CN111220095A - 一种用于高精度检测发散光束光轴垂直度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于高精度检测发散光束光轴垂直度的装置及方法，所述装置包括安装底座(1)，在所述安装底座(1)上设置有安装支架(2)，在所述安装支架(2)上设置有透光片(3)，在所述透光片(3)下方设置有反射镜(4)，所述反射镜(4)与所述透光片(3)相对，并且，所述反射镜(4)与所述透光片(3)平行，在所述反射镜(4)旁侧设置有相机(5)，所述装置还包括用于数据处理的处理器(6)，本申请提供的方法根据光的透射以及反射原理，利用发散光束由透射以及反射在透光片上所形成两个光斑的中心距来检测所述发散光束的光轴垂直度，使检测装置的设置达到最简化，检测结果的精度最优。

Description

一种用于高精度检测发散光束光轴垂直度的方法及装置

技术领域

本申请属于光学检测领域，特别涉及一种用于高精度检测发散光束光轴垂直度的方法及装置。

背景技术

随着光学技术的发展，越来越多的光学系统被用于高精密光学检测设备，例如，生物医学成像设备，实验室精密检测仪器等。

精密光学检测设备中通常设置有用于放大成像的光学系统，在所述光学系统中，一般设置有用于使光束聚焦的聚焦透镜，由样品发射出的光线经过聚焦透镜相交于所述聚焦透镜的焦点，形成先聚焦后发散的光束，为方便描述，以下简称为发散光束。在光学系统精密调节过程中往往要求所述发散光束的光轴垂直于所述精密光学检测设备的安装面，所述安装面用于安装所述精密光学检测设备中其它光学元件的平面，但是目前难以检测所述发散光束的光轴垂直度，即，所述发散光束与所述安装面法线之间夹角的角度。

发明内容

为检测发散光束光轴垂直度的精度更高，测量结果更准确，本申请根据光的透射以及反射原理，利用发散光束由透射以及反射在透光片上所形成两个光斑的中心距来检测所述发散光束的光轴垂直度。

具体地，本申请提供以下几个方面：

第一方面，本申请提供一种用于高精度检测发散光束光轴垂直度的装置，所述装置包括安装底座1，在所述安装底座1上设置有安装支架2，在所述安装支架2上设置有用于调节发散光束透过率的透光片3，在所述透光片3下方设置有用于反射所述发散光束的反射镜4，所述反射镜4与所述透光片3相对，并且，所述反射镜4与所述透光片3平行，在所述反射镜4旁侧设置有用于采集光束所形成光斑信息的相机5，所述装置还包括用于数据处理的处理器6。

本申请提供的装置利用光的反射原理，根据发散光束在透射以及反射过程中在所述透光片上形成的光斑来捕捉所述发散光束光轴与安装面之间的夹角，所述装置结构简单，适用范围广泛，能够应用于多种光学成像系统，而且检测精度高，即，检测限低。

在一种可实现的方式中，所述透光片3的透过率可调。从而可以根据不同发散光束的光强来调节透光片3的透过率，使得透射光以及反射光均能够在所述透光片3的下表面形成清晰的光斑。

在一种可实现的方式中，所述透光片3与所述反射镜4之间的距离可根据光轴垂直度的目标检测精度以及相机镜头系统的检测精度设定。所述透光片3与所述反射镜4之间的距离越大，同一束发散在所述透光片下表面所形成的透射光斑与反射光斑之间的中心距越大，因此能够降低检测误差，从而检测精度越高。

在一种可实现的方式中，所述相机5前端设置有相机镜头7，所述相机镜头7设置于所述透光片3与所述反射镜4之间，所述相机镜头7与透光片3之间的夹角α满足下式(3)：

其中，WD表示相机镜头7的工作距离；

R表示相机镜头7的直径；

L表示相机镜头7左侧边缘水平高度处的光斑半径。

第二方面，本申请还提供一种使用前述装置检测发散光束光轴垂直度的方法，所述方法包括：采集发散光束在透光片下表面形成的透射光斑图像；采集发散光束在透光片下表面形成的反射光斑图像；根据所述透射光斑图像以及所述反射光斑图像生成两光斑的中心距；根据所述两光斑的中心距生成发散光束的光轴垂直度。

本申请提供的检测方法利用光的反射将发散光束的光轴偏转呈现于透光片的下表面，通过透射光斑图像以及反射光斑图像准确地采集两个光斑的中心距，由于两个光斑的中心距与所述发散光束的光轴垂直度存在定量关系，因此，根据两个光斑的中心距能够高精度地确定所述发散光束的光轴垂直度。

其中，对于光强不同的发散光束，调节所述透光片的透过率不同。在本申请中，可以调节所述透光片的透过率使得光强不同的发散光束都能够既形成清晰的透射光斑又形成清晰的反射光斑。

在一种可实现的方式中，采集发散光束在透光片下表面形成的透射光斑图像使用第一曝光时间，采集发散光束在透光片下表面形成的反射光斑图像使用第二曝光时间，其中，第一曝光时间小于第二曝光时间，从而使相机能够采集到清晰的透射光斑和清晰的反射光斑。

在另一种可实现的方式中，根据所述透射光斑图像以及所述反射光斑图像生成两光斑的中心距包括：根据所述透射光斑的图像确定所述透射光斑的几何中心；根据所述反射光斑的图像确定所述反射光斑的几何中心；根据所述透射光斑的几何中心以及所述反射光斑的几何中心测量所述两光斑的中心距，所述两光斑的中心距为所述透射光斑几何中心与所述反射光斑几何中心之间的距离。由于相机与所述发散光束的光轴存在一定的角度，所以相机所采集到的光斑可能不是正圆形光斑，因此，在采集两光斑的中心距过程中，可以取光斑的几何中心作为该光斑的中心点。

在另一种可实现的方式中，根据所述两光斑的中心距生成发散光束的光轴垂直度具体根据以下式(13)进行计算：

其中，Δθ表示发散光束的光轴与安装面法线之间夹角；

ΔL表示两光斑的中心距；

H表示透光片与反射镜之间的距离。

与传统方案相比，本申请提供的装置和方法利用光的反射，将难以检测的光轴偏差反馈至透光片的下表面，以光斑中心距的形式呈现，并且，由于两个光斑呈现于同一个表面，两个光斑的中心距可测且准确，从而，检测装置的设置达到最简化，检测结果的精度最优。

附图说明

图1示出一种发散光束的光路图；

图2示出本申请提供的检测装置的结构示意图；

图3示出本申请提供的装置在检测发散光束光轴垂直度过程中的光路示意图；

图4示出本实施例所述方法的流程图。

附图标记说明

1-安装底座，2-安装支架，21-支架梁，22-支架顶板，3-透光片，4-反射镜，5-相机，6-处理器，7-相机镜头。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

首先要说明的是，在本申请中，所述发散光束即为非平行光束，即，平行光经过聚焦透镜后先汇聚后发散，最终以发散形式在光路中传播的光束。图1示出一种发散光束的光路图，所述发散光束可以如图1所示，经过聚焦透镜后以发散的形式继续传播。

在本实施例中，由光学系统传播而来的光束为前述发散光束，即，透光片上的入射光束为前述发散光束。

下面通过具体的实施例对本申请提供的用于高精度检测发散光束光轴垂直度的装置之结构以及工作原理进行详细阐述。

图2示出本申请提供的检测装置的结构示意图，如图2所示，所述检测装置包括安装底座1，在所述安装底座1上设置有安装支架2。

在本实施例中，所述安装支架2用于固定透光片3以及待检测光学设备。如图2所示，所述安装支架2包括支架梁21和支架顶板22，可利用如内调教望远镜等校准器件调节使得所述安装支架2与所述安装底座1平行，进一步使得安装于所述支架顶板22上的透光片3以及设置于所述安装底座1上的反射镜4平行，从而检测所述发散光束的光轴垂直度。

在本实施例中，在所述安装支架2上设置有用于调节发散光束透过率的透光片3，所述透光片3可以为一种具有某透光率的光学玻璃。所述发散光束可通过透光片3透射至反射镜4上，并且在所述透光片3上形成透射光斑。

进一步地，所述透光片3的透过率可调，所述透光片3的透过率可以根据不同发散光束的光强来调节，使得发散光束中既有部分光束在透光片3下表面形成清晰的透射光斑，又有部分光束透过透光片3到达下面的反射镜4，经过反射镜4反射后在所述透光片下表面形成清晰的反射光斑。如果所述透光片3的透过率过大，则所述发散光束中大部分光线透射至反射镜4，仅有少量光能够在透光片3上形成透射光斑，而且，由反射镜反射至所述透光片3上的反射光也会由透光片3透射出去，仅有少量反射光在所述透光片3上形成反射光斑，从而导致透射光斑与反射光斑均不清晰，无法良好成像；如果透光片3的透射率过小，则所述发散光束中仅有少量光线透射至反射镜4，再经反射后的反射光线强度更为减弱，从而造成反射光斑不清晰。

在本实施例中，在所述透光片3下方设置有用于反射所述发散光束的反射镜4，所述反射镜4与所述透光片3相对，并且，所述反射镜4与所述透光片3平行，从而，如果发散光束光轴垂直度为0°，则透射光斑与反射光斑的中心距为0，极大降低计算复杂度，减小系统误差，提高检测精度。

在一种可实现的方式中，所述透光片3与所述反射镜4之间的距离可根据光轴垂直度的目标检测精度以及相机镜头系统的检测精度而设定。

具体地，本实施例中，由于发散光束的光轴垂直度可根据下式(1’)确定：

ΔL＝2×H×tanΔθ 式(1’)

其中，Δθ表示发散光束的光轴与安装面法线之间夹角；

ΔL表示透射光斑与反射光斑之间的中心距；

H表示透光片与反射镜之间的距离。

由上式可知，如果确定光轴垂直度的目标检测精度为Δθ，则可以确定H与ΔL的数量关系，由于一般相机镜头系统的检测精度为亚微米级别，即，能够检测到的最小距离为亚微米，因此，可以根据光轴垂直度的目标检测精度以及相机镜头系统的检测精度来确定H的大小。

进一步地，本申请人发现，所述透光片3与所述反射镜4之间的距离越大，同一束发散在所述透光片下表面所形成反射光斑的直径越大，而且透射光斑与反射光斑之间的中心距越大，因此，增加所述透光片3与所述反射镜4之间的距离能够降低检测误差，从而检测精度越高。但是，所述透光片3与所述反射镜4之间的距离越大又会造成反射光强度越小，而且，反射光斑也越大，这会给采集反射光斑带来不便，而根据光轴垂直度的目标检测精度以及相机镜头系统的检测精度确定的H既能够保证较低的检测误差，又能够保证反射光斑大小适中，因此，本实施例中所述透光片3与所述反射镜4之间的距离可以根据光轴垂直度的目标检测精度以及相机镜头系统的检测精度而设定。

在本实施例中，在所述反射镜4旁侧设置有用于采集光束所形成光斑信息的相机5，所述相机包括用于记录图像的相机主机，所述相机5前端设置有用于采集图像的相机镜头7，所述相机镜头7设置于所述透光片3与所述反射镜4之间。对于相机镜头7以及相机5的位置主要考虑以下几个方面：

1)相机镜头7以及相机5需要避免遮挡反射光斑的光路；

2)相机镜头7与透光片3之间的夹角α尽量小以减小由于图像透视而引起的误差；

3)在能够完整对透射光斑以及反射光斑成像的条件下，使用较大放大倍率的镜头以提高检测精度。

图3示出本申请提供的装置在检测发散光束光轴垂直度过程中的光路示意图，如图3所示，相机镜头(7)左侧边缘水平边缘与发散光束光轴之间的距离D’如下式(1)所示：

其中，WD表示相机镜头7的工作距离；

R表示相机镜头7的直径；

α表示相机镜头7光轴与透光片3之间的夹角。

首先，为避免相机镜头7以及相机5遮挡反射光斑的光路，相机镜头7左侧边缘水平边缘与发散光束光轴之间的距离D’与相机镜头7左侧边缘水平高度处反射光斑的半径L满足下式(2)：

D’≥L 式(2)

即，所述相机镜头(7)与透光片(3)之间的夹角α满足下式(3)：

其中，WD表示相机镜头7的工作距离；

R表示相机镜头7的直径；

L表示相机镜头7左侧边缘水平高度处反射光斑的半径。

在本实施例中，相机镜头7左侧边缘水平高度处反射光斑的半径L可以根据以下方法获取：

如图1所示，设待检测设备中聚焦透镜的焦距为f，透射于所述聚焦透镜的平行光的光斑半径为h，所述发散光束的发散角为U′，则，发散光束的发散角满足下式(4)：

再设距离聚焦透镜中心距离x处的光斑直径为D，则D满足下式(5)：

D≈2×|x-f|×tanU′ 式(5)

则，如图3所示，相机镜头(7)左侧边缘水平高度处反射光斑的半径L如下式(6)所示：

L＝tanU′×{H₁+H+[H-(WD+R/2×cot(α))×sin(α)]} 式(6)

其中，H₁表示聚焦透镜中心与透光片之间的距离；

H表示相机镜头7左侧边缘与所述透光片3之间的垂直距离；

WD表示相机镜头7的工作距离；

R表示相机镜头7的直径；

α表示相机镜头光轴与透光片之间的夹角。

将式(6)代入式(3)则可以得到相机镜头与透光片之间的最大夹角α_max。

其次，设相机靶面(即相机中用于成像的芯片)短边的宽为m，对于该相机视场，考虑到安装空间的限制，以及视场应大于等于所述透光片(3)上的反射光斑直径D₂，以最短边(即，相机靶面短边)计算，满足下式(7)：

其中，β表示所述相机镜头的放大倍率。

设透射光斑与反射光斑之间的圆心距为ΔL，则透射光斑与反射光斑之间的圆心距ΔL在相机芯片上成像的像高如下式(8)所示：

ΔL′＝ΔL×β 式(8)

将式(8)代入式(7)，得到下式(9)：

在本实施例中，可以根据不同焦距的相机镜头在不同的工作距离WD下成像的像高ΔL′以及在此条件下相机镜头与透光片之间的夹角α进行镜头的选型，即，选择何种特征如镜头焦距、工作距离WD、镜头半径R的镜头。

以下提供一例具体相机镜头选型实例，相机镜头的选型可以根据具体的光学系统空间给出，但是并不限制于使用该相机镜头。

装调相机型号：BFLY-PGE-50S5M；

像元尺寸：3.45μm；

镜头型号：HF2514V(mytron)；

镜头焦距：25mm；

镜头工作距离：150mm。

当相机镜头工作距离为150mm，反射镜与透光片间距离H＝300mm时，在所述发散光束光轴不同偏转角度下，透射光斑与反射光斑的中心距的像高及像元数如下表1所示：

表1

由表1可知，选用上述相机镜头采集光斑图像，当所述发散光束光轴偏转0.02°，两光斑中距图像上即可呈现约0.2mm的中心距的像，像元数能够达到12个，使得图像处理设备能够准确检出。

进一步地，所述装置还包括用于数据处理的处理器6。所述处理器6与前述各部件电联接，可以接收由各部件发送来的信息，并根据所接收到的信息进行处理，再根据处理结果向各部件发送指示或者提供检测结果。

本申请提供的装置利用光的反射原理，根据发散光束在透射以及反射过程中在所述透光片上形成的光斑来捕捉所述发散光束光轴与安装面之间的夹角，所述装置结构简单，适用范围广泛，能够应用于多种光学成像系统，而且检测精度高，即，检测限低。

本申请还提供一种使用前述装置检测发散光束光轴垂直度的方法，图4示出本实施例所述方法的流程图，如图4所示，所述方法包括：

S101，采集发散光束在透光片下表面形成的透射光斑图像。

在本实施例中，对于光强不同的发散光束，调节所述透光片的透过率不同。

对于光强不同的发散光束，可以调节所述透光片的透过率使得光强不同的发散光束都能够既形成清晰的透射光斑又形成清晰的反射光斑。

S102，采集发散光束在透光片下表面形成的反射光斑图像。

在本实施例中，采集发散光束在透光片下表面形成的透射光斑图像使用第一曝光时间，采集发散光束在透光片下表面形成的反射光斑图像使用第二曝光时间，其中，第一曝光时间小于第二曝光时间，从而使相机能够采集到清晰的透射光斑和清晰的反射光斑。

所述发散光束经过透光片后在透光片的下表面形成透射光斑，所述透射光斑直径为D1，并于所述反射镜反射后在透光片的下表面形成反射光斑，所述反射光斑直径为D2。

由于经过反射镜的光斑2光强明显小于光斑1的强度，采用较小的曝光时间(即，第一曝光时间)对透射光斑进行成像，再以较长的曝光时间(即，第二曝光时间)对反射光斑进行成像。

由于透射光斑的光强大，如果采用第二曝光时间成像会造成过曝光，导致透射光斑图像的边缘不清晰；而反射光斑的光强小，如果采用第一曝光时间成像会造成曝光不充分，导致反射光斑图像发暗，不清晰。因此，本实施例选择采用前述曝光方式采集两个光斑的图像。

进一步地，本实施例在分别采集两个光斑的图像后，将清晰的光斑拟合于同一张图像中，以便后续采集中心距使用。

S103，根据所述透射光斑图像以及所述反射光斑图像生成两光斑的中心距。

如图1和图3所示，设用来对光斑成像的相机镜头焦距为f₀、镜头工作距离为WD，则相机与镜头所形成的图像采集系统的放大倍率如下式(10)所示：

将式(8)代入式(10)，即，设透射光斑与反射光斑的中心距为ΔL，则ΔL在光斑图像上所成像的像高如下式(11)所示：

在本实施例中，根据所述透射光斑图像以及所述反射光斑图像生成两光斑的中心距包括：根据所述透射光斑的图像确定所述透射光斑的几何中心；根据所述反射光斑的图像确定所述反射光斑的几何中心；根据所述透射光斑的几何中心以及所述反射光斑的几何中心测量所述两光斑的中心距，所述两光斑的中心距为所述透射光斑几何中心与所述反射光斑几何中心之间的距离。

由于相机与所述发散光束的光轴存在一定的角度，所以相机所采集到的光斑可能不是正圆形光斑，因此，在采集两光斑的中心距过程中，可以取光斑的几何中心作为该光斑的中心点。

S104，根据所述两光斑的中心距生成发散光束的光轴垂直度。

如图3所示，设透光片到反射镜之间的距离为H，则，如果光轴偏转不同角度Δθ，可以得出透射光斑与反射光斑的中心偏移距离(即，中心距)ΔL如下式(12)所示：

ΔL＝2×H×tanΔθ 式(12)

因此，根据所述两光斑的中心距生成发散光束的光轴垂直度具体根据以下式(13)进行计算：

其中，Δθ表示发散光束的光轴与安装面法线之间夹角；

ΔL表示两光斑的中心距；

H表示透光片与反射镜之间的距离。

下表2以一个透光片与反射镜的距离H＝300mm的具体实例说明ΔL与Δθ的关系：

表2

Δθ(°)	ΔL(mm)
		0.01	0.105
0.02	0.209
		0.03	0.314
0.04	0.419
		0.05	0.524

进一步地，可以根据前述方法检测所得的发散光束光轴垂直度调节所述发散光束，直至所述发散光束的光轴垂直度为0°。

本申请提供的检测方法利用光的反射将发散光束的光轴偏转呈现于透光片的下表面，通过透射光斑图像以及反射光斑图像准确地采集两个光斑的中心距，由于两个光斑的中心距与所述发散光束的光轴垂直度存在定量关系，因此，根据两个光斑的中心距能够高精度地确定所述发散光束的光轴垂直度。并且，本申请提供的方法能够将发散光束光轴垂直度的微小偏差通过透射光斑以及反射光斑来放大呈现，从而有效提高光轴垂直度的检测精度，例如，当ΔL'小于等于40μm时(即像元距离数≤6时)，光轴垂直度的检测误差精度可以控制在0.02°以内。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种用于高精度检测发散光束光轴垂直度的装置，其特征在于，所述装置包括安装底座(1)，在所述安装底座(1)上设置有安装支架(2)，

在所述安装支架(2)上设置有用于调节发散光束透过率的透光片(3)，

在所述透光片(3)下方设置有用于反射所述发散光束的反射镜(4)，所述反射镜(4)与所述透光片(3)相对，并且，所述反射镜(4)与所述透光片(3)平行，

在所述反射镜(4)旁侧设置有用于采集光束所形成光斑信息的相机(5)，

所述装置还包括用于数据处理的处理器(6)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透光片(3)的透过率可调。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述透光片(3)与所述反射镜(4)之间的距离根据光轴垂直度的目标检测精度以及相机镜头系统的检测精度设定。

4.根据权利要求1至3任一项所述的装置，其特征在于，所述相机(5)前端设置有相机镜头(7)，所述相机镜头(7)设置于所述透光片(3)与所述反射镜(4)之间，所述相机镜头(7)与透光片(3)之间的夹角α满足下式(3)：

其中，WD表示相机镜头(7)的工作距离；

R表示相机镜头(7)的直径；

L表示相机镜头(7)左侧边缘水平高度处的光斑半径。

5.一种使用权利要求1至4任一项所述装置检测发散光束光轴垂直度的方法，其特征在于，所述方法包括：

采集发散光束在透光片下表面形成的透射光斑图像；

采集发散光束在透光片下表面形成的反射光斑图像；

根据所述透射光斑图像以及所述反射光斑图像生成两光斑的中心距；

根据所述两光斑的中心距生成发散光束的光轴垂直度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于光强不同的发散光束，调节所述透光片的透过率不同。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，采集发散光束在透光片下表面形成的透射光斑图像使用第一曝光时间，采集发散光束在透光片下表面形成的反射光斑图像使用第二曝光时间，其中，第一曝光时间小于第二曝光时间。

8.根据权利要求5至7任一项所述的方法，其特征在于，根据所述透射光斑图像以及所述反射光斑图像生成两光斑的中心距包括：

根据所述透射光斑的图像确定所述透射光斑的几何中心；

根据所述反射光斑的图像确定所述反射光斑的几何中心；

根据所述透射光斑的几何中心以及所述反射光斑的几何中心测量所述两光斑的中心距，所述两光斑的中心距为所述透射光斑几何中心与所述反射光斑几何中心之间的距离。

9.根据权利要求5至8任一项所述的方法，其特征在于，根据所述两光斑的中心距生成发散光束的光轴垂直度具体根据以下式(13)进行计算：

其中，Δθ表示发散光束的光轴与安装面法线之间夹角；

ΔL表示两光斑的中心距；

H表示透光片与反射镜之间的距离。

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