本发明涉及光楔参数的测量及标定，具体涉及一种高精度测量大角度光楔楔角的装置及方法。
背景技术：
光楔指的是前后两表面有一定夹角的折射棱镜，又叫做楔镜。由于光楔具有使光束偏转固定角度的作用，它通常可以用来分光或透过窗口等光学元件。又利用其拥有改变光束的传播方向的性质，光楔的应用广泛。例如光楔可以被用作激光取光，可以从激光光路中截取部分光做参考光。还可以用作振荡腔的输出镜，来避免后表面发射光对振荡器的影响；另外双光楔扫描的应用十分广泛。在激光相关设备中，接收与发射光轴之间的微小差异一般采用双光楔来进行调节，确保发射与接收的光轴平行性；双光楔还经常应用于激光扫描装置中，如激光切割、激光测距等光学系统。
而在光楔的大批量加工过程中，需要高精度准确的测量出光楔的楔角，尤其是大角度光楔的楔角测量并不快捷。目前测量方法是测角法及其相关的改进方法，如专利号cn201810961946提供了一种透明光楔角度的检测方法与装置，利用棱镜分光和两个ccd，通过测量光楔前后光斑大小来计算得出楔角，该方法测试过程中需要进行转台的调节，引入了相关的读数误差，且过程较为繁琐重复，不利于人员操作和效率提高。该方法用到的器件较多，且存在因ccd空间位置偏心导致光斑为椭圆的情况，测量精度有待商榷。
本发明从便于检测和操作的角度出发，提出了一种高精度测量大角度光楔楔角的装置及方法，通过将平行平板插入在光源和平行光管之间并旋转，来计算旋转前后光斑坐标变化，即可得出待测光楔的楔角，从而准确快速测量大角度光楔的楔角。该方法在实际的生产加工和检测过程中，可以满足便捷和易于操作性的检测要求。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高精度测量大角度光楔楔角的装置及方法，主要为了满足大角度光楔检测方式的便捷、易于操作性及高精度的要求，适合于实际的大规模生产加工过程中。
一种高精度测量大角度光楔楔角的装置如附图1所示，它包括准直激光光源1、带旋转结构的待测光楔2、平行光管3及面阵ccd组件4，其特征在于：准直激光光源1产生准直激光光束，经过带旋转结构的待测光楔2后光束方向发生偏转，偏转后的光束经过平行光管3会聚后，被平行光管3焦面处的面阵ccd组件4探测。旋转带旋转结构的待测光楔2并记录面阵ccd组件4探测到的光斑坐标变化，通过带旋转结构的待测光楔2的旋转角度及面阵ccd组件4探测到的坐标变化，推算出加入带旋转结构的待测光楔2前后准直激光光源1的角度变化，通过该角度来准确获得带旋转结构的待测光楔2的楔角。
本发明提供了一种高精度测量大角度光楔楔角的装置和方法，其具体实施步骤如下：
1)准直激光光源1发射平行光，经过带旋转结构的待测光楔2后光束方向发生偏转，调整空间位置使得准直激光光源1垂直入射至带旋转结构的待测光楔2上。
2)准直激光光源1产生准直激光光束经过带旋转结构的待测光楔2偏转后，经过平行光管3会聚后成像在其焦面处，将面阵ccd组件4放置在平行光管3焦面处，平行光管3的焦距为f，记录此时光斑质心坐标(x1，y1)。
3)旋转带旋转结构的待测光楔2，在确保旋转过程中面阵ccd组件4中光斑不消失的前提下，尽量旋转最大角度，记录此时的旋转角度θ及旋转后的光斑质心坐标(x2，y2)。旋转过程中，光斑会在面阵ccd组件4画出一段圆弧，两坐标点的距离为θ角所对应圆弧的弦长，通过弦长及角度可以得到焦面处所画圆弧的半径r：
4)假设准直激光光束经带旋转结构的待测光楔2前后方向变化为
5)已知带旋转结构的待测光楔2的折射率为n，根据几何光学可知，偏向角
通过光斑前后变化情况计算得到带旋转结构的待测光楔2的楔角α
本发明方法的具体原理如下:
光学加工中的光楔,一般如附图3所示。假设i1和α1是入射光进入光楔前后的入射角度和折射角度，i2和α2是出射光射出光楔前后的入射角度和折射角度。n为光楔的折射率，α为光楔的楔角，则
利用菲涅耳公式可知:
sini1＝nsinα1
nsini2＝sinα2
根据角度关系可以得到
α＝α1 i2
根据以上关系，可以得到平行平板的楔角α与光束的偏向角
其中一般光楔使用时,i1、α1接近于0度，则方程可以简化为：
即当光线垂直或接近垂直射入光楔时，当光楔的楔角大于ccd探测视场并小于光楔本身全反射角时，光束的偏向角与入射角无关，可以通过光束的偏向角
假设以该光楔楔角方向处于水平时的角度为0，当光楔角度旋转θ角时，光楔导致出射光方向变化可以表示为：
当旋转光楔时，对应出射光的方向将会沿着立体角旋转，对应立体角的半角即为加入光楔前后导致光束变化的偏向角
本发明提供一种高精度测量大角度光楔楔角的装置和方法。该发明利用几何光学原理，克服了大角度光楔使得光束偏折超出相机视场范围而无法直接测试楔角的困难。特别适用于平行平板、光楔等光学元件的大角度快速准确测量领域。该发明基于光束经过非平行的光学平片时会产生微小的角度偏转的原理，通过测量光束偏角大小来得到光楔的楔角。本发明装置操作简单、成本低、结构简单，适用于平行平板、光楔等光学器件的批量生产及测量。
本发明的目的是提供一种高精度测量大角度光楔楔角的装置和方法，可满足大角度光楔的楔角高精度检测要求，该发明的特点主要体现在：
1)本发明装置成本低廉，结构简单；
2)可以通过理论分析，定制配套的测试系统，从而节约批量测试时间；
3)本发明测试方法简单快速，原理简单。可以适用于批量生产及测量平行平板、光楔等光学器件。
4)克服了大角度光楔无法直接观察焦面光斑变化的问题，提出了利用共轭旋转的方法来间接测量出光线偏向角，继而计算出光楔的楔角。
附图说明
图1为高精度测量大角度光楔楔角的装置。
图2为光楔旋转时焦面光斑位置变化图。
图3平行光经过光楔时的方向变化图。
图4为实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1、准直激光光源1：准直激光光源1由单模光纤，准直透镜及光纤激光器组成，其中光纤采用thorlabs公司型号为sm600的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为600-900nm；光纤模场直径为4.6um@680nm，包层芯径125±1um，截至波长为550±50nm；准直透镜采用thorlabs公司型号为f810fc-635的准直镜，准直镜焦距为35.4mm，使用波长635nm；激光器采用thorlabs公司型号为lps-pm635-fc的激光二极管，激光波长为635nm；
2、带旋转结构的待测光楔2：带旋转结构的待测光楔2由旋转电机及光楔组成,旋转电机采用thorlabs的产品，型号为prm1z8。其主要性能参数：可360°旋转；角度分辨率±0.1°；角度重复精度±0.3°，最大旋转速度25°/s；光楔采用普通的k9光学平片，其两个透光面的面型精度优于λ/20，两个透光面的平行度大于对应探测器视场范围并小于全反射角41°；
3、平行光管3：采用定制的反射式平行光管，其主要性能参数：平行光管焦距为5m，反射抛物面面型优于λ/20@632.8nm；
4、面阵ccd组件4：采用美国spiricon公司型号为sp620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200。
本发明方法的示意图如附图4所示，具体情况描述如下：
该发明装置包括准直激光光源1、带旋转结构的待测光楔2、平行光管3及面阵ccd组件4，其特征在于：准直激光光源1产生准直激光光束，经过带旋转结构的待测光楔2后光束方向发生偏转，偏转后的光束经过平行光管3会聚后，被平行光管3焦面处的面阵ccd组件4探测。旋转带旋转结构的待测光楔2并记录面阵ccd组件4探测到的光斑坐标变化，通过带旋转结构的待测光楔2的旋转角度及面阵ccd组件4探测到的坐标变化，推算出加入带旋转结构的待测光楔2前后准直激光光源1的角度变化，通过该角度来准确获得带旋转结构的待测光楔2的楔角。
本发明提供了一种高精度测量大角度光楔楔角的装置和方法，其具体实施步骤如下：
1)开启准直激光光源1中的激光器1-1,通过单模光纤1-2将635nm的激光引入至准直透镜1-3准直,将面阵ccd组件4放置在平行光管3焦面处,准直光进入平行光管3并在焦面处的面阵ccd组件4上成像，通过调节单模光纤1-2的出射光端面与耦合镜1-3的相对位置，使得准直光在面阵ccd组件4上成像点最小，将单模光纤1-2与耦合镜1-3固定为一个整体，完成准直激光光源1的调节；
2)准直激光光源1发射635nm的平行光，经过带旋转结构的待测光楔2后光束方向发生偏转，调整空间位置使得准直激光光源1垂直入射至带旋转结构的待测光楔2上；
3)准直激光光源1产生635nm的准直激光光束经过带旋转结构的待测光楔2偏转后，经过平行光管3会聚后成像在其焦面处，将面阵ccd组件4放置在平行光管3焦面处，平行光管3的焦距为5m，记录此时光斑质心坐标(x1，y1)um。
4)旋转带旋转结构的待测光楔2，在确保旋转过程中面阵ccd组件4中光斑不消失的前提下，尽量旋转最大角度，记录此时的旋转角度θ及旋转后的光斑质心坐标(x2，y2)um。旋转过程中，光斑会在面阵ccd组件4画出一段圆弧，两坐标点的距离为θ角所对应圆弧的弦长，通过弦长及角度可以得到焦面处所画圆弧的半径r：
5)假设准直激光光源1产生635nm的准直激光光束经带旋转结构的待测光楔2前后方向变化为
6)已知带旋转结构的待测光楔2的材料为k9,其折射率在635nm处为1.514586，根据几何光学可知，偏向角
通过光斑前后变化情况计算得到带旋转结构的待测平行平板2的楔角α。
1.一种高精度测量大角度光楔楔角的装置，包括准直激光光源(1)、带旋转结构的待测光楔(2)、平行光管(3)、面阵ccd组件(4)，其特征在于：
所述的准直激光光源(1)产生准直激光光束，经过带旋转结构的待测光楔(2)后光束方向发生偏转，偏转后的光束经过平行光管(3)会聚后，被平行光管(3)焦面处的面阵ccd组件(4)探测，所述的平行光管(3)与面阵ccd组件(4)需配合使用，面阵ccd组件(4)的光敏面处于平行光管(3)的焦面位置，旋转带旋转结构的待测光楔(2)并记录面阵ccd组件(4)探测到的光斑坐标变化，通过带旋转结构的待测光楔(2)的旋转角度及面阵ccd组件(4)探测到的坐标变化，推算出加入光楔前后准直激光光源(1)的角度变化，通过该角度来准确获得带旋转结构的待测光楔(2)的楔角。
2.根据权利要求1所述的一种高精度测量大角度光楔楔角的装置，其特征在于：所述的准直激光光源(1)的波长需要与带旋转结构的待测光楔(2)透射光波长范围、面阵ccd组件(4)的探测波长范围相适应。
3.根据权利要求1所述的一种高精度测量大角度光楔楔角的装置，其特征在于：所述的平行光管(3)的面形偏差rms值小于λ/10。
4.根据权利要求1所述的一种高精度测量大角度光楔楔角的装置，其特征在于：面阵ccd组件(4)单像素尺寸与平行光管(3)的焦距比值需满足测试精度要求。
5.一种基于权利要求1所述一种高精度测量大角度光楔楔角的装置的及光楔楔角测量方法，其特征包括以下步骤：
1)准直激光光源(1)发射平行光，经过带旋转结构的待测光楔(2)后光束方向发生偏转，调整空间位置使得准直激光光源(1)垂直入射至带旋转结构的待测光楔(2)上；
2)准直激光光源(1)产生准直激光光束经过带旋转结构的待测光楔(2)偏转后，经过平行光管(3)会聚后成像在其焦面处，将面阵ccd组件(4)放置在平行光管(3)焦面处，平行光管(3)的焦距为f。记录此时光斑质心坐标(x1，y1)；
3)旋转带旋转结构的待测光楔(2)，在确保旋转过程中面阵ccd组件(4)中光斑不消失的前提下，尽量旋转最大角度，记录此时的旋转角度θ及旋转后的光斑质心坐标(x2，y2)。旋转过程中，光斑会在面阵ccd组件(4)画出一段圆弧，两坐标点的距离为θ角所对应圆弧的弦长，通过弦长及角度可以得到焦面处所画圆弧的半径r：
4)准直激光光束经带旋转结构的待测光楔(2)前后方向变化为
5)已知带旋转结构的待测光楔(2)的折射率为n，根据几何光学可知，偏向角
通过光斑前后变化情况计算得到带旋转结构的待测光楔(2)的楔角α。
技术总结