CN116952168A - 激光光束平行度的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学检测技术领域，公开了一种激光光束平行度的测量系统及测量方法。该测量系统包括：分光装置、第一挡光装置、第二挡光装置、第一摄像装置、第二摄像装置以及计算装置；分光装置将激光光源的光束分为第一光束以及第二光束，第一光束的光路传播方向和第二光束的光路传播方向之间形成有夹角；分光装置、第一挡光装置以及第一摄像装置在第一光束的光路传播方向上依次设置，分光装置、第二挡光装置以及第二摄像装置在第二光束的光路传播方向上依次设置，计算装置分别与第一摄像装置、第二摄像装置连接。通过上述方式，本发明能够精确测量大尺寸激光光束平行度、操作简便、成本低廉。

Description

激光光束平行度的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是涉及一种激光光束平行度的测量系统及测量方法。

背景技术

光束平行度是衡量激光光束质量最为重要的指标参数之一，只有确保各光束平行度在一定精度内，才能保证光学设备参数信息的准确性。为了最大限度地发挥光学装备的效能，除对零部件的设计、加工及整机的装调采取一系列的工艺措施外，对光束平行度的测量变得尤为重要。

目前，直接测量激光光束平行度的设备所能测量的光束尺寸较小，且成本高，无法测量较大尺寸光束的平行度。

发明内容

本发明提供一种激光光束平行度的测量系统及测量方法，能够精确测量大尺寸的激光光束平行度、操作简便、成本低廉。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种激光光束平行度的测量系统，包括：分光装置、第一挡光装置、第二挡光装置、第一摄像装置、第二摄像装置以及计算装置；

所述分光装置用于接收激光光源的激光光束并将所述激光光束分为第一光束以及第二光束，所述第一光束的光路传播方向和所述第二光束的光路传播方向之间形成有夹角；

所述分光装置、所述第一挡光装置以及所述第一摄像装置在第一光束的光路传播方向上依次设置，所述第一光束照射到所述第一挡光装置上形成第一光斑，所述第一摄像装置用于拍摄包含所述第一光斑的第一图像；

所述分光装置、所述第二挡光装置以及所述第二摄像装置在第二光束的光路传播方向上依次设置，所述第二光束照射到所述第二挡光装置上形成第二光斑，所述第二摄像装置用于拍摄包含所述第二光斑的第二图像；

所述计算装置分别与第一摄像装置、所述第二摄像装置连接，所述计算装置用于获取所述第一图像以及所述第二图像，并识别所述第一图像中所述第一光斑的尺寸以及所述第二图像中所述第二光斑的尺寸，根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的平行度。

根据本发明的一个实施例，所述激光光束照射到所述分光装置上所形成的光斑尺寸小于或等于所述分光装置的面积。

根据本发明的一个实施例，所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离不同于所述第二挡光装置与所述分光装置之间的距离。

根据本发明的一个实施例，所述第一挡光装置与所述分光装置的距离b，范围为b＞10cm，所述第二挡光装置与所述分光装置的距离a，范围为0≤a≤10cm。

根据本发明的一个实施例，所述测量系统还包括与所述第一光束的光路传播方向平行设置的第一导轨和与所述第二光束的光路传播方向平行设置的第二导轨；

所述分光装置、所述第一挡光装置以及所述第一摄像装置在第一光束的光路传播方向上依次设于所述第一导轨上；

所述分光装置、所述第二挡光装置以及所述第二摄像装置在第二光束的光路传播方向上依次设于所述第二导轨上。

根据本发明的一个实施例，所述分光装置采用具有反射和透射功能的材料制成。

根据本发明的一个实施例，所述第一挡光装置和第二挡光装置采用具有透射和散射功能的材质制成。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种激光光束平行度的测量方法，应用于所述的激光光束平行度的测量系统，所述测量方法包括：

激光光源的激光光束经过分光装置产生第一光束以及第二光束，在所述第一光束照射到第一挡光装置上形成第一光斑时，利用第一摄像装置拍摄包含所述第一光斑的第一图像，在所述第二光束照射到第二挡光装置上形成第二光斑时，利用第二摄像装置拍摄包含所述第二光斑的第一图像；

计算装置获取所述第一图像以及所述第二图像，并识别所述第一图像中所述第一光斑的尺寸以及所述第二图像中所述第二光斑的尺寸，根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的平行度。

根据本发明的一个实施例，所述根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的平行度包括：

根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的发散角；

若所述发散角在预设阈值范围内，则判定所述激光光束平行；

若所述发散角不在所述预设阈值范围内，则判定所述激光光束不平行。

根据本发明的一个实施例，所述发散角按照如下公式进行计算：

则/>其中，α为发散角，d_A为所述第二光斑的尺寸，d_B为所述第一光斑的尺寸，a为所述第二挡光装置与所述分光装置之间的距离，b为所述第一挡光装置与所述分光装置的之间距离。

本发明的有益效果是：通过分光装置接收激光光源的激光光束并将激光光束分为第一光束以及第二光束，第一光束的光路传播方向和第二光束的光路传播方向之间形成有夹角；分光装置、第一挡光装置以及第一摄像装置在第一光束的光路传播方向上依次设置，第一光束照射到第一挡光装置上形成第一光斑，第一摄像装置用于拍摄包含第一光斑的第一图像；分光装置、第二挡光装置以及第二摄像装置在第二光束的光路传播方向上依次设置，第二光束照射到第二挡光装置上形成第二光斑，第二摄像装置用于拍摄包含第二光斑的第二图像；计算装置分别与第一摄像装置、第二摄像装置连接，计算装置用于获取第一图像以及第二图像，并识别第一图像中第一光斑的尺寸以及第二图像中第二光斑的尺寸，根据第一光斑的尺寸、第二光斑的尺寸、第一挡光装置与分光装置之间的距离以及第二挡光装置与分光装置的之间距离测量激光光束的平行度，能够精确测量大尺寸的激光光束平行度、操作简便、成本低廉。

附图说明

图1是本发明一实施例的激光光束平行度的测量系统的架构示意图；

图2是本发明实施例的激光光束平行度的测量系统等效光路图；

图3是本发明另一实施例的激光光束平行度的测量系统的结构示意图；

图4是本发明一实施例的激光光束平行度的测量方法的流程示意图；

图5是本发明另一实施例的激光光束平行度的测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明中的术语“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或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

如图1所示，激光光束平行度的测量系统100包括：分光装置10、第一挡光装置20、第二挡光装置30、第一摄像装置40、第二摄像装置50以及计算装置60。

该实施例的分光装置10用于接收激光光源200的激光光束并将激光光束分为第一光束以及第二光束，第一光束的光路传播方向和第二光束的光路传播方向之间形成有夹角，夹角在0-180°范围内。分光装置10、第一挡光装置20以及第一摄像装置40在第一光束的光路传播方向上依次设置，第一光束照射到第一挡光装置20上形成第一光斑，第一摄像装置40用于拍摄包含第一光斑的第一图像；分光装置10、第二挡光装置30以及第二摄像装置50在第二光束的光路传播方向上依次设置，第二光束照射到第二挡光装置30上形成第二光斑，第二摄像装置50用于拍摄包含第二光斑的第二图像。

在一种可实现的实施例中，激光光束照射到分光装置10上所形成的光斑尺寸小于或等于分光装置10的面积。在一些实施例中，在激光光束的光路传播方向上，分光装置10与激光光源200的距离为0-5cm。

在一种可实现的实施例中，分光装置10采用具有反射和透射功能的材料制成，例如，半透半反光学镜片、分光棱镜或分光镜片。

在一种可实现的实施例中，第一挡光装置20和第二挡光装置30采用具有透射和散射功能的材质制成。第一挡光装置20与分光装置10之间的距离不同于第二挡光装置30与分光装置10之间的距离。一些实施例中，如图1所示，第一挡光装置20与分光装置10的距离大于第二挡光装置30与分光装置10的距离，例如，第一挡光装置20与分光装置10的距离为b，b＞10cm。第二挡光装置30与分光装置10的距离a，0≤a≤10cm。第一挡光装置20与分光装置10的距离b以及第二挡光装置30与分光装置10的距离a可以影响激光光束的平行度测量精度。

该实施例的计算装置60分别与第一摄像装置40、第二摄像装置50连接。第一摄像装置40、第二摄像装置50可以通过数据接口以及数据线与计算装置60连接，以将所拍摄的图像传输给计算装置60。计算装置60可以是使用可搭载计算机程序的电脑、手机、平板或其他终端设备。计算装置60中存储有对图像进行检测的图像处理模型，例如光斑检测算法。计算装置60获取第一图像以及第二图像，并基于图像处理模型识别第一图像中第一光斑的特征图以及第二图像中第二光斑的特征图；根据第一光斑的特征图提取第一光斑的质心位置并计算第一光斑直径像素大小，即第一光斑的尺寸；根据第二光斑的特征图提取第二光斑的质心位置并计算第二光斑直径像素大小，即第二光斑的尺寸；根据第一光斑的尺寸、第二光斑的尺寸、第一挡光装置20与分光装置10之间的距离b以及第二挡光装置30与分光装置10的之间距离a测量激光光束的平行度。

现有测量激光光斑大小的方案一般采用光束直接照射到感光元件上或者经过光学缩束以后(针对大尺寸激光光斑)再照射到感光元件，感光元件一般为CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体)或者CCD(ChargeCoupled Device，电荷耦合器件)，通过对感光元件上采集到的光强信息进行处理，得到激光光斑大小。该测量方法对CMOS要求较高，如较大的感光尺寸，动态响应范围大，分辨率高等，后续算法处理复杂，导致整体成本高。本发明的实施例将激光光束照射到挡光装置上，通过摄像装置拍摄挡光装置上的光斑，采用图像处理模型识别光斑大小。对于大光斑，如直径超过10cm，只需要搭配合适尺寸的挡光装置和摄像装置即可，具有测量范围广，测量范围为0.1-100cm，精度高，精确度可以达到0.01mm，以及成本低的优点。基于该测量系统能够测量大尺寸光斑的基础上，能够精确测量大尺寸的激光光束平行度、操作简便、成本低廉。

在一种可实现的实施例中，计算装置60根据第一光斑的尺寸、第二光斑的尺寸、第一挡光装置20与分光装置10之间的距离b以及第二挡光装置30与分光装置10的之间距离a测量激光光束的发散角α；该测量系统的等效光路图如图2所示，发散角α可以按照如下公式进行计算：

则/>其中，α为发散角，d_A为第二光斑的尺寸，d_B为第一光斑的尺寸，a为第二挡光装置30与分光装置10之间的距离，b为第一挡光装置20与分光装置10的之间距离。

计算装置60判断发散角α是否在预设阈值范围之内，若发散角α在预设阈值范围内，则判定激光光束平行；若发散角α不在预设阈值范围内，则判定激光光束不平行，生成对应的反馈信号，并将反馈信号发送给光源整形装置，以使光源整形装置调整激光光源200，重新测量调整后的激光光源200的激光光束的平行度，直至测量结果平行为止。

该实施例的预设阈值可以根据产品和用户需求进行调整，例如，预设阈值小于或等于0.01。预设阈值设置越小，对应的发散角越小，平行度测量的精度越高。

在上述实施例的基础上，在一种可实现的实施例中，请参见图3，该测量系统100包括安装板70，分光装置10、第一挡光装置20、第二挡光装置30、第一摄像装置40以及第二摄像装置50设于安装板70上。安装板70上还设有提手701，便于移动测量系统100。

在上述实施例的基础上，在一种可实现的实施例中，请参见图3，该测量系统100还包括与第一光束的光路传播方向平行设置的第一导轨80和与第二光束的光路传播方向平行设置的第二导轨90；第一导轨80和第二导轨90固定于安装板70上。分光装置10、第一挡光装置20以及第一摄像装置40在第一光束的光路传播方向上依次设于第一导轨80上；分光装置10、第二挡光装置30以及第二摄像装置50在第二光束的光路传播方向上依次设于第二导轨90上。第一导轨80和第二导轨90固定于安装板70上。

当平行度测量的精度需要调整时，可以通过手动调节或自动调节的方式调节分光装置10、第一挡光装置20以及第一摄像装置40在第一导轨80上的位置，或调节第二挡光装置30以及第二摄像装置50在第二导轨90上的位置。一般情况下，第一挡光装置20与分光装置10之间的距离b，与第二挡光装置30与分光装置10之间的距离a之差越大，精度越高，预设阈值设置越小。

该实施例的第一导轨80便于分光装置10、第一挡光装置20以及第一摄像装置40的装配和位置调整，保证各装置在第一光束的光路传播方向上，提高装配效率和装配精度，第二导轨90便于第二挡光装置30以及第二摄像装置50的装配和位置调整，保证各装置在第二光束的光路传播方向上，提高装配效率和装配精度。

图4是本发明一实施例的激光光束平行度的测量方法的流程示意图。需注意的是，若有实质上相同的结果，本发明的方法并不以图4所示的流程顺序为限。该方法依托上述的激光光束平行度的测量系统100实现，如图4所示，该方法包括步骤：

步骤S401：激光光源的激光光束经过分光装置产生第一光束以及第二光束，在第一光束照射到第一挡光装置上形成第一光斑时，利用第一摄像装置拍摄包含第一光斑的第一图像，在第二光束照射到第二挡光装置上形成第二光斑时，利用第二摄像装置拍摄包含第二光斑的第一图像。

在步骤S401中，搭建好测量系统后，第一挡光装置与分光装置的距离为b，b＞10cm，第二挡光装置与分光装置的距离为a，0≤a≤10cm，满足预设阈值小于或等于0.01的要求。利用第一摄像装置拍摄第一挡光装置上包含第一光斑的第一图像，并传输给计算装置；利用第二摄像装置拍摄第二挡光装置上包含第二光斑的第一图像，并传输给计算装置。

步骤S402：计算装置获取第一图像以及第二图像，并识别第一图像中第一光斑的尺寸以及第二图像中第二光斑的尺寸，根据第一光斑的尺寸、第二光斑的尺寸、第一挡光装置与分光装置之间的距离以及第二挡光装置与分光装置的之间距离测量激光光束的平行度。

在步骤S402中，计算装置获取第一图像以及第二图像，并基于图像处理模型识别第一图像中第一光斑的特征图以及第二图像中第二光斑的特征图；根据第一光斑的特征图提取第一光斑的质心位置并计算第一光斑直径像素大小，即第一光斑的尺寸根据第二光斑的特征图提取第二光斑的质心位置并计算第二光斑直径像素大小，即第二光斑的尺寸。

在一种可实现的实施例中，请参见图5，步骤S402还包括以下步骤：

步骤S501：根据第一光斑的尺寸、第二光斑的尺寸、第一挡光装置与分光装置之间的距离以及第二挡光装置与分光装置的之间距离测量激光光束的发散角。

在步骤S501中，发散角按照如下公式进行计算：

则/>其中，α为发散角，d_A为第二光斑的尺寸，d_B为第一光斑的尺寸，a为第二挡光装置与分光装置之间的距离，b为第一挡光装置与分光装置的之间距离。

步骤S502：判断发散角是否在预设阈值范围之内。

在步骤S502中，预设阈值可以根据产品和用户需求进行调整，例如，预设阈值小于或等于0.01。预设阈值设置越小，对应的发散角越小，平行度测量的精度越高。当平行度测量的精度需要调整时，可以通过手动调节或自动调节的方式调节分光装置、第一挡光装置以及第一摄像装置在第一导轨上的位置，或调节第二挡光装置以及第二摄像装置在第二导轨上的位置。一般情况下，第一挡光装置与分光装置之间的距离，与第一挡光装置与分光装置之间的距离之差越大，精度越高，预设阈值设置越小。

步骤S503：若是，则判定激光光束平行；

步骤S504：若否，则判定激光光束不平行。

在步骤S504中，判定激光光束不平行之后，还可以根据发散角的大小确定为发散类型或会聚类型，生成对应的反馈信号，并将反馈信号发送给光源整形装置，以使光源整形装置调整激光光源，重新测量调整后的激光光源的激光光束的平行度，直至测量结果平行为止。

本发明实施例的激光光束平行度的测量方法可以测量大尺寸光束的平行度，精度高、操作简便、成本低廉。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光光束平行度的测量系统，其特征在于，包括：分光装置、第一挡光装置、第二挡光装置、第一摄像装置、第二摄像装置以及计算装置；

所述分光装置用于接收激光光源的激光光束并将所述激光光束分为第一光束以及第二光束，所述第一光束的光路传播方向和所述第二光束的光路传播方向之间形成有夹角；

所述分光装置、所述第一挡光装置以及所述第一摄像装置在第一光束的光路传播方向上依次设置，所述第一光束照射到所述第一挡光装置上形成第一光斑，所述第一摄像装置用于拍摄包含所述第一光斑的第一图像；

所述分光装置、所述第二挡光装置以及所述第二摄像装置在第二光束的光路传播方向上依次设置，所述第二光束照射到所述第二挡光装置上形成第二光斑，所述第二摄像装置用于拍摄包含所述第二光斑的第二图像；

所述计算装置分别与所述第一摄像装置、所述第二摄像装置连接，所述计算装置用于获取所述第一图像以及所述第二图像，并识别所述第一图像中所述第一光斑的尺寸以及所述第二图像中所述第二光斑的尺寸，根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的平行度。

2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述激光光束照射到所述分光装置上所形成的光斑尺寸小于或等于所述分光装置的面积。

3.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离不同于所述第二挡光装置与所述分光装置之间的距离。

4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离b，范围为b＞10cm，所述第二挡光装置与所述分光装置之间的距离a，范围为0≤a≤10cm。

5.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括与所述第一光束的光路传播方向平行设置的第一导轨和与所述第二光束的光路传播方向平行设置的第二导轨；

所述分光装置、所述第一挡光装置以及所述第一摄像装置在第一光束的光路传播方向上依次设于所述第一导轨上；

所述分光装置、所述第二挡光装置以及所述第二摄像装置在第二光束的光路传播方向上依次设于所述第二导轨上。

6.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述分光装置采用具有反射和透射功能的材料制成。

7.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述第一挡光装置和所述第二挡光装置采用具有透射和散射功能的材质制成。

8.一种激光光束平行度的测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1-7任一项所述的激光光束平行度的测量系统，所述测量方法包括：

激光光源的激光光束经过分光装置产生第一光束以及第二光束，在所述第一光束照射到第一挡光装置上形成第一光斑时，利用第一摄像装置拍摄包含所述第一光斑的第一图像，在所述第二光束照射到第二挡光装置上形成第二光斑时，利用第二摄像装置拍摄包含所述第二光斑的第一图像；

计算装置获取所述第一图像以及所述第二图像，并识别所述第一图像中所述第一光斑的尺寸以及所述第二图像中所述第二光斑的尺寸，根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的平行度。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的平行度包括：

根据所述第一光斑的尺寸、所述第二光斑的尺寸、所述第一挡光装置与所述分光装置之间的距离以及所述第二挡光装置与所述分光装置的之间距离测量所述激光光束的发散角；

若所述发散角在预设阈值范围内，则判定所述激光光束平行；

若所述发散角不在所述预设阈值范围内，则判定所述激光光束不平行。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述发散角按照如下公式进行计算：

则/>其中，α为发散角，d_A为所述第二光斑的尺寸，d_B为所述第一光斑的尺寸，a为所述第二挡光装置与所述分光装置之间的距离，b为所述第一挡光装置与所述分光装置的之间距离。