專利名稱：對光束的準直性進行檢測的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電檢測技術領域，具體涉及一種對光束的準直性進行檢測的方法和
直O
背景技術：
如今，激光由于其單色性好、亮度高、發散角小、相干性好而被廣泛應用于激光測距、激光焊接、激光切割、激光手術等各方面領域。然而，激光為具有一定發散角的點光源。 尤其地，為了使用方便，通常采用帶尾纖的激光器，或者為了進行濾波，輸出的激光通常經過帶小孔的空間波濾波器。在光電檢測技術領域，比如，基準面的檢測，機床的控制等，對激光準直性的檢測就顯得極其重要。傳統基于光學干涉的原理對光束的準直性進行檢測的方法光電處理方法復雜，調制難度高，實用性差。為了簡化結構，在申請號為200910209490. 5 的中國專利申請中，廖漢忠等人提出了利用柱面透鏡單方向軸對稱曲率的特性，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。然而由于利用了兩個柱面透鏡， 兩個光電探測器，并且光電探測器要位于柱面鏡的焦面位置，調整麻煩，調整精度不高。
發明內容
本發明提供了一種對光束的準直性進行檢測的方法和裝置，基于全反射的原理， 調整簡單且成本低。一種對光束的準直性進行檢測的方法，包括以下步驟(1)激光器出射的光束，經過單模光纖濾波濾去高階模式；(2)濾波后的光束經過準直透鏡進行準直調整后，成為待測光束；(3)將所述的待測光束入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內發生至少一次全反射；(4)在斜方棱鏡內發生全反射后的光束出射后，被光電探測器接收，將光強信號轉化為電信號，送入到探測器的驅動和顯示單元中，探測器的驅動和顯示單元對收集到的電信號進行分析，顯示待測光束的歸一化剖面光強分布曲線。另一種可選的技術方案中，在所述的步驟(3)中，先將所述的待測光束經過孔闌后成為環形光束，再將所述的環形光束入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內發生至少一次全反射。其中，所述的步驟(1)中，所述的激光器出射的光束為波長在380 780nm范圍內的可見光。其中，所述的步驟O)中，所述的準直透鏡可以為正透鏡，也可以為正透鏡組。其中，所述的步驟(3)中，所述的斜方棱鏡的入射面的尺寸大于所述準直透鏡產生的待測光束的直徑。其中，所述的步驟⑷中所述的光電探測器可以為電荷耦合器件(CCD)，也可以是互補金屬氧化物半導體(CMOS)陣列探測器。本發明還提供了一種對光束的準直性進行檢測的裝置，用于上述的檢測方法中，包括第一部件組、第二部件組、第三部件組和第四部件組，其中，所述的第一部件組，由激光器和單模光纖依次構成，用于發射出激光，并對其進行濾波處理濾去高階模式；所述的第二部件組，為準直透鏡，用于對由單模光纖出射的激光束進行準直調整， 得到待測光束；所述的第三部件組，為斜方棱鏡，使得從準直透鏡出射的待測光束在其中發生至少一次全反射；所述的第四部件組，依次包括光電探測器以及探測器的驅動和顯示單元，所述的光電探測器用于接收在斜方棱鏡內發生至少一次全反射后出射的光束，并將光強信號轉化為電信號；所述的探測器驅動和顯示單元用于接收所述的電信號和進行處理，并顯示待測光束的歸一化剖面光強分布曲線；所述的各部件組的相對位置為所述的第一部件組、第二部件組和第三部件組依次位于所述的激光器發射出的光線的光路上，并且第一部件組和第三部件組均位于第二部件組的光軸上。第四部件組位于第三部件組出射光路上。另一種可選的技術方案中，所述的第三部件組為孔闌和斜方棱鏡，使得從準直透鏡出射的待測光束變成環形光束，入射到斜方棱鏡上并在其中發生至少一次全反射。其中，所述的準直透鏡可以為正透鏡，也可以為正透鏡組。其中，所述的斜方棱鏡的入射面的尺寸大于所述準直透鏡產生的待測光束的直徑，使得待測光束通過斜方棱鏡時全部光束均能進入發生全反射，提高測量質量和精度。其中，所述的光電探測器可以是電荷耦合器件(CCD)，也可以是互補金屬氧化物半導體(CMOS)陣列探測器。本發明的方法和裝置的基本原理如下當單模光纖出射的光束位于準直透鏡的一倍焦距時，經準直透鏡出射的光線均平行于準直透鏡的光軸，此時，待測光束為準直光束，直接入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內至少發生一次全反射后，出射光束被光電探測器接收，這時探測器的驅動和顯示單元顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線，應呈高斯分布；如待測光束先經過光闌，再入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內至少發生一次全反射后，出射光束被光電探測器接收，這時探測器的驅動和顯示單元顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線，中心為暗斑且兩側最高光強相等。當單模光纖出射的光束位于準直透鏡的一倍焦距以外時，經準直透鏡出射的光線，沿光軸匯聚，此時，待測光束為匯聚光束，直接入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內至少發生一次全反射后，出射光束被光電探測器接收，這時探測器的驅動和顯示單元顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線，最高光強向左偏移；如待測光束先經過光闌，再入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內至少發生一次全反射后，出射光束被光電探測器接收，這時探測器的驅動和顯示單元顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線，中心為暗斑且左側最高光強大于右側最高光強。當單模光纖出射的光束位于準直透鏡的一倍焦距以內時，經準直透鏡出射的光線，沿光軸發散，此時，待測光束為發散光束，直接入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內至少發生一次全反射后，出射光束被光電探測器接收，這時探測器的驅動和顯示單元顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線，最高光強向右偏移；如待測光束先經過光闌，再入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內至少發生一次全反射后，出射光束被光電探測器接收，這時探測器的驅動和顯示單元顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線，中心為暗斑且左側最高光強小于右側最高光強。相對于現有技術，本發明具有以下有益的技術效果(1)利用了發生全反射時反射率對角度敏感的原理，提高系統的靈敏度；(2)結構簡單，易于調整，制造成本低；(3)對光束準直性的檢測，原理簡單，通過判斷歸一化剖面光強分布曲線最高光強的位置，既可以判斷光束是否準直，還可以確定是匯聚還是發散。
圖1為本發明對光束的準直性進行檢測的裝置的第一種實施例的原理示意圖。圖2為采用圖1的裝置時待測光束準直、匯聚和發散時歸一化剖面光強分布曲線。圖3待測光束為S偏振光(垂直偏振光)和P偏振光(平行偏振光)在不同入射角度時的歸一化反射率曲線。圖4為入射光在斜方棱鏡內部發生兩次反射時的光線示意圖。圖5為本發明對光束的準直性進行檢測的裝置的第二種實施例的原理示意圖。圖6為采用圖5的裝置時待測光束準直、匯聚和發散時歸一化剖面光強分布曲線。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明并不僅限于此。實施例1 如圖1所示，一種對光束的準直性進行檢測的裝置，包括激光器1、單模光纖2、 準直透鏡3、斜方棱鏡4、光電探測器5、探測器驅動與顯示單元6。激光器1、單模光纖2構成第一部件組，準直透鏡3為第二部件組，斜方棱鏡4為第三部件組，光電探測器5和探測器驅動與顯示單元6為第四組件組。第一部件組、第二部件組和第三部件組依次位于所述的激光器發射出的光線的光路上，并且第一部件組和第三部件組均位于第二部件組的光軸上。第四部件組位于第三部件組出射光路上。激光器1發出的激光經過單模光纖2濾去高階模式，再經過準直透鏡3進行準直調整后，得到待測光束。待測光束入射到斜方棱鏡4上，在斜方棱鏡4內部發生至少一次全反射，最后出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號，同時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線。具體原理如下當單模光纖2出射的光束位于準直透鏡3的一倍焦距處，經準直透鏡后的光線均平行于準直透鏡的光軸，所有光束的截面面積在任何位置都相等。該光束入射到斜方棱鏡4 上，在斜方棱鏡4的內部發生至少一次全反射，出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號，此時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線，呈高斯分布，如圖2中曲線(a)所示。
當單模光纖2出射的光束位于準直透鏡3的一倍焦距以外處，經準直透鏡后的光線，沿光軸匯聚。該光束入射到斜方棱鏡4上，在斜方棱鏡4的內部發生至少一次全反射，出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號，此時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線中最高光強向左偏移，如圖2中曲線(b)所示。當單模光纖2出射的光束位于準直透鏡3的一倍焦距以內處，經準直透鏡后的光線，沿光軸發散。該光束入射到斜方棱鏡4上，在斜方棱鏡4的內部發生至少一次全反射，出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號，此時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線中最高光強向右偏移，如圖2中曲線(c)所示。單模光纖2出射后的光束經過準直透鏡3后，得到的待測光束入射到斜方棱鏡4 上發生反射時，反射率隨入射角度的變化如圖3所示，在發生全反射的臨界角01.8° )附近反射率有急劇變化。因此，先調整斜方棱鏡4的位置，使得待測光束的入射角在臨界角01.8° )附近， 讓其反射光不是100%的反射，此時有部分透射光。這樣當單模光纖2出射的光束偏離準直透鏡3的一倍焦距位置處，經準直透鏡3出射后的光束變成發散或者匯聚光束，入射到斜方棱鏡4上發生全反射時造成中心光線兩側的反射率不一樣。這樣當光電探測器接收到光束后，根據探測器的驅動和顯示單元中顯示的光束的歸一化剖面光強分布曲線中最高光強的位置的情況，可以判斷經過準直透鏡后的待測光束是準直，還是匯聚或者發散。圖4給出了在斜方棱鏡4內發生兩次全反射時的光線示意圖，入射光線8在界面A 發生一次全反射，接著在界面B發生第二次全反射，如果斜方棱鏡4長度增加，可使全反射次數增加。實施例2:如圖5所示，一種對光束的準直性進行檢測的裝置，包括激光器1、單模光纖2、準直透鏡3、孔闌7、斜方棱鏡4、光電探測器5、探測器驅動與顯示單元6。激光器1、單模光纖2構成第一部件組，準直透鏡3為第二部件組，孔闌7和斜方棱鏡4為第三部件組，光電探測器5和探測器驅動與顯示單元6為第四組件組。第一部件組、 第二部件組和第三部件組依次位于所述的激光器發射出的光線的光路上，并且第一部件組和第三部件組均位于第二部件組的光軸上。第四部件組位于第三部件組出射光路上。激光器1發出的激光經過單模光纖2濾去高階模式，再經過準直透鏡3得到待測光束。待測光束經過孔闌7后成為環形光束，該環形光束入射到斜方棱鏡4上，在斜方棱鏡 4內部發生至少一次全反射，最后出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號， 同時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線。具體原理如下當單模光纖2出射的光束位于準直透鏡3的一倍焦距處，經準直透鏡后的光線均平行于準直透鏡的光軸，經過孔闌7后成為環形光束。該環形光束入射到斜方棱鏡4上， 在斜方棱鏡4的內部發生至少一次全反射，出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號，此時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線中，中心為暗斑且兩側最高光強相等，如圖6中曲線(a)所示。當單模光纖2出射的光束位于準直透鏡3的一倍焦距處，經準直透鏡后的光線，沿光軸匯聚，經過孔闌7后成為環形光束。該環形光束入射到斜方棱鏡4上，在斜方棱鏡4的內部發生至少一次全反射，出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號，此時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線中，中心為暗斑且左側最高光強大于右側最高光強，如圖6中曲線(b)所示。當單模光纖2出射的光束位于準直透鏡3的一倍焦距處，經準直透鏡后的光線，沿光軸發散，經過孔闌7后成為環形光束。該環形光束入射到斜方棱鏡4上，在斜方棱鏡4的內部發生至少一次全反射，出射光束被光電探測器5接收，光強信號轉化為電信號，此時探測器的驅動與顯示單元6顯示收集到的光束的歸一化剖面光強分布曲線中，中心為暗斑且左側最高光強小于右側最高光強，如圖6中曲線(c)所示。因此，當光電探測器接收到光束后，根據探測器的驅動和顯示單元中顯示的光束的歸一化剖面光強分布曲線中左右兩側的光強分布的情況，可以判斷經過準直透鏡后的待測光束是準直，還是匯聚或者發散。
權利要求
1.一種對光束的準直性進行檢測的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)激光器出射的光束，經過單模光纖濾波濾去高階模式；(2)濾波后的光束經過準直透鏡進行準直調整后，成為待測光束；(3)將所述的待測光束入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內發生至少一次全反射；(4)在斜方棱鏡內發生全反射后的光束出射后，被光電探測器接收，將光強信號轉化為電信號，送入到探測器的驅動和顯示單元中，探測器的驅動和顯示單元對收集到的電信號進行分析，顯示待測光束的歸一化剖面光強分布曲線。
2.如權利要求1所述的對光束的準直性進行檢測的方法，其特征在于，在所述的步驟 (3)中，先將所述的待測光束經過孔闌后成為環形光束，再將所述的環形光束入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內發生至少一次全反射。
3.如權利要求1或2所述的對光束的準直性進行檢測的方法，其特征在于，所述的步驟 (1)中，所述的激光器出射的光束為波長在380 780nm范圍內的可見光。
4.如權利要求1或2所述的對光束的準直性進行檢測的方法，其特征在于，所述的步驟(3)中所述的斜方棱鏡的入射面的尺寸大于所述準直透鏡產生的待測光束的直徑。
5.如權利要求1或2所述的對光束的準直性進行檢測的方法，其特征在于，所述的步驟(4)中，所述的光電探測器為電荷耦合器件或互補金屬氧化物半導體陣列探測器。
6.用于如權利要求1所述的對光束的準直性進行檢測的方法的裝置，包括第一部件組、第二部件組、第三部件組和第四部件組，其中，所述的第一部件組，由激光器和單模光纖依次構成，用于發射出激光，并對其進行濾波處理濾去高階模式；所述的第二部件組，為準直透鏡，用于對由單模光纖出射的激光束進行準直調整，得到待測光束；所述的第三部件組，為斜方棱鏡，使得從準直透鏡出射的待測光束在其中發生至少一次全反射；所述的第四部件組，依次包括光電探測器以及探測器的驅動和顯示單元，所述的光電探測器用于接收在斜方棱鏡內發生至少一次全反射后出射的光束，并將光強信號轉化為電信號；所述的探測器驅動和顯示單元用于接收所述的電信號和進行處理，并顯示待測光束的歸一化剖面光強分布曲線；所述的各部件組的相對位置為所述的第一部件組、第二部件組和第三部件組依次位于所述的激光器發射出的光線的光路上，并且第一部件組和第三部件組均位于第二部件組的光軸上。第四部件組位于第三部件組出射光路上。
7.用于如權利要求2所述的對光束的準直性進行檢測的方法的裝置，包括第一部件組、第二部件組、第三部件組和第四部件組，其中，所述的第一部件組，由激光器和單模光纖依次構成，用于發射出激光，并對其進行濾波處理濾去高階模式；所述的第二部件組，為準直透鏡，用于對由單模光纖出射的激光束進行準直調整，得到待測光束；所述的第三部件組，為孔闌和斜方棱鏡，使得從準直透鏡出射的待測光束變成環形光束，入射到斜方棱鏡上并在其中發生至少一次全反射；所述的第四部件組，依次包括光電探測器以及探測器的驅動和顯示單元，所述的光電探測器用于接收在斜方棱鏡內發生至少一次全反射后出射的光束，并將光強信號轉化為電信號；所述的探測器驅動和顯示單元用于接收所述的電信號和進行處理，并顯示待測光束的歸一化剖面光強分布曲線；所述的各部件組的相對位置為所述的第一部件組、第二部件組和第三部件組依次位于所述的激光器發射出的光線的光路上，并且第一部件組和第三部件組均位于第二部件組的光軸上。第四部件組位于第三部件組出射光路上。
8.如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述的準直透鏡可以為正透鏡，也可以為正透鏡組。
9.如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，所述的斜方棱鏡的入射面的尺寸大于所述準直透鏡產生的待測光束的直徑。
10.如權利要求6或7所述的裝置，其特征在于，其中，所述的光電探測器為電荷耦合器件或互補金屬氧化物半導體陣列探測器。
全文摘要
本發明公開了一種對光束的準直性進行檢測的方法和裝置，該方法包括將激光器出射的光束濾波后，經過準直透鏡進行準直調整后，入射到斜方棱鏡上并在其中發生至少一次全反射，然后出射光束被光電探測器接收，信號送入到探測器的驅動和顯示單元中，經分析后顯示待測光束的歸一化剖面光強分布曲線，據此可以判斷光束是否準直，并且確定非準直光束是匯聚還是發散。用于實現上述方法的裝置包括激光器、單模光纖、準直透鏡、斜方棱鏡、光電探測器、探測器驅動與顯示單元。本發明利用了發生全反射時反射率對角度敏感的原理，提高系統的靈敏度；結構簡單，易于調整，制造成本低；檢測方法簡單，方便易操作。
文檔編號G01M11/02GK102183359SQ201110043419
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月23日 優先權日2011年2月23日
發明者劉旭, 匡翠方, 庫玉龍, 王婷婷, 郝翔 申請人:浙江大學