CN111855159A - 大数值孔径激光镜头成像检验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大数值孔径激光镜头成像检验系统，单模单色光源和光纤准直镜构成平行光系统，待测激光镜头沿光轴滑动安装在光纤准直镜和标准物镜之间，用于将入射平行光束聚焦为焦点光斑，且焦点光斑的位置与标准物镜的焦点重合，标准物镜和标准管镜组成共轭成像系统，用于将焦点光斑放大成聚焦光束像并投影到所述面阵CCD元件上，面阵CCD元件的位置与标准管镜的焦点重合，共轭成像系统的放大倍率为10X‑100X，待测激光镜头的数值孔径NA小于等于标准物镜的数值孔径NA。具有操作灵活、可视性强、容易判定和标准化的特点，提升激光光学镜头设计及光学检验的质量和效率，使激光镜头的生产具有更高的生产效率和更规范的检验质量控制。
Description
技术领域
本发明属涉及光学检验技术领域，具体涉及一种大数值孔径激光镜头的成像检验系统。
背景技术
在现代工业生产中，运用激光作为加工手段进行各种材料的切割、焊接、标记等已经非常广泛。随着激光切割过程中要求烧蚀宽度减小和材料损失减少，需要采用数值孔径更大、聚焦光斑更小的激光镜头，才能提升加工效率，减少材料的浪费。而数值孔径更大、聚焦光斑更小的激光镜头，其生产装配精度要求也更高。
高精度镜头的检验，一般采用星点法，即通过观察一个点光源经光学系统后在像面及像面前后不同截面上所成衍射像(通常称为星点像)的形状及光强分布来定性评价光学系统成像好坏的方法。它具有使用设备简单，现象直观，但对操作者的经验要求较高。星点法通常是将一块未经冲洗的黑白照相底片放在盖玻片下，用低倍物镜寻找极微小的透光孔。这类底片上涂布的感光胶膜是不透光的，但在这种胶片上总是有一些比显微镜最小分辨距离更小的小孔，作为理想的点光源。当物镜的焦点对准小孔时可看到明亮的小点，这种小孔可能有多个，且不容易区分，孔的大小也不能确定。另外，激光加工中所用的镜头，属于非成像镜头，通常都是针对某一种特定波长设计的，不考虑色差的影响，而利用星点板的方法检验时，会有色差干扰，影响对镜头光学质量的判定。
发明内容
本发明针对现有星点板检验时小孔尺寸不确定、形状不规则、数量不确定、色差干扰的问题，提出一种光源波长稳定、光束质量高、干涉性好、亮度高的大数值孔径激光镜头成像检验系统，提升激光光学镜头设计及光学检验的质量和效率。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种大数值孔径激光镜头成像检验系统，包括待测激光镜头，还包括依次间隔设置的单模单色光源、光纤准直镜、标准物镜、标准管镜和面阵CCD元件，所述单模单色光源和光纤准直镜构成平行光系统，待测激光镜头沿光轴滑动安装在光纤准直镜和标准物镜之间，用于将入射平行光束聚焦为焦点光斑，且所述焦点光斑的位置与标准物镜的焦点重合，所述标准物镜和标准管镜组成共轭成像系统，用于将焦点光斑放大成聚焦光束像并投影到所述面阵CCD元件上，所述面阵CCD元件的位置与标准管镜的焦点重合，所述共轭成像系统的放大倍率为10X-100X，待测激光镜头的数值孔径NA小于等于标准物镜的数值孔径NA。
作为上述方案的优选，所述光纤准直镜与待测激光镜头之间设置有光阑。
进一步优选为，所述单模单色光源、标准物镜、标准管镜配备有多种规格，能进行换装。
进一步优选为，所述单模单色光源选用光纤芯径小于10um的单模光纤光源，其光束质量因子M2小于1.5。
进一步优选为，所述单模单色光源的波长带宽小于10nm；波长为1064nm，或为多个波长的组合，能切换输出波长。
进一步优选为，所述光纤准直镜的有效焦距为200mm；标准物镜的有效焦距为4mm，标准管镜的有效焦距为200mm，组成放大倍率为50X的共轭成像系统；面阵CCD元件的单元像素尺寸为2um，聚焦光束像的几何尺寸为面阵CCD元件的单元像素尺寸的50倍。
进一步优选为，所述待测激光镜头的数值孔径NA为0.5，标准物镜的数值孔径NA为0.65。
本发明的有益效果：本发明采用具有光源波长稳定、光束质量高、干涉性好、亮度高的单模单色光源，结合平行光系统、共轭成像系统，用于将焦点光斑放大成聚焦光束像并投影到面阵CCD元件上，以适用于大数值孔径激光镜头成像的检验；并在此基础上限定待测镜头的焦点光斑位置与标准物镜的焦点重合，采用滑动安装的待测镜头沿光轴前后微调，检验离焦状态下的光斑形状和能量分布，判定待测镜头光学像差类型；具有操作灵活、可视性强、容易判定和标准化的特点，提升激光光学镜头设计及光学检验的质量和效率，使激光镜头的生产具有更高的生产效率和更规范的检验质量控制。
附图说明
图1为本发明的光学系统原理图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种大数值孔径激光镜头成像检验系统，主要由待测激光镜头1、单模单色光源2、光纤准直镜3、标准物镜4、标准管镜5、面阵CCD元件6组成。
单模单色光源2、光纤准直镜3、标准物镜4、标准管镜5和面阵CCD元件6依次间隔设置，待测激光镜头1、单模单色光源2、光纤准直镜3、标准物镜4、标准管镜5、面阵CCD元件6位于同一光轴上。
单模单色光源2和光纤准直镜3构成平行光系统。单模单色光源2经过光纤准直镜3之后，近似作为平行平面波，入射到待测激光镜头1。
待测激光镜头1沿光轴滑动安装在光纤准直镜3和标准物镜4之间，用于将入射平行光束聚焦为焦点光斑7，且焦点光斑7的位置与标准物镜4的焦点重合。
标准物镜4和标准管镜5组成共轭成像系统，即标准物镜和标准管镜组成显微放大光学系统，将焦点光斑的像进行放大。标准物镜和标准管镜必须配套使用，是显微放大光学系统中必不可少的零部件。
共轭成像系统用于将焦点光斑7放大成聚焦光束像8并投影到面阵CCD元件6上，面阵CCD元件6的位置与标准管镜5的焦点重合，共轭成像系统的放大倍率为10X-100X。共轭成像系统将待测激光镜头1的焦点光斑7放大之后，由面阵CCD元件6显示在计算机上，通过CCD相机及计算机图形处理软件进行显示或测量。
聚焦光束像8的几何尺寸远大于面阵CCD元件6的最小像素尺寸，由共轭成像系统的放大倍率确定。共轭成像系统的放大倍率由标准管镜5和标准物镜4的焦距比值确定。共轭像的放大率在50X倍时，能够将1um焦点光斑放大成50um的焦光束像。
待测激光镜头1的数值孔径NA应小于等于标准物镜4的数值孔径NA，以确保待测激光镜头的空间频率信息不会丢失；否则待测激光镜头的光学像差信息会丢失一部分，从而影响对待测激光镜头光学性能的评价。
最好是，单模单色光源2、标准物镜4、标准管镜5配备有多种规格，能进行换装，以满足不同的测试需求。
最好是，光纤准直镜3与待测激光镜头1之间设置有光阑9，光阑9用于调节控制入射光斑孔径的大小。
最好是，单模单色光源2选用光纤芯径小于10um的单模光纤光源，其光束质量因子M2小于1.5。在长焦距的准直光路系统中，可近似视为理想点光源。
最好是，单模单色光源2的波长带宽小于10nm；波长为1064nm，或为多个波长的组合，例如1064nm、632nm、532nm，能切换输出波长。
优选为，光纤准直镜3的有效焦距为200mm；标准物镜4的有效焦距为4mm，标准管镜5的有效焦距为200mm，组成放大倍率为50X的共轭成像系统。面阵CCD元件6的单元像素尺寸为2um，聚焦光束像8的几何尺寸为面阵CCD元件6的单元像素尺寸的50倍。
优选为，待测激光镜头1的数值孔径NA为0.5，标准物镜4的数值孔径NA为0.65。
单模单色光源用于模拟理想点光源，经过光纤准直镜之后形成准直的平行平面波光束；平行平面波光束入射到待测激光镜头之后，聚焦到极小的焦点光斑并有很大的发散角；标准物镜和标准管镜组成的共轭成像系统，将焦点光斑的像进行放大，并投影到面阵CCD元件上，再由计算机图像处理软件显示和计算焦点光斑的像的大小和能量分布，并由此判定待测激光镜头的光学性能。
Claims (7)
1.一种大数值孔径激光镜头成像检验系统，包括待测激光镜头(1)，其特征在于：还包括依次间隔设置的单模单色光源(2)、光纤准直镜(3)、标准物镜(4)、标准管镜(5)和面阵CCD元件(6)，所述单模单色光源(2)和光纤准直镜(3)构成平行光系统，待测激光镜头(1)沿光轴滑动安装在光纤准直镜(3)和标准物镜(4)之间，用于将入射平行光束聚焦为焦点光斑(7)，且所述焦点光斑(7)的位置与标准物镜(4)的焦点重合，所述标准物镜(4)和标准管镜(5)组成共轭成像系统，用于将焦点光斑(7)放大成聚焦光束像(8)并投影到所述面阵CCD元件(6)上，所述面阵CCD元件(6)的位置与标准管镜(5)的焦点重合，所述共轭成像系统的放大倍率为10X-100X，待测激光镜头(1)的数值孔径NA小于等于标准物镜(4)的数值孔径NA。
2.根据权利要求1所述的大数值孔径激光镜头成像检验系统，其特征在于：所述光纤准直镜(3)与待测激光镜头(1)之间设置有光阑(9)。
3.根据权利要求1所述的大数值孔径激光镜头成像检验系统，其特征在于：所述单模单色光源(2)、标准物镜(4)、标准管镜(5)配备有多种规格，能进行换装。
4.根据权利要求1—3中任一项所述的大数值孔径激光镜头成像检验系统，其特征在于：所述单模单色光源(2)选用光纤芯径小于10um的单模光纤光源，其光束质量因子M2小于1.5。
5.根据权利要求4所述的大数值孔径激光镜头成像检验系统，其特征在于：所述单模单色光源(2)的波长带宽小于10nm；波长为1064nm，或为多个波长的组合，能切换输出波长。
6.根据权利要求1所述的大数值孔径激光镜头成像检验系统，其特征在于：所述光纤准直镜(3)的有效焦距为200mm；标准物镜(4)的有效焦距为4mm，标准管镜(5)的有效焦距为200mm，组成放大倍率为50X的共轭成像系统；面阵CCD元件(6)的单元像素尺寸为2um，聚焦光束像(8)的几何尺寸为面阵CCD元件(6)的单元像素尺寸的50倍。
7.根据权利要求1所述的大数值孔径激光镜头成像检验系统，其特征在于：所述待测激光镜头(1)的数值孔径NA为0.5，标准物镜(4)的数值孔径NA为0.65。
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