專利名稱：準直光束檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種準直光束檢測裝置，尤其涉及一種對準直光束的平行度進行檢測
的裝置。
背景技術：
激光(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,LASER)是 現代新光源，因具有擴散角小、亮度高、單色性好、可長距離傳播等特點而被廣泛應用，如激 光測距、激光鉆孔和切割、地震監測、激光手術、激光唱頭等。同時，激光的空間控制性和時 間控制性很好，對加工對象的材質、形狀、尺寸和加工環境的自由度均很大，適用于自動化 加工，激光加工系統與計算機數控技術相結合可構成高效自動化加工設備，已成為企業實 行適時生產的關鍵技術，為優質、高效和低成本的加工生產開辟了廣闊的前景。
激光為具有一定發散角的點光源，因此激光發出后一般要經過準直鏡形成與準直 鏡的對稱軸平行的準直光束，該準直光束的平行度和準直度影響著激光的性能，其平行度 即出射光與激光頭的機械軸的重合度；準直度即出射光是否存在發散性或會聚性，度量指 標可定性為出射光的邊緣光線與中心光線是否存在夾角；因此準直光束的準直度及平行度 是其光束性能評價的重要指標，為了保證激光的性能，通常采用準置儀對準直光束的準直 度或平行度進行檢測，現有的準直儀對準直光束的檢測主要是基于光學干涉原理，即利用 干涉法進行檢測，其系統原理示意圖如圖1所示，電光源P產生的光束經準直鏡L后出射 一待測的準直光束，待測的準直光束入射到楔形鏡W上后，被分成兩部分，一部分是楔形鏡 前、后兩表面的反射光，它們形成沿X軸正向的剪切量S，經反射鏡M1反射后在探測器上形 成干涉條紋；另一部分是透射光，由反射鏡M2反射后入射到楔形鏡上，在其兩表面發生反 射，由于此時入射方向相反，將形成沿X軸負向的剪切量S，同時也在探測器上形成干涉條 紋。將反射鏡Ml的上(下)半部分和M2的下(上)半部分擋住，在探測器上會形成上下 兩個半場的干涉條紋，調整遮住的位置，使兩個半場的干涉條紋拼在一起形成一個整場，當 入射光的波前曲率半徑改變時，上下兩個半場的條紋寬度或方向會以相反的趨勢變化。利 用這種方法檢測得到的干涉條紋如圖2a-2c所示，當待測光束準直時，干涉場中將看到平 行等距且沿分界線連續的直條紋，如圖2a所示；在兩種特殊的情況下，即當楔形鏡的楔角 方向垂直于X軸方向時，兩組干涉條紋沿X軸方向彼此平行，如圖2b所示；當楔形鏡的楔角 方向平行于X軸方向時，兩組干涉條紋沿Y軸方向平行，如圖2c所示。采用此種方法檢測 準直光束的準直度，調整兩反射鏡的遮住的位置時，調整難度高，且在技術上難以保證拼在 一起的兩個半場的干涉條紋的精確度；同時，計算機與光電處理方法復雜，實用性差；采用 這種方法的干涉儀制造成本高，難以推廣。 因此，急需一種結構簡單、容易調整、制造低廉且易于推廣的準直光束檢測裝置。
發明內容
本發明的目的在于提供一種結構簡單、容易調整、制造低廉且易于推廣的準直光束檢測裝置。 為實現上述目的，本發明的技術方案為提供一種準直光束檢測裝置，用于與點光 源配合來檢測準直光束的平行度，其包兩柱面鏡、兩光電探測器、準直鏡、第一透射鏡及第 二透射鏡，兩所述柱面鏡相互平行設置，兩所述柱面鏡為第一柱面鏡及第二柱面鏡，所述第 一柱面鏡及第二柱面鏡的柱面方向呈正交設置；兩所述光電探測器為第一光電探測器及第 二探測器，所述第一光電探測器安裝于所述第一柱面鏡的焦點處，所述第二光電探測器安 裝于所述第二柱面鏡的焦點處；所述準直鏡正對所述第一柱面鏡；所述第一透射鏡為透明 介質，所述第一透射鏡傾斜設置于所述準直鏡與所述第一柱面鏡之間，所述準直鏡、所述第 一透射鏡、所述第一柱面鏡及第一光電探測器依次排列于一條直線上；所述第二透射鏡與 所述第一透射鏡相互平行且位于同一直線上，所述第二透射鏡面對所述第二柱面鏡，所述 第二透射鏡、第二柱面鏡及第二光電探測器依次排列于一條直線上。 較佳地，所述第一透射鏡為半反射半透射鏡，所述準直鏡產生的待測準直光束經 過所述半透射半反射鏡后，半透射半反射鏡產生分光作用，把待測的準直光束分開為兩部 分， 一部分透射后出射到第一柱面鏡，另一部分反射到第二透射鏡，經第二透射鏡反射后出 射到第二柱面鏡，使本發明準直光束檢測裝置的結構簡單，調試方便。 較佳地，所述第二透射鏡為全反射鏡；所述全反射鏡與所述半反射半透射鏡相互 平行且位于同一直線上并與所述第二柱面鏡對應安裝，經半透射半反射鏡反射后的光束入 射到全反射鏡，經全反射鏡轉折光路后，待測光束出射到第二柱面鏡，全反射鏡與半反射半 透射鏡配合應用，減小裝置的整體體積，使裝置的生產成本降低。 較佳地，所述第一透射鏡及第二透射鏡的口徑均大于所述準直鏡產生的準直光束 的直徑，使準直光束經過半透射半反射鏡及全反射鏡時能被完全的反射和透射，提高檢測 質量及精度。 較佳地，本發明準直光束檢測裝置還包括與所述第一光電探測器及第二光電探測 器相對應的第一顯示器及第二顯示器，所述第一顯示器與所述第一光電探測器對應安裝， 所述第二顯示器與所述第二光電探測器對應安裝，顯示器用于將光電探測器檢測到的線性 光斑清楚顯示。 較佳地，所述點光源、所述準直鏡、所述第一透射鏡、所述第一柱面鏡及所述第一 光電探測器依次排列于一條直線上；點光源產生的光束經準直鏡后形成待測的準直光束， 待測的準直光束經過排列于一條直線上的第一透射鏡及第一柱面鏡，減少光路轉折，提高 檢測質量。 與現有技術相比，由于本發明準直光束檢測裝置具有兩相互平行設置的第一柱面 鏡及第二柱面鏡，所述第一柱面鏡及第二柱面鏡的柱面方向呈正交設置；對應的第一光電 探測器和第二光電探測器分別對應安裝于所述第一柱面鏡及第二柱面鏡的焦點處；準直鏡 正述第一柱面鏡安裝；第一透射鏡為透明介質，第一透射鏡傾斜設置于所述準直鏡與所述 第一柱面鏡之間，所述準直鏡、第一透射鏡、第一柱面鏡及第一光電探測器依次排列于一條 直線上；第二透射鏡與第一透射鏡相互平行且位于同一直線上，第二透射鏡面對第二柱面 鏡，且第二透射鏡、第二柱面鏡及第二光電探測器依次排列于一條直線上；點光源產生的 光束經過準直鏡后形成待測的準直光束，該待測準直光束經半反射半透射鏡后被分為兩部 分，其中一部分透過第一透射鏡后出射到第一柱面鏡，另一部分被第一透射鏡反射到第二透射鏡上，經第二透射鏡反射鏡后出射到第二柱面鏡上，經兩柱面鏡后形成兩截面上的線 性光斑，并通過兩光電探測器分別對兩個截面上的線性光斑進行檢測，檢測到的線性光斑 通過顯示器顯示，并通過比較線性光斑的長度，進而實現對準直光束的平行度的檢測；由于 柱面鏡具有只存在單一的軸對稱曲率的特性，通過兩柱面方向正交的柱面鏡對兩個截面上 的準直光束進行檢測，并通過比較檢測所得兩個方向上的線性光斑的長度，實現對準直光 束的平行度的檢測，原理簡單，易于操作，且裝置構造簡潔，整體體積小，生產成本低，適用 面廣，易于推廣。
圖1是現有準直光束檢測的原理示意圖。 圖2是現有準直光束檢測所得的干涉條紋示意圖。 圖3是本發明準直光束檢測裝置的原理示意圖。 圖4是本發明準直光束檢測裝置的準直鏡的原理示意圖。 圖5是本發明準直光束檢測裝置的柱面鏡的原理示意圖。
具體實施例方式
現在參考附圖描述本發明的實施例，附圖中類似的元件標號代表類似的元件。
如圖3所示，本發明準直光束檢測裝置100包括焦距相等的第一柱面鏡40a和第 二柱面鏡40b，第一柱面鏡40a的焦距為Fx，第二柱面鏡40b的焦距為Fy，因此有Fx = Fy， 第一柱面鏡40a和第二柱面鏡40b相互平行設置，且兩柱面鏡40a、40b的柱面方向在同一 側并呈正交的設置，第一柱面鏡40a設置為X軸方向柱面鏡，第二柱面鏡40b設置為Y軸方 向柱面鏡，第一柱面鏡40a和第二柱面鏡40b位于一條直線上，且兩者的中心距離為S ;第 一光電探測器50a和第二光電探測器50b分別與第一柱面鏡40a和第二柱面鏡40b對應安 裝，且兩光電探測器50a、50b分別對應安裝于兩柱面鏡40a、40b的焦點位置處，第一電探測 器50a與第一顯示器60a對應連接，第二電探測器50b與第二顯示器60b對應連接，高分辨 率的光電探測器50a、50b用于對線性光斑的長度進行檢測，提高檢測精度，顯示器60a、60b 用于對檢測到的線性光斑進行顯示；準直鏡20與第一柱面鏡40a對應安裝，用于產生待測 的準直光束，準直鏡20、第一柱面鏡40a、第一光電探測器50a依次排列于一條直線上，且準 直鏡20、第一柱面鏡40a的光軸位于一條直線上，即光軸Cl ;半透射半反射鏡30a傾斜的安 裝于準直鏡20與第一柱面鏡40a之間，該半透射半反射鏡30a位于第一柱面鏡40a與準直 鏡20的光軸所確定的光軸Cl上，用于透射并轉折準直鏡20所產生的待測準直光束；經過 準直鏡20形成的待測準直光束的直徑為d，該半透射半反射鏡30a的口徑大于待測準直光 束的直徑d ;全反射鏡30b與第二柱面鏡40b對應安裝，且全反射鏡30b與半透射半反射鏡 30a相互平行地安裝并位于同一直線上，全反射鏡30b、第二柱面鏡40b及第二光電探測器 60b依次排列于一條直線上，即位于第二柱面鏡40b的光軸C2上，全反射鏡30b用于接收 并轉折半透射半反射鏡30a反射的光束；全反射鏡30b的口徑大于待測準直光束的直徑d ; 由于第一柱面鏡40a和第二柱面鏡40b的中心距為S，半透射半反射鏡30a與全反射鏡30b 之間的光程差也為S ;準直鏡20的焦點一側具有點光源10，點光源10發出的光經準直鏡 20后形成待測的準直光束，待測的準直光束經過半透射半反射鏡30a時產生分光作用，待測的準直光束被分開為兩部分， 一部分透過半透射半反射鏡30a后出射到第一柱面鏡40a， 另一部分被半透射半反射鏡30a反射到全反射鏡30b，經全反射鏡30b反射到第二柱面鏡 40b ;光束經過第一柱面鏡40a和第二柱面鏡40b后形成兩線性光斑，分別用兩光電探測器 50a、50b對兩線性光斑進行檢領U，再對檢測到的兩線性光斑的長度進行計算比較，進而判斷 準直光束的平行度。 結合圖4a-4b，對本發明的準直鏡20的原理進行說明。如圖4a所示，當點光源位 于準直鏡20的焦點位置D時，光線經準直鏡20后出射的光線平行于光軸C3，所有光束的截 面面積在任何位置都相等；如圖4b所示，當點光源位于準直鏡20的焦點位置D外側，即位 于外焦點Dl處時，光線經準直鏡20后出射的光線向光軸C3會聚，所以其光束截面的面積 沿準直光束的出射方向逐漸減小，直至為零；如圖4c所示，當點光源位于準直鏡20的焦點 位置D內側，即位于內焦點D2處時，光線經準直鏡20后出射的光線遠離光軸C3發散，所以 其光束截面的面積沿準直光束的出射方向逐步增大；由此可知，準直鏡20產生準直光束的 條件是點光源位于其焦點位置D處。 結合圖4a_圖5，對本發明兩呈正交設置的柱面鏡40a、40b的原理進行說明，由于 柱面鏡為在光學上只存在單向的軸對稱曲率的光學鏡片，不同于旋轉軸對稱的球面鏡，所 以柱面鏡產生的光焦度只存在一個方向上，對其他方向沒有光焦度，所以對光線沒有偏折 效果，利用此原理，準直光束A經過X軸方向的第一柱面鏡40a時，會形成Y軸方向的線性 光斑，該線性光斑的長度為Ly，其在X軸方向沒有光焦度，對光線沒有偏折聚集效果；準直 光束B經過Y軸方向的第二柱面鏡40b會形成X軸方向的線性光斑，該線性光斑的長度為 Lx，而在Y軸方向沒有光焦度，對光線也沒有偏折聚集效果；若準直鏡20出射的光束沒有發 散角時，對與XY正交的兩個截面上檢測到的線性光斑長度相等，即Lx = Ly ;而當點光源位 于外焦點Dl處時，經準直鏡出射的光線向光軸會聚，經過半透射半反射鏡30a和全反射鏡 30b的光路轉折后，Y軸方向的第二柱面鏡40b形成的線性光斑小于X軸方向的第一柱面鏡 40a形成的線性光斑，即Lx < Ly ;相應地，當點光源位于內焦點D2處時，經準直鏡出射的光 線遠離光軸發散，因此線性光斑的長度與點光源位于外焦點Dl處時相反，即Lx > Ly ;因此 通過檢測與XY正交的兩截面上線性光斑的長度Lx、Ly既可判斷準直光束的平行度；根據檢 測到的正交的兩個截面上的線性光斑的長度，進行計算可得到準直光束的發散角，進而檢 測準直光束的準直度。 結合圖3-圖5，對本發明準直光束檢測裝置100的原理進行詳細說明。點光源10 發出的光束經過準直鏡20后形成平行于光軸CI的待測準直光束，該準直光束的直徑為d， 該待測的準直光束經過半透射半反射鏡30a時，半透射半反射鏡30a對其產生分光作用，把 需要檢測的準直光束分開為兩部分，一部分透過半透射半反射鏡30a后出射到第一柱面鏡 40a，另一部分經半透射半反射鏡30a反射到全反射鏡30b，半透射半反射鏡30a與全反射 鏡30b之間的光程差為S，再經全反射鏡30b反射后出射到第二柱面鏡40b ;由于第一柱面 鏡40a設置于X軸方向上，因此待測準直光束經過第一柱面鏡40a后形成Y軸方向的線性 光斑，其長度為Ly，通過第一光電探測器50a檢測光束通過第一柱面鏡40a后形成的線性光 斑，并通過第一顯示器60a顯示；第二柱面鏡40b設置于Y軸方向上，因此待測準直光束經 過第二柱面鏡40b后形成X軸方向的線性光斑，其長度為Lx，通過第二光電探測器50b檢 測光束經過第二柱面鏡40b后形成的線性光斑，并通過第二顯示器60b顯示；再通過比較兩線性光斑的長度Lx、Ly，判斷待測準直光束的平行度，若Lx = Ly，說明準直光束平行于光軸 Cl，準直鏡20出射的準直光束沒有發散角，即點光源10位于準直鏡20的焦點處；相應地， 若Lx < Ly，說明點光源10位于準直鏡20的外焦點Dl處；若Lx > Ly，說明點光源10位于 準直鏡20的內焦點D2處；因此，通過比較與XY呈現正交的兩截面上的線性光斑的長度Lx、 Ly，就可判斷待測準直光束是否平行與光軸；再根據線性光斑的長度Lx、 Ly，準直光束的直 徑d，光程差S，兩柱面鏡的焦距Fx、 Fy，可計算出被測準直光束的發散角，根據計算出的光 束發散角可對點光源進行調整，保證準直光束的平行度和準直度；根據此原理，該裝置還可 用于檢測準直鏡20本身的質量，即點光源10精確設置于準直鏡20的焦點處，則根據檢測 到的準直光束的平行度，可判斷準直鏡20的準直質量。 以上僅對具有兩呈正交設置的第一柱面鏡40a、第二柱面鏡40b的準直光束檢測
裝置100的原理及結構進行了描述，但不限于該實施例，本發明準直光束檢測裝置100還可
根據實際需要，增加多個柱面鏡，對準直光束的多個截面的線性光斑進行檢測。 本發明準直光束檢測裝置100的光電探測器50a、50b的原理等均為本領域普通技
術人員所熟知，在此不再做詳細的說明。 以上所揭露的僅為本發明的優選實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利 范圍，因此依本發明申請專利范圍所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。
權利要求
一種準直光束檢測裝置，用于與點光源配合檢測準直光束的平行度，其特征在于，包括兩相互平行設置的柱面鏡，兩所述柱面鏡為第一柱面鏡及第二柱面鏡，所述第一柱面鏡及第二柱面鏡的柱面方向呈正交設置；兩光電探測器，兩所述光電探測器為第一光電探測器及第二光電探測器，所述第一光電探測器安裝于所述第一柱面鏡的焦點處，所述第二光電探測器安裝于所述第二柱面鏡的焦點處；準直鏡，所述準直鏡正對所述第一柱面鏡；第一透射鏡，所述第一透射鏡為透明介質，所述第一透射鏡傾斜設置于所述準直鏡與所述第一柱面鏡之間，所述準直鏡、所述第一透射鏡、所述第一柱面鏡及所述第一光電探測器依次排列于一條直線上；第二透射鏡，所述第二透射鏡與所述第一透射鏡相互平行且位于同一直線上，所述第二透射鏡面對所述第二柱面鏡，所述第二透射鏡、所述第二柱面鏡及所述第二光電探測器依次排列于一條直線上。
2. 如權利要求1所述的準直光束檢測裝置，其特征在于所述第一透射鏡為半反射半 透射鏡。
3. 如權利要求l所述的準直光束檢測裝置，其特征在于所述第二透射鏡為全反射鏡。
4. 如權利要求1所述的準直光束檢測裝置，其特征在于所述第一透射鏡及第二透射 鏡的口徑均大于所述準直鏡產生的準直光束的直徑。
5. 如權利要求1所述的準直光束檢測裝置，其特征在于還包括與所述第一光電探測 器及第二光電探測器相對應的第一顯示器及第二顯示器，所述第一顯示器與所述第一光電 探測器對應安裝，所述第二顯示器與所述第二光電探測器對應安裝。
6. 如權利要求1所述的準直光束檢測裝置，其特征在于所述點光源、所述準直鏡、所 述第一透射鏡、所述第一柱面鏡及所述第一光電探測器依次排列于一條直線上。
全文摘要
本發明公開了一種準直光束檢測裝置，包括兩相互平行且柱面方向呈正交設置的第一柱面鏡及第二柱面鏡、分別對應安裝于兩柱面鏡焦點處的第一光電探測器及第二光電探測器、與第一柱面鏡正對的準直鏡、第一透射鏡及第二透射鏡；第一透射鏡為透明介質且傾斜設置于準直鏡與第一柱面鏡之間，準直鏡、第一透射鏡、第一柱面鏡及第一光電探測器依次排列于一條直線上；第二透射鏡與第一透射鏡相互平行且位于同一直線上，并面對第二柱面鏡，第二透射鏡、第二柱面鏡及第二光電探測器依次排列于一條直線上；本發明利用柱面鏡只存在單向軸對稱曲率的特性，對準直光束的平行度進行檢測，因此裝置結構簡單、容易調整、制造低廉且易于推廣的準直光束檢測裝置。
文檔編號G01B11/27GK101701804SQ200910209490
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月4日 優先權日2009年11月4日
發明者周倩, 孫滿龍, 廖漢忠, 王德熙, 程雪岷, 陳良俊, 馬建設 申請人:東莞市宏華光電科技有限公司;清華大學深圳研究生院