CN110530297A - 一种激光光束准直的判断方法及采用该方法的剪切干涉仪 - Google Patents

一种激光光束准直的判断方法及采用该方法的剪切干涉仪 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学测量领域，具体涉及一种激光光束准直的判断方法，该方法采用分束立方体形成干涉光斑，并通过调节分束立方体不同入射面的剪切量改变相交的光束相位，并通过干涉光斑是否旋转即可判断光斑的准直或发散，有效的简化了判断流程，其相应的剪切干涉仪也仅通过一个分束立方体调节相应光路，简化了仪器结构，使得对激光光束的准直判断更为简单而直观。

Description

一种激光光束准直的判断方法及采用该方法的剪切干涉仪
技术领域
本发明涉及光学测量领域，具体而言，涉及一种激光光束准直的判断方法及采用该方法的剪切干涉仪。
背景技术
激光干涉仪测量系统能够对机器和其他对位置精度要求高的系统进行完整的校准，可以精确地测量各种几何尺寸和动态机器特性，在科研和工程研究领域具有广泛的应用。在实际应用过程中，由于激光光束路径与运动轴之间的准直偏差，导致测量距离与实际移动距离之间存在误差，此误差的大小与激光光束和运动轴之间的准直偏差角有关，通常称之为余弦误差。测量时，随着激光行程的增大，余弦误差将被逐渐放大，激光干涉仪的准直偏差对测量精度有极大的影响，为了减少准直偏差带来的测量误差，对激光光束是否准直的判断对降低测量误差至关重要。
目前判断激束的准直，主要有以下几种方法：一、采用四象限探测器结合运算电路检测出激光点的偏移量，因为激光点在不同位置测得的偏移量也是不同的，这种方式需要反复多次调节才能进行判断，操作繁琐且校准效果差；二、采用PSD实时检测激光点测量光斑的漂移位移，但是目前大多数激光干涉仪并没有开放二次开发接口，很难获得测量的实时位移数据同时，光束非准直状态下还会影响激光干涉条纹的强度、角度、直线度等的测量精度，这种方法不能简单直接的解决这些问题。
现有的光束准直的判断方法其判断步骤较为繁琐，相应剪切干涉仪结构与光路器件也精密复杂，很难直观且简便的对激光光束准直进行判断。因此现有的技术存在不足。
发明内容
本发明实施例提供了光束准直的判断方法及剪切干涉仪，至少解决了肉眼直接观测和简化判断步骤和设备结构构的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种激光光束准直的判断方法，包括以下步骤：
S1.将待测光束的光轴指向分束立方体，所述分束立方体将所述待测光束分割且形成干涉后透射到成像设备，使成像设备采集到干涉光斑；
S2.改变所述分束立方体的第一入射面与第二入射面对所述待测光束的剪切量；
S3.观察所述成像设备中所述干涉光斑是否旋转，若所述干涉光斑不旋转则所述待测光束准直，若所述干涉光斑旋转则所述待测光束发散。
优选的，所述步骤S1包括：
S11.所述待测光束被所述第一入射面和所述第二入射面折射后分割为第一入射光和第二入射光；
S12.所述第一入射光和所述第二入射光分别指向分束面的相对两个表面；所述第一入射光被分束面折射和反射后分离为第一折射光和第一反射光；所述第二入射光被分束面折射和反射后分离为第二折射光和第二反射光；
S13.所述第一折射光与所述第二反射光交汇在第二出射面后折射至成像设备；所述第一反射光与所述第二折射光交汇在第一出射面后折射至成像设备。
优选的，所述步骤S2中改变所述分束立方体的第一入射面与第二入射面的剪切量具体包括：
S21.沿水平方向平移所述分束立方体，改变所述待测光束在所述第一入射面与所述第二入射面上的照射面积。
优选的，所述步骤S2中，所述光轴与所述分束面平行且具有间距。
为了解决上述问题，本申请还提供一种剪切干涉仪，包括分束立方体以及与所述分束立方体光路连接的成像设备，还包括支撑所述分束立方体的调控支架；所述分束立方体包括第一直角棱镜和第二直角棱镜；第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面彼此贴合构成分束面；第一直角棱镜的入光面与其斜面的公共边为第一侧楞，第二直角棱镜的入光面与其斜面的公共边为第二侧楞，所述第一侧楞与所述第二侧楞相交构成楔形夹角，所述分束立方体的姿态由所述调控支架控制。
优选的，所述调控支架包括三维倾斜模块和三维移动模块。
优选的，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面之间设置有分束涂层，所述分束涂层的折射反射比设置为1：1。
优选的，所述第一直角棱镜的入光面与出光面设置有抗反射涂层；所述第二直角棱镜的入光面与出光面设置有抗反射涂层。
优选的，还包括设置在光源与所述分束立方体的光路之间的滤镜。
优选的，所述成像设备包括ccd成像器与显示器；所述显示器与所述ccd成像器电连接并显示其上的干涉图像。
在本发明实施例中采用分束立方体形成干涉光斑，并通过调节分束立方体不同入射面的剪切量改变相交的光束相位，并通过干涉光斑是否旋转即可判断光斑的准直或发散，有效的简化了判断流程，其相应的剪切干涉仪也仅通过一个分束立方体调节相应光路，简化了仪器结构，使得对激光光束的准直判断更为简单而直观。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明激光光束准直判断方法的主要流程示意框图；
图2为本发明剪切干涉仪的结构示意图以及准直判断方法的示意图；
图3为本发明分束立方体改变楔形夹角方式的示意图；
图4为本发明激光光束准直的判断方法的具体流程示意图；
图5为准直入射光线的入射光、出射光、光程差二维对照表；
图6为发散入射光线的入射光、出射光、光程差二维对照表；
图7为准直入射光线与发散入射光线的不同剪切量干涉对比图；
图7(a、b)为准直入射光线不同剪切量干涉图；
图7(c、d、e)为发散入射光线的不同剪切量干涉图；
图8为本发明分束立方体在入射光束高度的光程长度示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图1-附图8，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例1
如附图1所示，一种激光光束准直的判断方法，包括以下步骤：
S1.将待测光束的光轴指向分束立方体，分束立方体将待测光束分割且形成干涉后透射到成像设备，使成像设备采集到干涉光斑；
S2.改变分束立方体的第一入射面与第二入射面对待测光束的剪切量；
S3.观察成像设备中干涉光斑是否旋转，若干涉光斑不旋转则待测光束准直，若干涉光斑旋转则待测光束发散。
具体的，图4(a)中待测光束同时照射在第一入射面1和第二入射面2上被分别折射，第二入射面2与第一入射面1具有y楔角。y楔角为第一入射面1和第二入射面2在非垂直相交状态时形成的楔形夹角。通过该楔形夹角，待测光束被分束立方体剪切为两束有相位差的入射光。当分束面垂直于水平面时，水平移动分束立方体可以改变待测光束在分束立方体不同入射面的照射面积，即剪切量。准直光与发散光在剪切量变化时，其干涉光斑会有不一样的变化。
图4(b)中第一入射光和第二入射光照射到分束面相对的两个表面上分别产生反射和折射，第一入射光被反射的部分构成第一反射光，被折射的部分构成第一折射光。同样的，第二入射光也被分束面分离为第二反射光和第二折射光。第一反射光和第二折射光将以同样的光路(即产生了干涉现象)射向第一出射面，第一折射光和第二反射光也将以同样的光路(如前所述发生了干涉现象)射向第二出射面。
图4(c)中第一反射光和第二折射光的混合光束，以及第一折射光和第二反射光的混合光束将以待测光束原来的传播方向射出第一出射面和第二出射面，其形成的干涉光斑并被成像设备所采集，其干涉光斑的图像最终显示在成像设备中。通过准直光束与发散光束对应剪切量的不同变化既可以准确判断待测光束是否准直。
通过上述3个步骤既可以准确的判断激光光束的准直与发散，在简化了判断方法的同时也保证了判断结果的准确性。
关于通过准直光束的干涉光斑以及发散光束的干涉光斑的随剪切量变化的具体情况。
如附图2-8所示，简单來说光程差可以写成φ(x，y)＝c0+αy+W(x，y)-W(-x-s)。
第一项来自分束面的影响c0很小，可以忽略。第二项αy来自楔形夹角的影响，W(x，y)是第二折射光波前，W(-x-s)是第一反射光波前。这其中，波前可以分为奇数和偶数分量，如下公式所示:
W(x，y)-W(-x-s)＝Wo(x，y)-Wo(-x-s)+We(x，y)-We(-x-s)
＝Wo(x，y)+Wo(x+s)+We(x，y)-We(x+s)
用泰勒展开剪切波前:由于分束面和剪切量的影响很小，所以我们只需要两个最高阶项，最后光程差变成
具体为:准直入射光的波前可以写成W(x,y)＝c1。c1是一个常数。第一反射光波前由W(x,y)＝c1 x<d变成W(-x-s,y)＝c1x<d时，剪切量是s＝2d.第二折射光波前沒变:d＝-0.2(s＝-0.4)是负的，因为分束立方体朝着-x方向移动。
如附图5所示准直入射光的光程差是平的，不受s影响。其干涉斑纹也是平的，不受剪切量的影响。
在二维中,光程差是(式(1)):
φ(x，y)＝c0+αy
如附图6所示，发散入射光束被分束立方体剪切的例子:
发散入射光的波前是W(x，y)＝W020(x2+y2)。其中W020是强度。
在二维中，光程差是(式(1)):
φ(x，y)＝c0+αy+0.8W020x
这其中，光程差是受到s影响:φ(x，y)＝c0+αy-2sW020x。故发散光束的干涉光斑会随剪切量的变化而旋转。
如附图7所示，干涉光斑与剪切量的关系图看起来像这样，附图7左边(a,b)是准直入射光具有不同剪切量的干涉图，右边(c,d,e)是发散入射光具有不同剪切量的干涉图。
待测光束在分束立方体中的具体光路如图4所示，步骤S1包括：
S11.待测光束被第一入射面和第二入射面折射后分割为第一入射光和第二入射光；
S12.第一入射光和第二入射光分别指向分束面的相对两个表面；第一入射光被分束面折射和反射后分离为第一折射光和第一反射光；第二入射光被分束面折射和反射后分离为第二折射光和第二反射光；
S13.第一折射光与第二反射光交汇在第二出射面后折射至成像设备；第一反射光与第二折射光交汇在第一出射面后折射至成像设备。
本发明采用了由两个直角棱镜组成的分束立方体，即实现对光束的分束并通过分出的具有相位差的光束进行相互干涉形成干涉光斑，有效的简化了现有光路的复杂程度。
如图3所示，步骤S2中改变分束立方体的第一入射面与第二入射面的剪切量具体包括：
S21.沿水平方向平移分束立方体，改变待测光束在第一入射面与第二入射面上的照射面积；
该照射面积的改变即入射面对光束的剪切量的改变。
在其他实施例中，沿垂直方向平移分束立方体可以使待测光束产生相移。使得剪切干涉仪可用于超快光束。
如附图8所示，光程差可以写成φ(x，y)＝c0+αy+W(x，y)-W(-x-s)。我们先忽略W(x，y)-W(-x-s):φ(x，y)＝c0+αy
在分束立方体的某一高度(水平面):干涉光束(第一反射光和第二折射光)经过的长度差异是
AC+CD-(BC+CD)＝AC-BC
因为楔形夹角，在不同水平面BC的长度不一样。可以比AC长，也可以比AC短。所以长度差异必须经过0。当长度差异为0或者小于超快光束的变化时，超快光束就可以被本申请的剪切干涉仪进行表征，或者判断其准直与否。所以，相移可以改变时，剪切干涉仪或者其准直判断方法是可用于超快光束的。
在本申请中个，成形后的分束立方体的楔形夹角是固定的。
在其他实施例中，也可以采用非固定形式使两个直角棱镜构成分束立方体，使得当第一直角棱镜绕垂直于光轴的轴线旋转时可以改变第一侧楞与第二侧楞之间的夹角(楔形夹角)的大小。
如图2b所示，步骤S2中，光轴与分束面平行且具有间距。
实施例2
如图1所示，为了解决上述问题，本申请还提供一种剪切干涉仪，包括分束立方体以及与分束立方体光路连接的成像设备，还包括支撑分束立方体的调控支架；分束立方体包括第一直角棱镜和第二直角棱镜；第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面彼此贴合构成分束面；第一直角棱镜的入光面与其斜面的公共边为第一侧楞，第二直角棱镜的入光面与其斜面的公共边为第二侧楞，第一侧楞与第二侧楞相交构成楔形夹角，分束立方体的姿态三维方向的平移、倾斜等，均由调控支架控制。
具体的，如图2所示，图2(a)为剪切干涉仪的结构示意图。图中的y-楔形角即楔形夹角度是夸大了的示意状态，一般肉眼无法分辨出该角度。图2(b)为准直判断操作中的剪切干涉仪。其虚线表示具有楔形夹角的入射面其横截面在分束立方体的不同高度。图2(C)为剪切干涉仪在最大剪切量和最大允许光束尺寸下操作的示意图。
在优选的实施例中，例如采用30X30X30毫米的分束立方体，其y-楔角(楔形夹角)为40弧秒时，该分束立方体适合的光束直径为5-10毫米。
又例如采用15X15X15毫米分束立方体，y-楔角为80弧秒，则适合的光束直径为2.5-5毫米。
在其他实施例中，也可以用于更小的分束立方体来处理更小直径的光束尺寸，可有效的缩减剪切干涉仪的体积，但是会有使得干涉光斑中的条纹减少。
优选的，调控支架包括姿态调整单元包括三维倾斜模块和三维移动模块；用以调整整个分束立方体的姿态来改变待测光束照射在两个入射面上光照面积比例，以形成对待测光束的不同剪切量的效果。
具体的，在对光速的准直判断操作中，本发明的分束立方体相对于水平面的偏置角度并不是太重要，它只会影响有效的楔角和/或相移。因此，这个偏置角度在操作中始终保持不变时，就不会对光束准直的判断造成任何问题。
优选的，第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面均设置有分束涂层，分束涂层的折射反射比设置为1：1。
如图2b所示，第一直角棱镜的入光面与出光面设置有抗反射涂层；第二直角棱镜的入光面与出光面设置有抗反射涂层。
在使用超快光束时，旋转分束立方体时会把超快光束反射到某倾斜角度，反射出的激光束可能会造成危险。因此，第一、二入射面和第一、二出射面均设置有抗反射涂层以提高剪切操作时的安全系数。
如图2a所示，剪切干涉仪还包括设置在光源与分束立方体的光路之间的滤镜。
优选的，成像设备包括ccd成像器与显示器；显示器与ccd成像器电连接并显示其上的干涉图像。显示器可以更为直观的呈现干涉光斑，有助于准确判断激光光束的准直或发散程度。
本发明的方法实施例中采用分束立方体形成干涉光斑，并通过调节分束立方体不同入射面的剪切量改变相交的光束相位，并通过干涉光斑是否旋转即可判断光斑的准直或发散，有效的简化了判断流程，其相应的装置实施例中个，剪切干涉仪也仅通过一个分束立方体调节相应光路，就很好的简化了仪器的光路结构，使得对激光光束的准直判断更为简单而直观。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光光束准直的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将待测光束的光轴指向分束立方体，所述分束立方体将所述待测光束分割且形成干涉后透射到成像设备，使成像设备采集到干涉光斑；
S2.改变所述分束立方体的第一入射面与第二入射面对所述待测光束的剪切量；
S3.观察所述成像设备中所述干涉光斑是否旋转，若所述干涉光斑不旋转则所述待测光束准直，若所述干涉光斑旋转则所述待测光束发散。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
S11.所述待测光束被所述第一入射面和所述第二入射面折射后分割为第一入射光和第二入射光；
S12.所述第一入射光和所述第二入射光分别指向分束面的相对两个表面；所述第一入射光被分束面折射和反射后分离为第一折射光和第一反射光；所述第二入射光被分束面折射和反射后分离为第二折射光和第二反射光；
S13.所述第一折射光与所述第二反射光交汇在第二出射面后折射至成像设备；所述第一反射光与所述第二折射光交汇在第一出射面后折射至成像设备。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中改变所述分束立方体的第一入射面与第二入射面的剪切量具体包括：
S21.沿水平方向平移所述分束立方体，改变所述待测光束在所述第一入射面与所述第二入射面上的照射面积。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述光轴与所述分束面平行且具有间距。
5.一种剪切干涉仪，包括分束立方体以及与所述分束立方体光路连接的成像设备，其特征在于，还包括支撑所述分束立方体的调控支架；所述分束立方体包括第一直角棱镜和第二直角棱镜；第一直角棱镜的斜面和第二直角棱镜的斜面彼此贴合构成分束面；第一直角棱镜的入光面与其斜面的公共边为第一侧楞，第二直角棱镜的入光面与其斜面的公共边为第二侧楞，所述第一侧楞与所述第二侧楞相交构成楔形夹角，所述分束立方体的姿态由所述调控支架控制。
6.根据权利要求5所述的剪切干涉仪，其特征在于，所述调控支架包括三维倾斜模块和三维移动模块。
7.根据权利要求6所述的剪切干涉仪，其特征在于，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜的斜面之间设置有分束涂层，所述分束涂层的折射反射比设置为1：1。
8.根据权利要求7所述的剪切干涉仪，其特征在于，所述第一直角棱镜的入光面与出光面设置有抗反射涂层；所述第二直角棱镜的入光面与出光面设置有抗反射涂层。
9.根据权利要求8所述的剪切干涉仪，其特征在于，还包括设置在光源与所述分束立方体的光路之间的滤镜。
10.根据权利要求5所述的剪切干涉仪，其特征在于，所述成像设备包括ccd成像器与显示器；所述显示器与所述ccd成像器电连接并显示其上的干涉图像。
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