成像光斑位置跑动，说明角锥返回光束角度有变化，此时光纤成像点没有放置在待检光管焦面上，待检光管出射的是发散光束；因此需要调整检焦装置位置，直到平移角锥，检焦装置CCD成像光斑不动。
3.根据权利要求2所述的角锥自准直扫描方法，其特征在于：
步骤3.1使用激光干涉仪标定光纤成像点位置，使用固定的机械件做好焦点位置基准记录；
步骤3.2放置检焦装置在待检光管理论焦面位置，使用角锥沿待检光管直径方向扫描，记录CCD成像光斑质心坐标，记录光斑质心坐标最大偏差值；
步骤3.3调整检焦装置位置，并做好位置记录，每调整一次检焦装置位置，重复步骤3.2，会得到一个光斑质心坐标偏差范围；
步骤3.4拟合步骤3.3中的数据会得到一个曲线，曲线最低点即为待检光管焦面位置；
步骤3.5把检焦装置复位到曲线最低点对应的位置，此时光纤成像点就是待测光管焦点，安装步骤3.1中的机械基准，拆除检焦装置。
4.根据权利要求3所述的角锥自准直扫描方法，其特征在于：
第一臂标定：利用平面镜自准直，调节光纤位置使得光功率计探测功率和进光功率比值最大；
第二臂标定：利用标定好的第一臂出光，第二臂CCD接收，计算激光光斑半径，调整CCD前后使得半径最小；
第三臂标定：第一臂光纤打光，计算CCD上激光光斑半径，调整平面镜前后使得半径最小。
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