CN110646171A

CN110646171A - 一种测量光源平行性的方法

Info

Publication number: CN110646171A
Application number: CN201911050909.7A
Authority: CN
Inventors: 张雪鹏; 马俊林; 曾琪峰
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: CN110646171B

Abstract

一种测量光源平行性的方法属于光电测量技术领域，对于具体的测量和计算方法进行优化和改进。该方法包括如下步骤：将待测光源、测量光栅和CCD相机从左至右依次设置在同一光轴上；将测量光栅的图形设置在在CCD相机上；待测光源发出的平行光平行于光轴，照射到测量光栅上，将测量光栅上面的条纹图形垂直投影到CCD相机上；通过CCD相机上的设置图形和测量光栅的投影图形比对，判断待测光源的光线是发散还是汇聚，再通过已知的测量光栅与CCD相机的距离，计算出光线的发散角度或者是汇聚角度。本发明测量更准确，观察更直观，测量精度更高。

Description

一种测量光源平行性的方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种测量光源平行性的方法。

背景技术

在光电测量、光电仪器设备领域，很多时候都会用到平行光照明，有的情况下对于光源的平行性还有着很高的要求，需要测出平行光源的发散或者汇聚的角度，以此判断是否达到设计要求。

现有技术中测量光源平行性有很多方法，包括文献：“光电系统光轴平行性检测方法研究”；专利：一种光轴平行性检测系统及方法(CN201810084572.0)、一种光轴平行性检测系统(CN201820146941.X)、一种检测和评价光源平行性的方法(CN201611224745.1)和一种精确测量光源平行性的方法和装置(CN201510967508.3)等。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种测量光源平行性的方法，对于具体的测量和计算方法进行优化和改进。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种测量光源平行性的方法，测量设备包括：待测光源、测量光栅和CCD相机，该方法包括如下步骤：

步骤一：将待测光源、测量光栅和CCD相机沿光轴依次设置，所述测量光栅的图形为十字形，所述十字形由多个周期条纹组成；

步骤二：在所述CCD相机上设置十字形，所述CCD相机的十字形的宽度与测量光栅的十字形宽度相同，所述CCD相机的十字形的长度和高度大于测量光栅的十字形的长度和高度；

步骤三：待测光源发光照射到测量光栅上，将测量光栅上面的十字形投影到CCD相机上；调整所述测量光栅和CCD相机的位置，使所述CCD相机上设置的十字形的宽度与投影到CCD相机上图像的宽度重合，完成待测光源、测量光栅和CCD相机位置的校准；

步骤四：在CCD相机上，当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向的边缘时，待测光源发出的光为平行光；当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的外部时，判断待测光源的光线是发散的；当测量光栅水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内部时，判断待测光源的光线是汇聚的；根据已知的测量光栅与CCD相机的距离，和通过CCD相机测量到第M个条纹距离所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的距离，计算出光线的发散角度或者是汇聚角度，实现了一种测量光源平行性的方法。

优选的，步骤一所述的周期条纹包括水平周期条纹和竖直周期条纹；两种条纹结构相同，所述水平周期条纹和竖直周期条纹都为明暗相间的周期条纹，黑白比为1:1，暗条纹为封闭的区域，明条纹为透光区域。

优选的，在所述CCD相机前设置一个放大倍率大于1的远心镜头。

优选的，所述步骤四中：在CCD相机上，当测量光栅水平方向有M个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向的边缘内时，待测光源发出的光为平行光；当测量光栅水平方向有M-X个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内时，判断待测光源的光线是发散的；当测量光栅的投影在水平方向有M+X个条纹位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内时，判断待测光源的光线是汇聚的；根据二分之X个条纹的宽度比上已知的测量光栅与CCD相机的距离，得到发散角或者汇聚角的正切值。

优选的，所述发散角为θ＝arctanMtx/2L(M-x)，汇聚角为θ＝arctanMtx/2L(M+x)，其中t为测量光栅条纹的宽度，L为测量光栅与CCD相机的距离。

优选的，所述步骤四中：在CCD相机上，当测量光栅的投影在水平方向的距离为D，且D内有M个条纹时，待测光源发出的光为平行光；当测量光栅的投影在水平方向的距离为D₁，且D₁大于D时，判断待测光源的光线是发散的；当测量光栅的投影在水平方向的距离为D₂，且D₂小于D时，判断待测光源的光线是汇聚的；根据二分之D₁减D的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离，得到发散角的正切值；根据二分之D减D₂的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离，得到汇聚角的正切值。

优选的于，所述发散角为θ＝arctan(D₁-D)/2L，汇聚角为θ＝arctan(D-D₂)/2L，其中L为测量光栅与CCD相机的距离。

优选的，所述步骤四中，水平方向替换成垂直方向。

本发明的有益效果是：本发明提供了优于现有技术的一种测量光源平行性的方法，测量更准确，观察更直观，测量精度更高。不去计算单个周期内投影条纹宽度的变化，而是采用对比和测量多个周期投影的总宽度与CCD相机上的测量线的宽度，再利用几何关系判断光线是发散还是汇聚，并计算出光线发散或者汇聚的角度值。

附图说明

图1本发明一种测量光源平行性的方法原理图；

图2本发明一种测量光源平行性的方法中测量光栅图；

图3本发明一种测量光源平行性的方法中CCD相机图案；

图4本发明一种测量光源平行性的方法中测量光栅在CCD相机投影图。

图中：1、待测光源，2、测量光栅，21、水平周期条纹，211、暗条纹，212、明条纹，22、竖直周期条纹，3、CCD相机，33、十字图形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

一种测量光源平行性的方法，测量设备包括：待测光源1、测量光栅2和CCD相机3，该方法包括如下步骤：

步骤一：如图1所示，将待测光源1、测量光栅2和CCD相机3从左至右依次设置在同一光轴上，如图2所示，所述测量光栅2的图形为十字图形33；所述十字图形包括水平周期条纹21和竖直周期条纹22；两种条纹结构相同，所述水平周期条纹21和竖直周期条纹22都为明暗相间的周期条纹，条纹黑白比为1:1，暗条纹211为封闭的区域，明条纹212为透光区域；在本实施例中，明条纹212和暗条纹211宽度为t，t可根据测量结果精度的设置，每个方向上的条纹个数均为N。

步骤二：将所述测量光栅2的图形设置在所述CCD相机3上。如图3所示，CCD相机3上设置有与测量光栅2匹配的特定图形，包括水平测量线31A、水平测量线31B、竖直测量线32A、竖直测量线32B和十字图形33。水平测量线31A与水平测量线31B平行，两条水平测量线之间的距离小于测量光栅2水平周期条纹21的总长度Nt；竖直测量线32A与竖直测量线32B平行，两条竖直测量线之间距离小于测量光栅2竖直周期条纹22总长度Nt。十字图形33的宽度与测量光栅20条纹高度相同。

步骤三：待测光源1发出的光平行于光轴，照射到测量光栅2上，将测量光栅2上面的条纹图形垂直投影到CCD相机3上；调整所述测量光栅2和CCD相机3的相对位置，使所述CCD相机3上设置的十字图像33的宽度与投影到CCD相机3上图像的宽度重合，完成待测光源1、测量光栅2和CCD相机3位置的校准；

步骤四：在CCD相机3上，当测量光栅2水平方向的第M个条纹的投影位于所述CCD相机3上设置的十字图像33水平方向的边缘时，待测光源1发出的光为平行光；当测量光栅2水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机3上设置的十字图像33水平方向边缘的外部时，判断待测光源1的光线是发散的；当测量光栅2水平方向的第M个条纹的投影在位于所述CCD相机3上设置的十字图像33水平方向边缘的内部时，判断待测光源1的光线是汇聚的；根据已知的测量光栅2与CCD相机3的距离，和通过CCD相机3测量到第M个条纹距离所述CCD相机3上设置的十字形水平方向边缘的距离，计算出光线的发散角度或者是汇聚角度，实现了一种测量光源平行性的方法。

本实施例中，步骤四有两种计算方法，一种为，如图4所示，观察测量光栅2的水平周期条纹21投影到CCD相机3的投影图形，此时如果CCD相机3上的水平测量线31A和水平测量线31B之间的测量光栅2的水平周期条纹21的投影正好为M个条纹，则说明待测光源1的平行性满足该测量方法设计精度要求；如果CCD相机3上的水平测量线31A和水平测量线31B之间之间的测量光栅2的水平周期条纹21的投影条纹为M-x个，则说明待测光源1光束在水平方向上发散，水平周期条纹21的投影条纹变宽，发散角通过几何关系计算为：θ＝arctanMtx/2L(M-x)，其中L为测量光栅2与CCD相机3之间的距离；如果CCD相机3上的水平测量线31A和水平测量线31B之间的测量光栅2的水平周期条纹21的投影条纹为M+x个，则说明待测光源光束在水平方向上汇聚，水平周期条纹21的投影条纹变窄宽，汇聚角通过几何关系计算为：θ＝arctanMtx/2L(M+x)。

待测光源1光束在竖直方向测量方法也完全相同，使用竖直周期条纹22的投影的个数与竖直测量线32A和竖直测量线32B的关系测量计算。

待测光源1的光线平行性的测量精度主要取决于测量光栅2明暗条纹的宽度t和对于单个条纹宽度t的分辨程度。一般来说，通过人眼计算条纹个数多于M或者少于M的个数x，测量精度会高于1/4条纹宽度t；通过图像处理计算，精度会更高。可以在CCD相机3前安装放大倍率＞1的远心镜头，提高对于单个条纹投影宽度t分辨，从而可以使得宽度t的值更小，提高测量精度。

步骤四中的另一种计算方法：观察测量光栅2的水平周期条纹21投影到CCD相机30的十字图形33的长度为D，如果D＝Mt，则说明待测光源1光束在水平方向上平行性满足该测量方法设计精度要求；如果D₁＞Mt，则说明待测光源10光束在水平方向上发散，水平周期条纹21的投影条纹变宽，发散角通过几何关系计算为：θ＝arctan(D₁-D)/2L，其中L为测量光栅2与CCD相机3之间的距离；如果D₂＜Mt，则说明待测光源1光束在水平方向上汇聚，水平周期条纹21的投影条纹变窄，汇聚角通过几何关系计算为θ＝arctan(D-D₂)/2L。

待测光源1光束在竖直方向测量方法也完全相同，使用竖直周期条纹22的长度与竖直测量线32A和竖直测量线32B的关系测量计算。

Claims

1.一种测量光源平行性的方法，测量设备包括：待测光源、测量光栅和CCD相机，其特征在于，该方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法，其特征在于，步骤一所述的周期条纹包括水平周期条纹和竖直周期条纹；两种条纹结构相同，所述水平周期条纹和竖直周期条纹都为明暗相间的周期条纹，黑白比为1:1，暗条纹为封闭的区域，明条纹为透光区域。

3.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法，其特征在于，在所述CCD相机前设置一个放大倍率大于1的远心镜头。

4.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法，其特征在于，所述步骤四中：在CCD相机上，当测量光栅水平方向有M个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向的边缘内时，待测光源发出的光为平行光；当测量光栅水平方向有M-X个条纹的投影位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内时，判断待测光源的光线是发散的；当测量光栅的投影在水平方向有M+X个条纹位于所述CCD相机上设置的十字形水平方向边缘的内时，判断待测光源的光线是汇聚的；根据二分之X个条纹的宽度比上已知的测量光栅与CCD相机的距离，得到发散角或者汇聚角的正切值。

5.根据权利要求5所述的一种测量光源平行性的方法，其特征在于，所述发散角为θ＝arctanMtx/2L(M-x)，汇聚角为θ＝arctanMtx/2L(M+x)，其中t为测量光栅条纹的宽度，L为测量光栅与CCD相机的距离。

6.根据权利要求1所述的一种测量光源平行性的方法，其特征在于，所述步骤四中：在CCD相机上，当测量光栅的投影在水平方向的距离为D，且D内有M个条纹时，待测光源发出的光为平行光；当测量光栅的投影在水平方向的距离为D₁，且D₁大于D时，判断待测光源的光线是发散的；当测量光栅的投影在水平方向的距离为D₂，且D₂小于D时，判断待测光源的光线是汇聚的；根据二分之D₁减D的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离，得到发散角的正切值；根据二分之D减D₂的距离比上已知的测量光栅与CCD相机的距离，得到汇聚角的正切值。

7.根据权利要求5所述的一种测量光源平行性的方法，其特征在于，所述发散角为θ＝arctan(D₁-D)/2L，汇聚角为θ＝arctan(D-D₂)/2L，其中L为测量光栅与CCD相机的距离。

8.根据权利要求1、4或6所述的一种测量光源平行性的方法，其特征在于，所述步骤四中，水平方向替换成垂直方向。