CN1731085A

CN1731085A - 测量激光光束平行性的装置

Info

Publication number: CN1731085A
Application number: CN 200510028736
Authority: CN
Inventors: 朱青; 徐文东; 高秀敏; 张锋; 杨金涛; 戴珂
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS; Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2006-02-08
Anticipated expiration: 2025-08-12
Also published as: CN1308656C

Abstract

一种测量激光光束平行性的装置，本发明采用被检测光束、光阑、会聚透镜、半透半反镜、两个柱透镜、两个四象限探测器和计算机组成测量装置；会聚物镜、半透半反镜、两个柱透镜和两个四象限探测器构成光束平行性检测器，基于象散法聚焦误差探测来进行光束平行性的探测。采用差动法消除由于入射光离轴造成的探测误差。可以通过设计光学系统以拥有任意灵敏度和线性范围；尤其适合测量高质量的小口径，小发散角的具有旋转对称性的激光光束。

Description

测量激光光束平行性的装置

技术领域

本发明属于激光技术，是一种测量激光光束平行性的装置。主要应用于准直后的激光光束发散角的检测和小发散角、旋转对称的激光光束的发散角的测量。

背景技术

测量大型机械中孔、轴系的同轴度及平面的直线度、平面度、平行度的激光准直仪，激光测距仪，激光大气监测和无线光通信中，都需要准直的激光光束，激光光束的平行性对测量仪器的性能、通信质量等有着很大的影响。因此，对准直激光光束平行性的检测应用范围较大。准直激光光束平行性，通过光束的远场发散角来衡量。

目前测量准直激光光束平行性主要通过干涉方法来实现。被测光束被分成两束光，然后在一适当位置产生干涉，如果入射光束为平行光，则产生的干涉条纹为直条纹或无条纹。这种方法测量准确度较高。但也存在如下缺陷：

1)干涉仪价格昂贵；

2)一般干涉仪的体积较大，使用不方便；

3)震动对测量影响较大；

4)可以测量的角度范围较小。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述在先技术的不足，提供一种测量激光光束平行性的装置，它可以快速、简便地测量激光光束平行性。

本发明的基本构思是：

本发明是基于象散法聚焦误差探测来进行光束平行性的测量，由会聚物镜、半透半反镜、两个柱透镜和两个四象限探测器构成光束平行性检测器。并采用差动法消除由于入射光离轴造成的探测误差。

本发明的技术解决方案如下：

一种测量激光光束平行性的装置，其构成是：同光轴地依次设有光阑、会聚透镜、半透半反镜、第一柱透镜、第一四象限探测器，在所述的半透半反镜的反射光方向，即垂直于所述的光轴方向依次是第二柱透镜、第二四象限探测器，所述的第一柱透镜和第二柱透镜关于所述的半透半反镜的分光面相对称，所述第一四象限探测器和第二四象限探测器的信号输出端与计算机的输入端相连。

所述的第一四象限探测器的分割缝与所述的第一柱透镜的象散方向成45°，所述的第二四象限探测器的分割缝与所述第二柱透镜的象散方向成45°，光斑在第一四象限探测器上的长轴与光斑在第二四象限探测器上的短轴相对应，光斑在第一四象限探测器上的短轴与光斑在第二四象限探测器上的长轴相对应。

所述的会聚透镜、第一柱透镜和第二柱透镜均为消色差透镜。

利用所述的测量光束平行性的装置测量光束平行性的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将本发明装置的光轴对准待测光束，使待测光束沿光轴入射；

②启动装置进行自动测量，通过计算机处理，获得误差信号

H = \frac{(A_{1} + A_{3}) - (A_{2} + A_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} A_{i}} + \frac{(B_{1} + B_{3}) - (B_{2} + B_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} B_{i}}

式中：A₁、A₂、A₃、A₄分别为照在第一四象限探测器的四个象限的光斑的面积；B₁、B₂、B₃、B₄分别为照在第二四象限探测器的四个象限的光斑的面积；在线性区内，H与发散角θ的关系可表示为为H＝Kθ，其中，K为与探测器增益、会聚透镜的焦距、柱透镜的焦距有关的系数。

本发明相对于现有技术有以下优点：

1.造价低廉；

2.仪器体积小，测量快速、简便；

3.测量精度主要取决于各光学元件的加工精度和装配精度，震动影响较小；

4.可以通过设计光学系统——选择会聚透镜和柱透镜的焦距、会聚透镜与柱透镜之间的距离、四象限探测器的位置，以拥有任意灵敏度和线性范围；尤其适合测量高质量的小口径，小发散角的具有旋转对称性的激光光束。

5.会聚透镜和柱透镜均可做成一定范围内的消色差透镜，即在不同波长光束入射时均可使用而不需调整光路。

附图说明

图1为本发明测量激光光束平行性装置实施例的结构示意图。

图2为图1中第二四象限探测器8的俯视图。

图3为图1中第一四象限探测器7的有右侧视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明测量激光光束平行性的装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明测量激光光束平行性的装置的构成是：同光轴地依次设有光阑2、会聚透镜3、半透半反镜4、第一柱透镜5、第一四象限探测器7，在所述的半透半反镜4的反射光方向，即垂直于所述的光轴方向依次是第二柱透镜6、第二四象限探测器8，所述的第一柱透镜5和第二柱透镜6关于所述的半透半反镜4的分光面相对称，所述第一四象限探测器7和第二四象限探测器8的信号输出端与计算机9的输入端相连。所述的第一四象限探测器7的分割缝与所述的第一柱透镜5的象散方向成45°，所述的第二四象限探测器8的分割缝与所述第二柱透镜6的象散方向成45°，光斑在第一四象限探测器7上的长轴与光斑在第二四象限探测器8上的短轴相对应，光斑在第一四象限探测器7上的短轴与光斑在第二四象限探测器8上的长轴相对应。所述的会聚透镜3、第一柱透镜5和第二柱透镜6均为消色差透镜。

利用本发明测量激光光束平行性的装置测量光束平行性的方法，包括下列步骤：

②启动装置进行自动测量，通过计算机处理，获得误差信号

H = \frac{(A_{1} + A_{3}) - (A_{2} + A_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} A_{i}} + \frac{(B_{1} + B_{3}) - (B_{2} + B_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} B_{i}}

式中：A₁、A₂、A₃、A₄分别为照在第一四象限探测器7的四个象限701、702、703、704的光斑的面积，参见图3；

B₁、B₂、B₃、B₄分别为照在第二四象限探测器8的四个象限801、802、803、804的光斑的面积，参见图2；

在线性区内H与发散角θ的关系可表示为为H＝Kθ，其中，K为与探测器增益、会聚透镜的焦距、柱透镜的焦距有关的系数。

本发明的工作过程如下：

被检光束1经过光阑2后再通过会聚透镜3，使入射光束成为会聚光束；该会聚光束的50％经半透半反镜4透射后入射到第一柱透镜5上，在第一柱透镜5的像散方向上产生像散；另外50％经半透半反镜4反射后入射到第二柱透镜6上，经第二柱透镜6后在第二柱透镜6的像散方向上产生像散。第一柱透镜5的光轴与会聚透镜3的光轴重合，第一柱透镜5、第二柱透镜6的位置关于半透半反镜4的分光面对称。

所述的柱透镜及四象限探测器的放置方式使得，光斑在第一四象限探测器7上的短轴对应第二四象限探测器8上的长轴，光斑在第一四象限探测器7上的长轴对应第二四象限探测器8上的短轴。这样才可以即消除被测光束离轴时的误差，又不会影响最后得到的误差信号对角度的灵敏度，因为对应象限是相减的。

放置在合适位置的第一四象限探测器7、第二四象限探测器8分别接收透过第一柱透镜5、第二柱透镜6的光束，并将之转换为电信号进行电流—电压转换、经前置放大后送入计算机9进行一系列运算后可以得到入射光束1的发散角。以光束的发散角来衡量光束的平行性。

照在第一四象限探测器7的四个象限701、702、703、704的光斑的面积分别为A₁、A₂、A₃、A₄，照在第二四象限探测器8的四个象限801、802、803、804的光斑的面积分别为B₁、B₂、B₃、B₄。第一四象限探测器7、第二四象限探测器8输出的电信号经加减、归一化运算后得到的误差信号：

H = \frac{(A_{1} + A_{3}) - (A_{2} + A_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} A_{i}} + \frac{(B_{1} + B_{3}) - (B_{2} + B_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} B_{i}}

在线性区内H与发散角θ的关系可表示为为H＝Kθ

其中，K为与探测器增益、会聚透镜的焦距、柱透镜的焦距等有关的系数。H在线性区内与被测光束的发散角成正比，对于要求更精确的测量，可以通过标定，再由得到的误差信号直接得出被测光束的发散角。

本实施例中，光阑2的孔径为D＝8mm；会聚透镜3的焦距为20.2mm；第一柱透镜5、第二柱透镜6的焦距为1000mm；第一四象限探测器7与第一柱透镜5之间的距离和第二四象限探测器8与第二柱透镜6之间的距离均为20mm；第一四象限探测器7、第二四象限探测器8单个象限的边长为0.08mm；入射光功率为5mW；可测的最大发散角为2mrad。

H与入射光功率是成正比的，把所得误差信号进行归一化：除以入射光功率，得H0。

H0值与发散角θ的对应关系如下表：

发散角(rad)	0	0.0002	0.0004	0.0006	0.0008	0.0010	0.0012
发散角(rad)	0	0.0002	0.0004	0.0006	0.0008	0.0010	0.0012	归一化后的H0	0	0.0317	0.0628	0.0927	0.1211	0.1476	0.1720

光束发散角(rad)	0	0.00002	0.00004	0.00006	0.00008
光束发散角(rad)	0	0.00002	0.00004	0.00006	0.00008	归一化后的H0	0	0.0032	0.0064	0.0095	0.0127

Claims

1、一种测量激光光束平行性的装置，特征在于其构成是：同光轴地依次设有光阑(2)、会聚透镜(3)、半透半反镜(4)、第一柱透镜(5)、第一四象限探测器(7)，在所述的半透半反镜(4)的反射光方向，即垂直于所述的光轴方向依次是第二柱透镜(6)、第二四象限探测器(8)，所述的第一柱透镜(5)和第二柱透镜(6)关于所述的半透半反镜(4)的分光面相对称，所述第一四象限探测器(7)和第二四象限探测器(8)的信号输出端与计算机(9)的输入端相连。

2、根据权利要求1所述的测量激光光束平行性的装置，其特征在于所述的第一四象限探测器(7)的分割缝与所述的第一柱透镜(5)的象散方向成45°，所述的第二四象限探测器(8)的分割缝与所述第二柱透镜(6)的象散方向成45°，光斑在第一四象限探测器(7)上的长轴与光斑在第二四象限探测器(8)上的短轴相对应，光斑在第一四象限探测器(7)上的短轴与光斑在第二四象限探测器(8)上的长轴相对应。

3、根据权利要求1所述的测量激光光束平行性的装置，其特征在于所述的会聚透镜(3)、第一柱透镜(5)和第二柱透镜(6)均为消色差透镜。

4.利用权利要求1所述的测量激光光束平行性的装置测量光束平行性的方法，其特征在于包括下列步骤：

②启动装置进行自动测量，通过计算机处理，获得误差信号

H = \frac{(A_{1} + A_{3}) - (A_{2} + A_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} A_{i}} + \frac{(B_{1} + B_{3}) - (B_{2} + B_{4})}{Σ_{i = 1}^{4} B_{i}}

式中：A₁、A₂、A₃、A₄分别为照在第一四象限探测器(7)的四个象限(701)、(702)、(703)、(704)的光斑的面积；

B₁、B₂、B₃、B₄分别为照在第二四象限探测器(8)的四个象限(801)、(802)、(803)、(804)的光斑的面积；