CN113125125A - 光学系统线性测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学系统线性测量装置，包括：光源，发射出光束；遮光组件，包括遮光片，所述遮光片围绕自身以外的转轴转动，所述遮光片适于在转动过程中使所述光束在通过状态和遮挡状态之间切换；在所述通过状态，所述遮光片不影响所述光束通过；在所述遮挡状态，所述遮光片至少部分遮挡所述光束通过。通过调整遮光片遮挡光束的比例，可以使光束以预定的比例分别到达光学系统。通过获取不同接收状态下光学系统的读数，进而计算光学系统的线性水平。遮光片的结构简单，对光束的干扰较小，可以应用于光斑较小或者光束能量较低的情况，拓展了光学系统线性测量的覆盖范围。

Description

光学系统线性测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光电测量技术领域，特别是涉及一种光学系统线性测量装置及方法。

背景技术

线性是光学系统的基本性质之一，光学系统的线性主要取决于探测器的线性。当光学系统的响应度恒定时，光学系统的响应度不随入射光功率的变化而变化，此时光学系统是线性的，任何入射光功率变化引起的响应度变化都被认为是非线性的。线性测量是光辐射度学研究和光电传感器性能评估不可缺少的环节之一。多数光学系统和测量系统都存在线性问题，一般情况下对一个探测器或者测量系统的定标只能在有限点进行，对于定标点以外的大部分测量区域只能靠探测器或者测量系统的线性来推算。使用时，根据不同的入射光能量与对应的响应度之间的关系来评价光学系统的线性优劣。

现有技术中，线性测量一般基于线性叠加法的原理，常用的有双光阑法和双光路法。前者将光束直接照射到双光阑上，通过控制双光阑的开闭来进行线性测量，但是光阑中间存在一限位杆，在光斑较小的情况下，测量存在一定的难度，故一般只适用于光斑直径大于8mm以上的情况，无法测量使用激光作为光源的光学系统的线性。后者通过分束镜与反射镜的配合将光分为两路，分别照射在探测器的表面，光束经过分束镜和反射镜后，光束的能量会有一定的损失，在光束能量较低时，对于线性的测量变得十分困难。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种光学系统线性测量装置，采用遮光片遮挡光束，以叠加的方式对光学系统的线性进行测量，遮光片的干扰较小，可以适用于任何光斑大小和入射光能量(fW到W量级)的情况，拓展了光学系统线性测量的覆盖范围。

与此同时，本发明实施例还提供一种光学系统线性测量方法。

根据本发明第一方面实施例提供的光学系统线性测量装置，包括：

光源，发射出光束；

遮光组件，包括遮光片，所述遮光片围绕自身以外的转轴转动，所述遮光片适于在转动过程中使所述光束在通过状态和遮挡状态之间切换；

在所述通过状态，所述遮光片不影响所述光束通过；

在所述遮挡状态，所述遮光片至少部分遮挡所述光束通过。

根据本发明的一个实施例，所述遮光组件包括平行设置于所述光束一侧的转台以及垂直连接于所述转台的所述遮光片，所述转轴为所述转台的转动中心。

根据本发明的一个实施例，所述光束与所述转台的转动中心相对应。

根据本发明的一个实施例，所述光源与所述遮光组件之间的光束传输路径上设置有光强调节组件。

根据本发明的一个实施例，所述光强调节组件包括沿所述光束传输路径顺次设置的第一偏振片和第二偏振片。

根据本发明第二方面实施例提供的光学系统线性测量方法，包括以下步骤：

依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数；

根据所述读数以及预定算法计算所述光学系统的线性水平。

根据本发明的一个实施例，所述依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数包括：

依次将所述遮光片转动至平行于光束的第一位置、遮挡部分所述光束的第二位置、遮挡其余部分所述光束的第三位置、与所述第一位置对称的第四位置、所述第三位置、所述第二位置、所述第一位置以及位于所述第二位置与所述第三位置之间且垂直于所述光束的第五位置；

分别获取所述光学系统的读数：S11、S21、S31、S41、S32、S22、S12、S51。

根据本发明的一个实施例，所述预定算法为：

其中，I为探测器的线性水平。

根据本发明的一个实施例，所述第二位置与所述第三位置对称设置。

根据本发明的一个实施例，所述依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数之前还包括：

调整光束的入射强度。

本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

光学系统线性测量装置包括发射光束的光源以及遮光组件，遮光组件包括围绕转轴转动的遮光片，遮光片在转动的过程中可以使光束在通过状态和遮挡状态之间切换。在通过状态下，光束可以不受影响地到达光学系统。在遮挡状态下，遮光片至少部分遮挡到达光学系统的光束。通过调整遮光片遮挡光束的比例，可以使光束以预定的比例分别到达光学系统。通过获取不同接收状态下光学系统的读数，进而计算光学系统的线性水平。遮光片的结构简单，对光束的干扰较小，可以应用于光斑较小或者光束能量较低的情况，拓展了光学系统线性测量的覆盖范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的光学系统线性测量装置的示意性结构图；

图2为本发明实施例提供的光学系统线性测量方法的工作流程图一；

图3为本发明实施例提供的光学系统线性测量方法的工作流程图二；

图4为本发明实施例提供的光学系统线性测量方法的工作流程图三。

附图标记：

1、光源；2、遮光组件；21、遮光片；22、转台；3、光强调节组件；31、第一偏振片；32、第二偏振片；4、光学系统；a、第一位置；b、第二位置；c、第三位置；d、第四位置；e、第五位置。

具体实施方式

为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，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，都属于发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

现有技术中，线性测量一般基于线性叠加法的原理，常用的有双光阑法和双光路法。前者将光束直接照射到双光阑上，通过控制双光阑的开闭来进行线性测量，但是光阑中间存在一限位杆，在光斑较小的情况下，测量存在一定的难度。后者通过分束镜与反射镜的配合将光分为两路，分别照射在光学系统的表面。光束经过分束镜和反射镜后，光束的能量会有一定的损失，在光束能量较低时，对于线性的测量变得十分困难。

本发明提供了一种光学系统线性测量装置，请参阅图1至图4，包括光源1和遮光组件2，光学系统以光学探测器为例。

光源1发射出光束，光束照射在待测的光学系统4上。光束的光功率具有一定的稳定性，当光束照射在光学系统4上后，光学系统4根据光功率的大小显示一定的读数。

根据本发明的一个实施例，光源1采用激光光源。激光光源发射的光束均匀且集中，而且光束的光功率容易控制，有利于提升光学系统线性测量装置的精确性。

光源1和待测的光学系统4之间设置有遮光组件2，遮光组件2设置在光束传输路径上，遮光组件2可以遮挡光束或者完整通过光束，使光束以预定的比例进入光学系统4。

根据本发明的一个实施例，遮光组件2包括遮光片21，遮光片21围绕自身以外的转轴转动。遮光片21在转动过程中，使光束在通过状态和遮挡状态之间切换。

在通过状态下，遮光片21不影响光束到达光学系统4，光学系统4接收完整光束，根据接收到的光功率显示读数。

在遮挡状态下，遮光片21至少部分遮挡光束，光学系统4接收未被遮挡的部分光束，根据接收到的光功率显示读数。遮光片21可以使光束按照预定的比例到达光学系统4，不同比例的光束叠加后形成完整光束。通过读取光学系统4在部分光束与完整光束下的响应度，可以计算光学系统4的线性水平。

需要说明的是，遮光片21在遮挡状态下对光束进行遮挡，在通过状态下尽量避免对光束的干扰。

遮光片21围绕转轴转动，转轴连接于精密控制的传动机构，可以精确控制遮光片的转动角度和位置，进而精确控制光束的遮挡或者通过比例。

根据本发明的一个实施例，遮光组件2包括转台22，转台22平行设置在光束的一侧，遮光片21垂直连接于转台22，转轴位于转台22的转动中心的位置。

使用时，转台22围绕转轴转动，遮光片21随着转台22运动，遮光片21可以远离或者靠近光束的位置。转动一定角度时，遮光片21平行于光束，对光束的传输不产生影响。继续转动时，遮光片21与光束交叉，部分或者全部遮挡光束。通过控制转台22的转动角度，可以控制遮光片21与光束的位置关系，间接控制光束的通过比例。转台22在转动时的稳定性较好，可以避免遮光片21出现位置偏差。

根据本发明的一个实施例，遮光片21为矩形薄板，矩形薄板包括平行设置的前板面和后板面，光束垂直照射在前板面上时，遮光片21完全遮挡光束。

矩形薄板上连接于转台22的边为底边，矩形薄板上远离转台22的边为顶边，位于矩形薄板两端的边为侧边。矩形薄板转动时，侧边可以与光束交叉，进而遮挡部分光束，侧边在光束内的位置决定了光束的遮挡比例。

矩形薄板的两个侧边严格平行设置，在不同角度下分别遮挡部分光束，两个部分光束叠加后为完整光束。

遮光片21转动一定角度时，光束以非垂直角度照射在遮光片21上，平行设置的两个侧边可以减小测量误差。

在一项实施例中，矩形薄板的厚度不大于0.2mm，侧边厚度较小，对光束的干扰也较小。

根据本发明的一个实施例，遮光片21的表面设置有黑色吸光层，黑色吸光层可以降低反射光对测量环境的影响。

根据本发明的一个实施例，光束与转台22的转动中心相对应，遮光片21在运动时可以对称出现在光束的两侧，可以减少遮光片21位置偏差带来的影响。遮光片21还可以将光束分为均匀的两部分，避免光斑过小或者光能量过低时无法测量的问题，拓展了光学系统线性测量的覆盖范围。

在另一项实施例中，遮光片21仅通过连接臂连接于转轴，结构精简。

本发明提供的光学系统线性测量装置，通过遮光片21使光束全部或者部分到达光学系统，进而测定光学系统4的线性。在使用时，可以通过调整光束的光功率来测量光学系统在不同光功率下的线性水平。

根据本发明的一个实施例，通过控制光源1的发射功率来调整光束的光功率，可以测定光学系统在不同光功率下的线性水平。

根据本发明的另一个实施例，在光源1和遮光组件2之间设置有光强调整组件3，光强调整组件3设置在光束传输路径上，可以对光束的光功率精确调整，进而测量光学系统在不同光功率下的线性水平。

在一项实施例中，光强调整组件3包括沿着光束传输路径顺次设置的第一偏振片31和第二偏振片32。调整第一偏振片31和第二偏振片32之间的角度，可以改变光束的透过率，进而调整光束的光功率。

使用时，首先测定第一偏振片31和第二偏振片32之间角度与透过率之间的关系，然后根据实际需要的光功率设定两者之间的角度。在第一偏振片31和第二偏振片32处于不同的角度下，测定光学系统4在不同光功率下的线性水平。

根据本发明第二方面实施例提供的光学系统线性测量方法，该测量方法利用本发明第一方面实施例提供的光学系统线性测量装置，包括以下步骤：

T1、依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数。

可以理解的是，将遮光片转动至预定的位置时，遮光片遮挡光束的比例是确定的。通过设定几个不同的位置，可以使光束完整或者部分到达光学系统。在光束完整到达光学系统时，读取光学系统的读数。在光束分成不同部分分别到达光学系统时，分别读取光学系统的读数。需要说明的是，不同部分的光束组合起来等于完整的光束，在实际应用中，遮光片在不同位置处的遮光面积之和等于光束总的横截面积。

T2、根据所述读数以及预定算法计算所述光学系统的线性水平。

可以理解的是，完整光束到达光学系统时，光功率较大，根据读数可以获得光学系统在光束总功率下的响应度。部分光束到达光学系统时，可以获得光学系统在部分功率下的响应度。通过计算光学系统在总功率下的响应度和部分功率响应度之和的关系，进而计算光学系统的线性水平。

根据本发明的一个实施例，依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数包括以下内容：

T11、依次将所述遮光片转动至平行于光束的第一位置、遮挡部分所述光束的第二位置、遮挡其余部分所述光束的第三位置、与所述第一位置对称的第四位置、所述第三位置、所述第二位置、所述第一位置以及位于所述第二位置与所述第三位置之间且垂直于所述光束的第五位置。

T12、分别获取所述光学系统的读数：S11、S21、S31、S41、S32、S22、S12、S51。

如图1所示，第一位置、第二位置，第三位置，第四位置，第五位置分别对应于图中的a、b、c、d、e。读数S11表示光学系统在第一位置第一次的读数，读数S21表示光学系统在第二位置第一次的读数，依次类推。

需要说明的是，遮光片在第二位置时遮挡部分光束，遮光片在第三位置时遮挡剩余部分光束，两部分光束之和为完整光束，将光束分为两部分分别到达光学系统。

T2、根据所述读数以及预定算法计算所述光学系统的线性水平。

可以理解的是，根据光学系统线性测量的原理，可以根据读数和预定算法计算光学系统的线性水平。完整光束到达光学系统的读数可以采用S11、S41或者S12中的至少一个，部分光束到达光学系统的读数可以采用S21或者S22中的至少一个以及S31或者S32中的至少一个。在一些算法中，还可以引入第五位置处的读数S51，来消除光学系统的系统误差以及光束衍射影响。

根据本发明的一个实施例，预定算法为：

其中，I为探测器的线性水平。

可以理解的是，在选用完整光束到达光学系统的读数时，该预定算法采用两次第一位置和一次第四位置的读数，消除了遮光组件的带来的误差。同时还减去了第五位置处的读数，消除了光学系统的系统误差以及光束可能存在的衍射影响。

在选用部分光束的读数时，采用正转和反转的数据，分别读取两次第二位置和两次第三位置的读数，消除了转台位置偏差带来的影响。与此同时，读取部分光束的读数时，分别消除了光学系统的系统误差和可能存在的衍射影响，最大程度上消除了干扰因素。

采用该预定算法计算光学系统的线性水平时，干扰因素较少，精确度较高。

根据本发明的一个实施例，当第二位置和第三位置对称时，两个部分光束到达光学系统时大小均匀，可以避免光斑较小或者光能量较低时难以测量的问题，精确度得到有效提升。

本发明提供的光学系统线性测量方法，通过遮光片使光束完整或者部分到达光学系统，进而测定光学系统在一定光功率下的线性水平。在使用时，可以通过调整光束的光功率测量光学系统在不同光功率下的线性水平。

根据本发明的一个实施例，依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数之前还包括：

T10、调整光束的入射强度。

可以理解的是，通过调整光束的光功率，可以测量光学系统在不同光功率下的线性水平。

综上所述，本发明实施例提供的光学系统线性测量装置，包括发射光束的光源以及遮光组件，遮光组件包括围绕转轴转动的遮光片，遮光片在转动的过程中可以使光束在通过状态和遮挡状态之间切换。在通过状态下，光束可以不受影响地到达光学系统。在遮挡状态下，遮光片至少部分遮挡到达光学系统的光束。通过调整遮光片遮挡光束的比例，可以使光束以预定的比例分别到达光学系统。通过获取不同接收状态下光学系统的读数，进而计算光学系统的线性水平。遮光片的结构简单，对光束的干扰较小，可以应用于光斑较小或者光束能量较低的情况，拓展了光学系统线性测量的覆盖范围。

在光学系统线性测量装置包括转台的情况下，遮光片的转动过程平稳，精确度较高。

在光束与转台的转动中心相对应的情况下，遮光片可以对称遮挡光束，避免光束光斑过小或者光能量较低时无法测量的问题。

在光源和遮光组件之间设置光强调整组件的情况下，可以通过调整光束的光功率，进而测量光学系统在不同光功率下的线性水平。

本发明实施例提供的光学系统线性测量方法，消除了光学系统的系统误差、转台的转动误差以及光束的衍射影响，精确度较高，可以精确测量光学系统的线性水平。

在第二位置和第三位置对称设置的情况下，两个部分光束到达光学系统时大小均匀，可以避免光斑较小或者光能量较低时难以测量的问题，精确度得到有效提升，拓展了光学系统线性测量的覆盖范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学系统线性测量装置，其特征在于，包括：

光源，发射出光束；

遮光组件，包括遮光片，所述遮光片围绕自身以外的转轴转动，所述遮光片适于在转动过程中使所述光束在通过状态和遮挡状态之间切换；

在所述通过状态，所述遮光片不影响所述光束通过；

在所述遮挡状态，所述遮光片至少部分遮挡所述光束通过。

2.根据权利要求1所述的光学系统线性测量装置，其特征在于，所述遮光组件包括平行设置于所述光束一侧的转台以及垂直连接于所述转台的所述遮光片，所述转轴为所述转台的转动中心。

3.根据权利要求2所述的光学系统线性测量装置，其特征在于，所述光束与所述转台的转动中心相对应。

4.根据权利要求1所述的光学系统线性测量装置，其特征在于，所述光源与所述遮光组件之间的光束传输路径上设置有光强调节组件。

5.根据权利要求4所述的光学系统线性测量装置，其特征在于，所述光强调节组件包括沿所述光束传输路径顺次设置的第一偏振片和第二偏振片。

6.一种光学系统线性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数；

根据所述读数以及预定算法计算所述光学系统的线性水平。

7.根据权利要求6所述的光学系统线性测量方法，其特征在于，所述依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数包括：

依次将所述遮光片转动至平行于光束的第一位置、遮挡部分所述光束的第二位置、遮挡其余部分所述光束的第三位置、与所述第一位置对称的第四位置、所述第三位置、所述第二位置、所述第一位置以及位于所述第二位置与所述第三位置之间且垂直于所述光束的第五位置；

分别获取所述光学系统的读数：S11、S21、S31、S41、S32、S22、S12、S51。

8.根据权利要求7所述的光学系统线性测量方法，其特征在于，所述预定算法为：

其中，I为光学系统的线性水平。

9.根据权利要求7所述的光学系统线性测量方法，其特征在于，所述第二位置与所述第三位置对称设置。

10.根据权利要求6所述的光学系统线性测量方法，其特征在于，所述依次将遮光片转动至预定的不同位置处，分别获取光学系统的读数之前还包括：

调整光束的入射强度。

Images