一種無衍射光空間直線度基準的發生裝置的製作方法

2023-10-09 21:19:14 2

專利名稱：一種無衍射光空間直線度基準的發生裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於檢測技術領域，具體涉及一種無衍射光空間直線度基準的發生裝置，該裝置所提供的基準不受雷射器及附加光學組件變形引起的光束漂移的影響、且對空氣擾動不敏感。可以解決現有中、長距離直線度基準誤差大的難題，實現中、長距離的直線度誤差精密測量。
「自適應除噪技術在雷射準直中的應用研究」(見《儀器儀表學報》，1995，16(4)370-373。)提出了一種多點監測、綜合補償的準直方法及相應的設備。He-Ne雷射器輸出的光束經擴束後得到的光束是目前最常用的一種直線度基準，由於光束直徑一般為φ6-φ30mm，空氣擾動引起的光束漂移較大，產生了基準誤差。另外，雷射器和附加光學組件的變形也會引起光束漂移(包括光束的偏心和偏向)，直線度的基準誤差為10μm/10m。因此，克服雷射光束的漂移是提高準直技術的關鍵之一。
為實現上述發明目的，無衍射光空間直線度基準的發生裝置，包括依次位於同一光路上的雷射器、光學調整器和無衍射光發生器，光學調整器為小焦距透鏡或由透鏡組和精密位置調整器構成，並滿足理論比值ωR/ω0≥10，其中，ωR為無衍射光發生器處的高斯波半徑，ω0為雷射束束腰半徑。
上述無衍射光發生器可以為錐鏡、環縫與透鏡組件、計算機全息片或二元光學組件。
作為本發明的改進，可在雷射器與光學調整器之間設有擴束鏡和空間濾波器。
本發明將無衍射光理論和技術應用於直線度誤差測量技術，很好地解決了現有中、長距離直線度誤差測量因直線度基準誤差大而產生的精度低的難題。與對比文獻相比，本發明的發散球面波無衍射光束直線基準有其優勢。雷射束經過光學調整器形成發散球面波，發散球面波的發散半角δ0≤10/400Sr。雷射束多採用高斯波，高斯波波前的曲率R＝-400～-10000mm，理論比值ωR/ω0≥10。發散球面波再經無衍射光發生器形成發散球面波無衍射光束，即新型無衍射光空間直線度基準，取最大無衍射距離Zmax＝3～200米。發散球面波光束偏心平動偏移偏心量(＜0.5mm)對無衍射光束直線基準的影響很小，理論上為零。發散球面波光束偏向對無衍射光束直線基準的影響試驗試驗比例係數＜0.04，理論比例係數＜0.008，即可以獲得基本不受雷射器和附加光學組件的變形引起的光束漂移影響的穩定性好的新型無衍射光光束，且任何截面的光環組畸變小。進而實現中、長距離的直線度誤差測量。
從隨機非均勻介質的成象的理論可以知道，光學望遠鏡成象系統的口徑越大，空氣擾動引起的光束漂移越小，由於無衍射光束可以採用比準直雷射束大得多的光學口徑，大光學口徑的無衍射光束肯定比準直雷射束的空氣擾動引起的基準誤差小。新型無衍射光空間直線度基準，在與準直雷射束具有相同的高精度的條件下，應用於大距離的直線度基準。對比文獻中的直線度基準距離只能達到幾米，而本發明的直線度基準距離最大可達到200米。
本發明還利用無衍射光束沿著傳播方向的任何截面都有一組光環，其大小隨距離變化不大，而且特別體現為光束截面的中心光斑直徑小。這一特性形成了一條空間無衍射光束中心直線，因而，無衍射光的光軸可以用作直線度誤差測量的直線基準。某截面無衍射光光環的大小隻與無衍射光發生器的參數有關，定位某截面無衍射光光環的中心所用傳感器可以小，且無衍射光光環的信息量大，定位無衍射光光環的中心的精度高。
本發明的另一個主要特點是本發明的直線度基準發生裝置具有結構簡單、製造簡便、成本低廉和穩定性好等優點。
如

圖1所示，本發明包括依次位於同一光路上的雷射器1、光學調整器2和無衍射光發生器4，圖中3表示直線度基準。該發生裝置由兩個部分組成其一是發散球面波光束的產生部分本實施例採用功率mW級、波長λ＝0.6328μm的He-Ne雷射器或功率mW級、波長λ＝0.699μm的半導體雷射器。為實現更好的技術效果，可以在雷射器1與光學調整器2之間增設一個擴束鏡5和空間濾波器6。擴束鏡可以採用擴束倍數大於30倍的透鏡組組成，例如由一個焦距小於1.5mm和一個焦距50mm的凸透鏡組成，且透鏡組的間距可微調。
其二是無衍射光束的直線度基準產生部分包括光學調整器和2和無衍射光發生器4二組件。光學調整器可以採用小焦距透鏡或由一個焦距為大於-100mm的透鏡組和一個精密位置調整器組成。無衍射光發生器，本發明可採用現有的各種無衍射光發生裝置，如現在已有的環縫法、axicon透鏡法、可編程空間調製器法、計算機全息法、二元光學法等所採用的發生裝置，其中axicon透鏡的效率最高。本發明用axicon透鏡在有限長的距離內產生近似的無衍射光束。圖3所示的即axicon透鏡，可簡稱錐鏡(axicon)，是用Acrilic塑料在NanoFrom-300超精度車床上加工而成，錐角φ＝0.01Sr，折射率n＝1.51，波長λ＝0.6328μm時，波數k＝2π(n-1)θ/λ＝0.0506，p＝54.6μm。
雷射器產生的雷射束經過擴束鏡、空間濾波器，形成比較均勻的平面波；經光學調整器處理後成為發散球面入射光，再經無衍射光發生器形成穩定性好的新型無衍射光，定位某截面無衍射光光環的中心為軸心線的一個點，所有截面光環的中心的集合代表無衍射光的軸心線，即形成無衍射光直線度誤差測量的基準。光學調整器必須保證發散球面波的發散條件，要求理論比值ωR/ω0≥10，其中，ωR為距離無衍射光發生器處的高斯波半徑，ω0為雷射束束腰半徑。為此，本發明中光學調整器採用由一個焦距大於-100mm的透鏡組和一個精密位置調整器組成，可以在3～200m距離範圍內的產生無衍射光直線度誤差測量的基準。光學調整器也可以採用小焦距透鏡或其它滿足上述條件的光學調整器。
近距離時，本發明的發散球面波無衍射光束直線基準與雷射束法的基準同性能，但對中、長距離測量本發明具有明顯地優勢，本發明的無衍射光光環的信息量大，定位無衍射光光環的中心的精度高。
權利要求
1.一種無衍射光空間直線度基準的發生裝置，包括雷射器，其特徵在於該裝置還包括光學調整器(2)和無衍射光發生器(4)，所述雷射器(1)、光學調整器(2)和無衍射光發生器(4)依次位於同一光路上，光學調整器(2)為小焦距透鏡或由透鏡組和精密位置調整器構成，並滿足理論比值ωR/ω0≥10，其中，ωR為距離無衍射光發生器處的高斯波半徑，ω0為雷射束束腰半徑。
2.根據權利要求1所述的無衍射光空間直線度基準的發生裝置，其特徵在於在雷射器(1)與光學調整器(2)之間設有擴束鏡(5)和空間濾波器(6)。
3.根據權利要求1或2所述的無衍射光空間直線度基準的發生裝置，其特徵在於所述無衍射光發生器(4)為錐鏡、環縫與透鏡組件、計算機全息片或二元光學組件。
全文摘要
無衍射光空間直線度基準的發生裝置，包括依次位於同一光路上的雷射器、光學調整器和無衍射光發生器，光學調整器光學調整器必須保證光束的發散條件理論比值ω(R)/ω
文檔編號G01C15/00GK1444013SQ02115589
公開日2003年9月24日 申請日期2002年3月8日 優先權日2002年3月8日
發明者張新寶, 趙斌, 周麗萍, 曾文涵, 郭軍 申請人:華中科技大學