CN111780721B - 激光分束器栅线垂直度检测装置及检测方法 - Google Patents

激光分束器栅线垂直度检测装置及检测方法 Download PDF

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Abstract

一种激光分束器栅线垂直度检测装置及检测方法，装置包括激光光源、分束镜、反射镜、缩束器、待检测激光分束器、成像系统和图像探测系统。本发明将激光光源分束成检测光和参考光，两束光共同入射待检测激光分束器，可将栅线垂直度情况转换成两束光各自衍射光束组的倾斜图像。通过比较和计算图像探测系统上两束光各自衍射光束组的相对位置，可实现栅线垂直度的非接触式快速检测，并且可进一步计算该垂直度，为激光分束器的制造修正系统提供参考。

Description

激光分束器栅线垂直度检测装置及检测方法
技术领域
本申请涉及光学器件检测技术领域，更具体地说，涉及一种激光分束器栅线垂直度检测装置和检测方法。
背景技术
激光分束器由于其衍射效率高、尺寸小、分束数量和均匀度可控的特点广泛应用在激光加工、光学检测、光学测量、光通信和光束合束等领域。由于激光分束器衍射光束的偏移会造成激光加工误差大、光学测量检测系统失准、光通信信号接收损耗大以及光束合束效率降低等问题，所以在上述精密装置或系统中对激光分束器衍射光束的指向准确性要求很高。根据标量衍射理论，激光分束器栅线不与其底面垂直(此处以激光分束器底面为基准，垂直度为激光分束器栅线与其底面的角度)会导致衍射光束偏移。而由激光分束器垂直度导致的衍射光束偏移问题难以通过光路调制的方式来解决。因此激光分束器的垂直度是精密系统中重要的性能指标。
目前激光分束器栅线垂直度的主要检测方法是通过传统仪器接触检测。此类方法容易由于直接接触而破坏激光分束器的精密结构，同时人工直接观测垂直度会带来明显的随机误差，并且效率低，不利于大批量检测。同时该检测方式缺乏给垂直度定量的手段，难以给激光分束器的制造修正系统提供最直接的参考。
发明内容
为解决目前技术存在的不足，本发明提出一种激光分束器栅线垂直度检测装置和检测方法，将激光分束器栅线垂直度转换成检测光衍射光束组和参考光衍射光束组之间的偏移，使得激光分束器栅线垂直度可非接触式快速检测。
本发明的技术解决方案如下：
一种激光分束器栅线垂直度检测装置，包括激光光源、分束镜、反射镜、缩束器、待检测激光分束器、成像系统和图像探测系统；
所述的激光光源发射准直的单频激光，光束经过分束镜后被分束成强度相近的检测光和参考光，其中检测光是透射光，参考光被分束镜反射至反射镜，反射镜相对分束镜平行放置，检测光和参考光共同入射到缩束器；沿着光束传输方向依次共光轴放置缩束器、待检测激光分束器、成像系统和图像探测系统；所述的待检测激光分束器的上下表面与上述两光束所构成的平面平行；所述的图像探测系统放置在成像系统的像点位置，并且能够读取光斑位置信息。
所述的激光光源的中心波长在激光分束器工作波长范围内，本装置中所涉及的其他光学元件的工作波长范围包含激光光源的中心波长。
所述的缩束器入端口径大于检测光与参考光之间的距离，缩束器的出端不大于待测激光分束器的尺寸。
所述的成像系统视场角大于待测激光分束器最大衍射角。
所述的检测光衍射光束组和参考光衍射光束组的光强符合图像探测器安全运行要求。
利用上述激光分束器栅线垂直度检测装置检测激光分束器栅线垂直度方法，包括下列步骤：
1)通过图像探测系统(111)分别读取检测光衍射光束组(108)和参考光衍射光束组(109)的绝对坐标；
2)分别在检测光衍射光束组(108)和参考光衍射光束组(109)中选取任意两个衍射光束的坐标点作为计算点，设检测光衍射光束组(108)的两个坐标点为(xT,1，yT,1)和(xT,2，yT,2)，参考光衍射光束组(109)的两个坐标点为(xC,1，yC,1)和(xC,2，yC,2)；
3)基于四个坐标点计算栅线倾斜角β，公式如下：
Figure BDA0002564759090000031
4)计算激光分束器栅线垂直度0.5π-β。
本发明的技术效果如下：
1)非接触式检测，减少对待测激光分束器的损伤；
2)检测装置无需因为更换待测激光分束器而再次校准，可实现快速多次测量；
3)直接量化栅线垂直度，可为激光分束器的制造修正系统提供反馈。
附图说明
图1为本发明激光分束器栅线垂直度检测装置的结构示意图。
101为激光光源；102为分束镜；103为反射镜；104为检测光；105为参考光；106为缩束器；107为待检测激光分束器；108为检测光衍射光束组；109为参考光衍射光束组；110为成像系统；111为图像探测系统。
图2为本发明实施例中图像探测系统所展示图像的示意图。
201为激光分束器栅线；202为检测光衍射光束组光斑；203为参考光衍射光束组光斑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，实施例仅用于解释本发明，不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明激光分束器栅线垂直度检测装置的结构示意图，由图可见，本发明激光分束器栅线垂直度检测装置及检测方法，包括激光光源101、分束镜102、反射镜103、缩束器106、待检测激光分束器107、成像系统110和图像探测系统111。所述的激光光源101发射准直的单频激光，光束经过分束镜102后被分束成强度相近的检测光104和参考光105，其中检测光104是透射光，参考光105被分束镜102反射至反射镜103，反射镜103相对分束镜102平行放置，检测光104和参考光105共同入射到缩束器106；沿着光束传输方向依次共光轴放置缩束器106、待检测激光分束器107、成像系统110和图像探测系统111；所述的待检测激光分束器107的上下表面与上述两光束所构成的平面平行；所述的图像探测系统111放置在成像系统110的像点位置。
在本实施例中，激光光源101发射光束的中心波长等于待测激光分束器107设计波长，并且光束的光谱线宽满足待测激光分束器107的应用要求，装置中的分束镜102、反射镜103、缩束器106、成像系统110和图像探测系统111的工作波长范围均包含上述激光光束的中心波长。
在本实施例中，分束镜102和反射镜103采用45°反射，分束镜102分束比为1：1，分束镜102与反射镜103中心点距离小于缩束镜106入端口径。
在本实施例中，缩束镜106的出端口径小于待测激光分束器107横向尺寸，同时缩束比尽量大以便将检测光104和参考光105之间的距离扩大。
在本实施例中，成像系统110视场角大于待测激光分束器107最大衍射角，同时检测光衍射光束组108和参考光衍射光束组109的光强符合图像探测器111安全运行要求。
在本实施例中，成像系统110采用短焦距，缩小图像探测系统111中的光斑，使光斑位置数据更准确。
在本实施例中，在图像探测系统111中分别读取检测光衍射光束组光斑202和参考光衍射光束组光斑203的绝对坐标，如图2所示；分别在检测光衍射光束组光斑202和参考光衍射光束组光斑203中选取任意两个衍射光束的坐标点作为计算点，假设检测光衍射光束组光斑202的两个坐标点为(xT,1，yT,1)和(xT,2，yT,2)，参考光衍射光束组光斑203的两个坐标点为(xC,1，yC,1)和(xC,2，yC,2)，根据标量衍射理论，检测光衍射光束组光斑202坐标(xT，yT)和参考光衍射光束组光斑203坐标(xC，yC)分别为：
Figure BDA0002564759090000051
Figure BDA0002564759090000052
其中j和n是衍射级次，z是传输距离，β是栅线倾斜角，λ是工作波长，Λ是激光分束器栅线201的周期，xT,i和yT,i是检测光104的坐标，xC,i和yC,i是检测光105的坐标，x0和y0是坐标系原点在图像探测系统111中的绝对坐标；因此上述选取的四个坐标点存在以下关系：
Figure BDA0002564759090000061
逆用该关系式可计算栅线倾斜角：
Figure BDA0002564759090000062
最后计算激光分束器栅线垂直度，为0.5π-β。
以上所述，对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见，这些都属于本发明技术方案的范围，因此本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种激光分束器栅线垂直度检测装置，其特征在于，包括激光光源(101)、分束镜(102)、反射镜(103)、缩束器(106)、成像系统(110)和图像探测系统(111)；
所述的激光光源(101)发射准直的单频激光，经所述的分束镜(102)分束成强度相近的透射光(104)和反射光(105)，所述的透射光作为检测光入射到缩束器(106)，所述的反射光作为参考光，经反射镜(103)反射后，入射到缩束器(106)；
沿缩束器(106)的输出光传播方向同光轴依次放置待检测激光分束器(107)、成像系统(110)和图像探测系统(111)；所述的待检测激光分束器(107)的表面与所述的参考光和检测光所构成的平面平行；所述的图像探测系统(111)放置在成像系统(110)的像点位置。
2.根据权利要求1所述的激光分束器栅线垂直度检测装置，其特征在于所述的图像探测系统(111)用于读取光斑位置信息。
3.利用权利要求1所述的激光分束器栅线垂直度检测装置检测激光分束器栅线垂直度方法，其特征在于包括下列步骤：
1)通过图像探测系统(111)分别读取检测光衍射光束组(108)和参考光衍射光束组(109)的绝对坐标；
2)分别在检测光衍射光束组(108)和参考光衍射光束组(109)中选取任意两个衍射光束的坐标点作为计算点，设检测光衍射光束组(108)的两个坐标点为(xT,1，yT,1)和(xT,2，yT,2)，参考光衍射光束组(109)的两个坐标点为(xC,1，yC,1)和(xC,2，yC,2)；
3)基于四个坐标点计算栅线倾斜角β，公式如下：
Figure FDA0002564759080000021
4)计算激光分束器栅线垂直度0.5π-β。
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