专利名称：一种无衍射光空间直线度基准的发生装置的制作方法
技术领域：
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种无衍射光空间直线度基准的发生装置，该装置所提供的基准不受激光器及附加光学组件变形引起的光束漂移的影响、且对空气扰动不敏感。可以解决现有中、长距离直线度基准误差大的难题，实现中、长距离的直线度误差精密测量。
“自适应除噪技术在激光准直中的应用研究”(见《仪器仪表学报》，1995，16(4)370-373。)提出了一种多点监测、综合补偿的准直方法及相应的设备。He-Ne激光器输出的光束经扩束后得到的光束是目前最常用的一种直线度基准，由于光束直径一般为φ6-φ30mm，空气扰动引起的光束漂移较大，产生了基准误差。另外，激光器和附加光学组件的变形也会引起光束漂移(包括光束的偏心和偏向)，直线度的基准误差为10μm/10m。因此，克服激光光束的漂移是提高准直技术的关键之一。
为实现上述发明目的，无衍射光空间直线度基准的发生装置，包括依次位于同一光路上的激光器、光学调整器和无衍射光发生器，光学调整器为小焦距透镜或由透镜组和精密位置调整器构成，并满足理论比值ωR/ω0≥10，其中，ωR为无衍射光发生器处的高斯波半径，ω0为激光束束腰半径。
上述无衍射光发生器可以为锥镜、环缝与透镜组件、计算机全息片或二元光学组件。
作为本发明的改进，可在激光器与光学调整器之间设有扩束镜和空间滤波器。
本发明将无衍射光理论和技术应用于直线度误差测量技术，很好地解决了现有中、长距离直线度误差测量因直线度基准误差大而产生的精度低的难题。与对比文献相比，本发明的发散球面波无衍射光束直线基准有其优势。激光束经过光学调整器形成发散球面波，发散球面波的发散半角δ0≤10/400Sr。激光束多采用高斯波，高斯波波前的曲率R＝-400～-10000mm，理论比值ωR/ω0≥10。发散球面波再经无衍射光发生器形成发散球面波无衍射光束，即新型无衍射光空间直线度基准，取最大无衍射距离Zmax＝3～200米。发散球面波光束偏心平动偏移偏心量(＜0.5mm)对无衍射光束直线基准的影响很小，理论上为零。发散球面波光束偏向对无衍射光束直线基准的影响试验试验比例系数＜0.04，理论比例系数＜0.008，即可以获得基本不受激光器和附加光学组件的变形引起的光束漂移影响的稳定性好的新型无衍射光光束，且任何截面的光环组畸变小。进而实现中、长距离的直线度误差测量。
从随机非均匀介质的成象的理论可以知道，光学望远镜成象系统的口径越大，空气扰动引起的光束漂移越小，由于无衍射光束可以采用比准直激光束大得多的光学口径，大光学口径的无衍射光束肯定比准直激光束的空气扰动引起的基准误差小。新型无衍射光空间直线度基准，在与准直激光束具有相同的高精度的条件下，应用于大距离的直线度基准。对比文献中的直线度基准距离只能达到几米，而本发明的直线度基准距离最大可达到200米。
本发明还利用无衍射光束沿着传播方向的任何截面都有一组光环，其大小随距离变化不大，而且特别体现为光束截面的中心光斑直径小。这一特性形成了一条空间无衍射光束中心直线，因而，无衍射光的光轴可以用作直线度误差测量的直线基准。某截面无衍射光光环的大小只与无衍射光发生器的参数有关，定位某截面无衍射光光环的中心所用传感器可以小，且无衍射光光环的信息量大，定位无衍射光光环的中心的精度高。
本发明的另一个主要特点是本发明的直线度基准发生装置具有结构简单、制造简便、成本低廉和稳定性好等优点。
如
图1所示，本发明包括依次位于同一光路上的激光器1、光学调整器2和无衍射光发生器4，图中3表示直线度基准。该发生装置由两个部分组成其一是发散球面波光束的产生部分本实施例采用功率mW级、波长λ＝0.6328μm的He-Ne激光器或功率mW级、波长λ＝0.699μm的半导体激光器。为实现更好的技术效果，可以在激光器1与光学调整器2之间增设一个扩束镜5和空间滤波器6。扩束镜可以采用扩束倍数大于30倍的透镜组组成，例如由一个焦距小于1.5mm和一个焦距50mm的凸透镜组成，且透镜组的间距可微调。
其二是无衍射光束的直线度基准产生部分包括光学调整器和2和无衍射光发生器4二组件。光学调整器可以采用小焦距透镜或由一个焦距为大于-100mm的透镜组和一个精密位置调整器组成。无衍射光发生器，本发明可采用现有的各种无衍射光发生装置，如现在已有的环缝法、axicon透镜法、可编程空间调制器法、计算机全息法、二元光学法等所采用的发生装置，其中axicon透镜的效率最高。本发明用axicon透镜在有限长的距离内产生近似的无衍射光束。图3所示的即axicon透镜，可简称锥镜(axicon)，是用Acrilic塑料在NanoFrom-300超精度车床上加工而成，锥角φ＝0.01Sr，折射率n＝1.51，波长λ＝0.6328μm时，波数k＝2π(n-1)θ/λ＝0.0506，p＝54.6μm。
激光器产生的激光束经过扩束镜、空间滤波器，形成比较均匀的平面波；经光学调整器处理后成为发散球面入射光，再经无衍射光发生器形成稳定性好的新型无衍射光，定位某截面无衍射光光环的中心为轴心线的一个点，所有截面光环的中心的集合代表无衍射光的轴心线，即形成无衍射光直线度误差测量的基准。光学调整器必须保证发散球面波的发散条件，要求理论比值ωR/ω0≥10，其中，ωR为距离无衍射光发生器处的高斯波半径，ω0为激光束束腰半径。为此，本发明中光学调整器采用由一个焦距大于-100mm的透镜组和一个精密位置调整器组成，可以在3～200m距离范围内的产生无衍射光直线度误差测量的基准。光学调整器也可以采用小焦距透镜或其它满足上述条件的光学调整器。
近距离时，本发明的发散球面波无衍射光束直线基准与激光束法的基准同性能，但对中、长距离测量本发明具有明显地优势，本发明的无衍射光光环的信息量大，定位无衍射光光环的中心的精度高。
权利要求
1.一种无衍射光空间直线度基准的发生装置，包括激光器，其特征在于该装置还包括光学调整器(2)和无衍射光发生器(4)，所述激光器(1)、光学调整器(2)和无衍射光发生器(4)依次位于同一光路上，光学调整器(2)为小焦距透镜或由透镜组和精密位置调整器构成，并满足理论比值ωR/ω0≥10，其中，ωR为距离无衍射光发生器处的高斯波半径，ω0为激光束束腰半径。
2.根据权利要求1所述的无衍射光空间直线度基准的发生装置，其特征在于在激光器(1)与光学调整器(2)之间设有扩束镜(5)和空间滤波器(6)。
3.根据权利要求1或2所述的无衍射光空间直线度基准的发生装置，其特征在于所述无衍射光发生器(4)为锥镜、环缝与透镜组件、计算机全息片或二元光学组件。
全文摘要
无衍射光空间直线度基准的发生装置，包括依次位于同一光路上的激光器、光学调整器和无衍射光发生器，光学调整器光学调整器必须保证光束的发散条件理论比值ω(R)/ω
文档编号G01C15/00GK1444013SQ02115589
公开日2003年9月24日 申请日期2002年3月8日 优先权日2002年3月8日
发明者张新宝, 赵斌, 周丽萍, 曾文涵, 郭军 申请人:华中科技大学