基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置与方法

摘要

基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置与方法属于光学检测技术；待测双光束通过准直物镜后入射分光棱镜，在分光棱镜的分光面均被分为一束反射光和一束透射光，待测双光束的透射光束与反射光束分别完整入射到透射、反射方向高精度图像采集装置的透射、反射图像采集面，高精度图像采集装置的图像采集面相对于准直物镜的焦平面差动离焦布置，可同时获得待测双光束的两透射光束与两反射光束共四个光斑及其质心位置，通过离焦距离与光斑质心距离可计算得出两待测光束间的夹角大小，该夹角表征待测双光束的平行性，本发明不仅在待测双光束平行性较好时可以检测光束平行性，而且不受入射光离轴误差的影响。

说明书

技术领域

本发明属于光学检测技术，主要涉及一种基于差动离焦测量原理、针对两束或多束光平 行性的检测装置与方法。

背景技术

结合多轴分光镜组，激光干涉仪可以用于角度测量。在使用激光干涉仪测量角度时，分 光镜组出射光束的平行性与激光干涉仪的测量精度密切相关，出射光束平行性的优劣很大程 度上决定着激光干涉仪的测量精度。为此需要对分光镜组出射光束的平行性进行检测。

长春理工大学的张磊等人提出一种对两路平行光束的平行性进行检测的装置，利用两个 五角棱镜和一个光楔将距离较远的两束光转变为距离较近的两束光，进而可以用小口径自准 直平行光管来将转变后的两束光进行聚焦并测量[一种两路平行光束的平行性检测装置，公 开号：CN100504289C]。该装置的设计重点是用小口径自准直平行光管来测量远距离入射的 两束光的平行性，以减少平行光管的制作成本，但当被测双光束平行性较好时，该双光束聚 焦后会在焦面上形成两个大部分重叠的光斑，此时聚焦测量方法难以获取待测两平行光束的 平行性信息。

长春理工大学的张磊等人随后又提出一种宽距离光束平行性检测装置，其作用依然是用 小口径自准直平行光管来测量远距离入射的两束光的平行性，并且由原先的白光光谱段扩展 至激光和红外光光谱段，成为多光谱光学系统[宽距离光束平行性检测装置，公开号： CN101408413B]。然而该检测装置依然难以在被测双光束平行性较好时，获取待测光束平行 性信息。

中国科学院上海光学精密机械研究所的朱青等人提出一种测量激光光束平行性的装置， 利用光阑、会聚透镜、半透半反镜、两个柱透镜、两个四象限探测器构成光束平行性检测 器，基于像散法聚焦误差探测来进行光束平行性的探测[测量激光光束平行性的装置，公开 号：CN2847219Y]。然而该装置的测量重点是针对于一束激光的发散角的检测，而不是针对 两束或多束平行光之间的平行性检测。

航天科工集团公司北京长城计量测试技术研究所的崔岩梅等人提出一种光束平行度和瞄 准误差的检测方法，将待测光束通过五棱镜射入经纬仪，由经纬仪读出待测光束的平行度 [一种光束平行度和瞄准误差的检测方法，公开号：CN101261119B]。该测量方法的优点是 比较直接，其精度主要由经纬仪来决定，整个系统精度可达到2″。但是该方法测量速度慢， 并且当被测光束平行性较好时，难以测量。

综上所述，目前几种测量光束平行性的方法，其主要问题是，聚焦测量时光斑重叠影响 测量精度，特别是当被测光束平行性较好时，难以实现对双光束或多光束平行性的测量。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的缺陷，本发明提出一种基于差动离焦测量原理的双光束平 行性检测装置与方法，以量化后的光束夹角具体数值来表征光束的平行性，测量精度高，特 别是在被测双光束平行性较好时依然可以实现对被测光束平行性的高精度检测。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置，在准直物镜的光轴入射方向上设有待 测双光束，在准直物镜的光轴出射方向上依次配置分光棱镜和透射方向高精度图像采集装置， 所述透射光束高精度图像采集装置与装有图像采集软件的计算机连接，待测双光束通过准直 物镜后入射到分光棱镜上，在分光棱镜的分光面上均被分为一束透射光束和一束反射光束， 所述待测双光束的透射光束完整入射到透射方向高精度图像采集装置的透射光束图像采集面 上；在所述待测双光束经过分光棱镜的反射光束光路上配置反射方向高精度图像采集装置， 所述待测双光束的反射光束完整入射到反射方向高精度图像采集装置的反射光束图像采集面 上；所述反射方向高精度图像采集装置与装有图像采集软件的计算机连接；所述准直物镜在 分光棱镜的透射方向和反射方向分别具有透射焦平面和反射焦平面，所述透射焦平面与透射 光束图像采集面不重合，所述反射焦平面与反射光束图像采集面不重合，且在透射方向高精 度图像采集装置的透射光束图像采集面位于准直物镜的透射焦平面前部时，反射方向高精度 图像采集装置的反射光束图像采集面位于准直物镜的反射焦平面后部；或者在透射方向高精 度图像采集装置的透射光束图像采集面位于准直物镜的透射焦平面后部时，反射方向高精度 图像采集装置的反射光束图像采集面位于准直物镜的反射焦平面前部。

一种基于差动离焦测量的双光束平行性检测方法，包括以下步骤：

一、在待测双光束入射准直物镜之后，调节透射、反射方向高精度图像采集装置的位置， 保证透射、反射方向高精度图像采集装置的透射、反射光束图像采集面分别在准直物镜的透 射焦平面前部与反射焦平面后部，或透射、反射光束图像采集面分别在准直物镜的透射焦平 面后部与反射焦平面前部，并且调整透射、反射光束图像采集面与透射、反射焦平面距离， 使得透射、反射方向高精度图像采集装置采集的图像中均可以看到两个完全分开的完整光斑；

二、使用计算机中的图像采集软件得到透射高精度图像采集装置中的两透射光束的光斑 图像，通过图像处理得到对应的两光斑质心位置(x₁₁，y₁₁)和(x₁₂，y₁₂)，两个光斑的质心距离 d₁为((x₁₁-x₁₂)²+(y₁₁-y₁₂)²)^0.5，同理得到反射高精度图像采集装置中的两反射光束的光斑 质心距离d₂，待测两光束方向之间的夹角为其中f为准直物镜的焦距， β用于描述待测双光束的平行性。

本发明具有以下特点及良好效果：

1.本发明所提出的装置是基于离焦测量原理，可以同时采集到两个光束的光斑质心位置 信息，在待测双光束平行性较好(甚至两光束完全平行)时依然可以实现对双光束光斑质心 位置的同步采集，避免了聚焦测量方法在待测双光束平行性较好时的光斑重叠问题，且大大 减小了光源跳动和空气扰动等环境因素对平行性测量的影响，这是本发明区别于现有技术的 主要创新点之一。

2.本发明所提出的装置，其两组高精度图像采集装置的位置分别位于准直物镜的焦平面 前和焦平面后，即本装置与方法是采用差动离焦测量。采用差动离焦测量不仅可以在待测双 光束平行性较好(甚至两光束完全平行)时依然可以实现对双光束光斑质心位置的同步采集， 而且可以消除由于入射光离轴造成的探测误差，这是本发明区别于现有技术的主要创新点之 二。

附图说明

图1是基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置结构示意图

图2是图像采集面上两透射光束的光斑及质心位置示意图

图中件号说明：1.待测双光束、2.准直物镜、3.分光棱镜、4a.透射方向高精度图像采集装 置、4b.反射方向高精度图像采集装置、5.计算机、6a.透射焦平面、6b.反射焦平面、7a.透射光 束图像采集面、7b.反射光束图像采集面、8a8b.两透射光束的光斑

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案进行详细说明。

一种基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置，在准直物镜2的光轴入射方向上设有 待测双光束1，在准直物镜2的光轴出射方向上依次配置分光棱镜3和透射方向高精度图像 采集装置4a，所述透射光束高精度图像采集装置4a与装有图像采集软件的计算机5连接，待 测双光束1通过准直物镜2后入射到分光棱镜3上，在分光棱镜3的分光面上均被分为一束 透射光束和一束反射光束，所述待测双光束1的透射光束完整入射到透射方向高精度图像采 集装置4a的透射光束图像采集面7a上；在所述待测双光束1经分光棱镜3的反射光束光路 上配置反射方向高精度图像采集装置4b，所述待测双光束1的反射光束完整入射到反射方向 高精度图像采集装置4b的反射光束图像采集面7b上；所述反射方向高精度图像采集装置4b 与装有图像采集软件的计算机5连接；所述准直物镜2在分光棱镜3的透射方向和反射方向 分别具有透射焦平面6a和反射焦平面6b，所述透射焦平面6a与透射光束图像采集面7a不重 合，所述反射焦平面6b与反射光束图像采集面7b不重合，且在透射方向高精度图像采集装 置4a的透射光束图像采集面7a位于准直物镜2的透射焦平面6a前部时，反射方向高精度图 像采集装置4b的反射光束图像采集面7b位于准直物镜2的反射焦平面6b后部；或者在透射 方向高精度图像采集装置4a的透射光束图像采集面7a位于准直物镜2的透射焦平面6a后部 时，反射方向高精度图像采集装置4b的反射光束图像采集面7b位于准直物镜2的反射焦平 面6b前部。

透射方向高精度图像采集装置4a的透射光束图像采集面7a与准直物镜2的透射焦平面 6a的距离a₁，要使得待测双光束1的透射光束完整入射到透射光束图像采集面7a上，且两 光束完全分开使得透射方向图像采集装置4a采集到两个完整且完全分开的光斑；反射方向高 精度图像采集装置4b的反射光束图像采集面7b与准直物镜2的反射焦平面6b的距离a₂， 要使得待测双光束1的反射光束完整入射到反射光束图像采集面7b上，且两光束完全分开使 得反射方向图像采集装置4b采集到两个完整且完全分开的光斑。

所述基于差动离焦测量的双光束平行性检测方法包括以下步骤：

一、在待测双光束入射准直物镜之后，调节透射、反射方向高精度图像采集装置的位置， 保证透射、反射方向高精度图像采集装置的透射、反射光束图像采集面分别在准直物镜的透 射焦平面前部与反射焦平面后部，或透射、反射光束图像采集面分别在准直物镜的透射焦平 面后部与反射焦平面前部，并且调整透射、反射光束图像采集面与透射、反射焦平面距离， 使得透射、反射方向高精度图像采集装置采集的图像中均可以看到两个完全分开的完整光斑；

二、使用计算机中的图像采集软件得到透射高精度图像采集装置中的两透射光束的光斑 图像，通过图像处理得到对应的两光斑质心位置(x₁₁，y₁₁)和(x₁₂，y₁₂)，两个光斑的质心距离 d₁为((x₁₁-x₁₂)²+(y₁₁-y₁₂)²)^0.5，同理得到反射高精度图像采集装置中的两反射光束的光斑 质心距离d₂，待测两光束方向之间的夹角为其中f为准直物镜的焦距， β用于描述待测双光束的平行性。

使用上述基于差动离焦测量的双光束平行性检测装置与方法测量待测双光束的平行性 时，两组高精度图像采集装置同时采集图像，同时获取待测双光束通过分光棱镜的反射光束 的两光斑与透射光束的两光斑总共4个光斑的图像和质心位置信息，不仅避免了待测双光束 平行性较好时的光斑重叠问题，且大大减小了光源跳动和空气扰动等环境因素对平行性测量 的影响。

本发明中的分光棱镜3也可以用其他分光元器件代替；且采用本发明的装置和方法，并 不限制于由分光镜组产生的双光束，也可以用于其他方式产生的多个平行光束的平行性测量， 即多光束中的任意两光束之间的平行性均可由本发明的方法来测量。