调焦光源发射光学系统光轴指向检测装置及方法与流程

1.本发明涉及光轴指向检测技术领域，具体涉及一种调焦光源发射光学系统光轴指向检测装置及方法。


背景技术：

2.在激光精密测量领域，越来越多的使用调焦式激光发射光学系统发射激光。通过调焦，可以将出射激光准确地汇聚在被测物体表面，提高了光能利用率和空间分辨率。由于调焦机构的加工、装调存在误差，调焦过程中出射激光的光轴方向将会发生变化。这将导致测量结果不准确。例如在精密激光测距时，如果发射激光的光轴发生变化，则实际测量的方向发生变化，造成测量不准确。因此需要对光学系统调焦过程中光轴的指向变化进行测量。
3.现有的检测调焦光学系统光轴指向变化的装置有：检调管、内调焦望远镜、基于psd以及四象限探测器等位置敏感元件的检测装置。
4.其中，检调管可以建立一系列由近距离到无穷远的虚像，相当于同轴目标。被检测调焦光学系统通过调焦对这一些列目标成像，通过图像判断被检测调焦光学系统的光轴指向。这种方法只能对用于成像的调焦光学系统进行光轴指向检测，不适用于调焦式激光发射光学系统的光轴检测。
5.内调焦望远镜自身具有调焦功能，可以接收调焦式激光发射光学系统发出的光束并汇聚在其内部的分划板上。如果被测光学系统存在光轴指向变化，则内在调焦望远镜分划板上可以测量出光斑的横向位移。这种方法的问题在于，内调焦望远镜在测量的时候也需要调焦，其自身的光轴在调焦过程中也会发生变化，通常会达到4
″
～10
″
，不满足高精度光轴指向精度检测的需求。
6.基于psd以及四象限探测器等位置敏感元件的检测装置可以接收调焦光源发射光学系统发出的激光，分析出射光的光轴与探测器交点的位置。但是这种方式中传感器的有效面积通常较小，随着被测光学系统调焦，照射到探测器表面的光斑将变大，当光斑超出探测器的敏感面后，无法使用。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提出了一种调焦光源发射光学系统光轴指向检测装置及方法，能够实现调焦光源发射光学系统在调焦过程中的光轴指向的高精度测量。
8.为实现上述目的，本发明的技术方案为：
9.本发明的一种调焦光源发射光学系统光轴指向检测装置，包括直线运动平台、光斑位置探测单元以及指示激光器；其中直线运动平台包括基座、运动平台以及位置测量装置，所述位置测量装置用于对运动平台的运动距离进行测量；光斑位置探测单元包括安装在同一基体上的两个光斑位置探测器，一个记录调焦光学系统的光斑位置变化，另一个用于记录指示激光器发出的光；指示激光器发出准直的可见光，作为方向基准；测量初始状态，光斑位置探测单元固定在直线运动平台上，且两个探测器的光敏面与运动轴线垂直；指
示激光器以及被测光学系统放置在直线运动平台的运动轴线的延长线上，与直线运动平台分离，运动平台移动至与被测光学系统距离最近处。
10.其中，所述调焦光源发射系统，以激光作为光源。
11.其中，所述位置测量装置为光栅尺或激光干涉仪。
12.其中，所述探测器为图像或光斑位置敏感元件。
13.本发明还提供了一种调焦光源发射光学系统光轴指向检测方法，采用本发明所述的装置实现检测，包括如下步骤：
14.步骤1，将检测装置调整到测量初始状态，运动平台此时的位置定为0点；
15.步骤2，调整指示激光器使指示激光入射至指示激光器对应的探测器中央，并使指示激光器光轴与直线运动平台的运动轴线平行；对被测光学系统调焦，使其出射的光斑汇聚在光学系统的光斑位置变化对应的探测器中央，并使被测光学系统光轴与直线运动平台的运动轴线平行；
16.步骤3，以直线运动平台的运动轴线为z轴，以两个探测器的中心o1、o2为顶点，分别建立o1-xyz直角坐标系和o2-xyz直角坐标系；以当前位置作为参考点，记录调焦光学系统的光斑中心在对应探测器上的位置(x11，y11)，记录指示激光的光斑中心在对应探测器上的位置(x21，y21)；
17.步骤4，将移动平台带动光斑位置探测单元移动距离l，调焦使被测光学系统发出的光汇聚在光学系统的光斑位置变化对应的探测器上，记录此时该探测器的光斑中心位置(x
12
,y
12
)，以及另一个探测器的光斑中心位置(x
22
,y
22
)；
18.步骤5，计算经过调焦后的光轴指向的变化量其中调焦光学系统出射光斑的距离δd为：
19.有益效果：
20.1、本发明装置包括直线运动平台、光斑位置探测单元以及指示激光器。其中直线运动平台包括基座和运动平台，并带有一个能够测量位置的装置，实现对运动平台的运动距离进行精确测量；光斑位置探测单元包括安装在同一基体上的两个光斑位置探测器，反映直线运动平移台运动的非线性；指示激光器发出准直的可见光，作为方向基准，通过直接接收调焦光学系统出射的光斑，测量长距离范围内光斑的位置变化，解决了调焦光源发射光学系统在调焦过程中的光轴指向的高精度测量问题。
21.2、本发明方法利用长距离直线运动平台和光斑位置探测装置，记录不同空间位置处调焦光源发射系统出射光的汇聚位置，计算调焦过程中系统光轴的指向变化，通过直接接收调焦光学系统出射的光斑，测量长距离范围内光斑的位置变化，解决了调焦光源发射光学系统在调焦过程中的光轴指向的高精度测量问题。
22.3、本发明根据光的直线传播原理，对距离为l的两个位置分别调焦，使光束汇聚。测量出距离l的两个位置处，光斑在垂直于光束传播方向的移动距离δd，从而计算出调焦后光轴指向的变化量，适用于所有调焦式光源发射光学系统的光轴检测。
附图说明
23.图1为本发明检测装置示意图。
24.图2为本发明中的光斑位置探测单元示意图。
具体实施方式
25.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
26.调焦光源发射光学系统可以将光束汇聚在不同距离处。根据光的直线传播原理，对距离为l的两个位置分别调焦，使光束汇聚。如果能够测量出距离l的两个位置处，光斑在垂直于光束传播方向的移动距离δd，则可以计算出调焦后光轴指向的变化量：
[0027][0028]
根据上述原理，本发明克服现有技术手段在调焦光源发射系统光轴指向检测上的缺陷，利用长距离直线运动平台和光斑位置探测装置，记录不同空间位置处调焦光源发射系统出射光的汇聚位置，计算调焦过程中系统光轴的指向变化，用于调焦光源发射光学系统的光轴检测，对调焦过程中光学系统的实际光轴指向变化进行测量。
[0029]
本发明的调焦光源发射系统光轴指向检测装置如图1所示，本发明的检测装置包括直线运动平台、光斑位置探测单元以及指示激光器。其中直线运动平台包括基座、运动平台以及位置测量装置，如采用光栅尺或激光干涉仪，用于对运动平台的运动距离进行精确测量；光斑位置探测单元包括安装在同一基体上的两个光斑位置探测器(探测器1和探测器2)，探测器1用于记录调焦光学系统的光斑位置变化，探测器2用于记录指示激光器发出的光，反映直线运动平移台运动的非线性，具体地，探测器1、探测器2可以使用图像或光斑位置敏感元件实现，光斑位置探测单元如图2所示；指示激光器发出准直的可见光，作为方向基准。测量初始状态，光斑位置探测单元固定在直线运动平台上，且两个探测器的光敏面与运动轴线垂直；指示激光器以及被测光学系统放置在直线运动平台的运动轴线的延长线上，与直线运动平台分离，运动平台移动至与被测光学系统距离最近处。
[0030]
进一步地，对于以激光作为光源的调焦光源发射系统即调焦激光发射光学系统，本发明检测装置能够实现精确的检测。
[0031]
本发明还提出了一种调焦光源发射系统光轴指向检测方法，采用本发明检测装置，具体实现步骤如下：
[0032]
步骤1，将检测装置调整到测量初始状态，运动平台此时的位置定为0点；
[0033]
步骤2，调整指示激光器使指示激光入射至探测器2中央，并使指示激光器光轴与直线运动平台的运动轴线平行；对被测光学系统调焦，使其出射的光斑汇聚在探测器1中央，并使被测光学系统光轴与直线运动平台的运动轴线平行。
[0034]
步骤3，以直线运动平台的运动轴线为z轴，以探测器1和探测器2的中心o1、o2为顶点，分别建立o1-xyz直角坐标系和o2-xyz直角坐标系。以当前位置作为参考点，记录调焦光学系统的光斑中心在探测器1上的位置(x11，y11)，记录指示激光的光斑中心在探测器2上的位置(x21，y21)。
[0035]
步骤4，将移动平台带动光斑位置探测单元移动距离l，调焦使被测光学系统发出的光汇聚在探测器1上，记录此时探测器1的光斑中心位置(x
12
,y
12
),探测器2的光斑中心位
置(x
22
,y
22
)。
[0036]
步骤5，计算经过调焦后的光轴指向的变化量其中调焦光学系统出射光斑的距离δd为：
[0037][0038]
综上，本发明通过直接接收调焦光学系统出射的光斑，测量长距离范围内光斑的位置变化，解决了调焦光源发射光学系统在调焦过程中的光轴指向的高精度测量问题。
[0039]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。