1.本发明属于光学技术领域，具体涉及一种光轴自动对准装置及其工作方法。


背景技术：

2.在现有光学检测领域中，被检测光束通常是通过人工搭建的光路引入到检测仪器光学入口中，检测过程中的光轴对准过程完全依赖人工手动调节。通过手动调节将被检测光束与检测仪器光轴同轴度保证很大程度上依赖于光学工程师的工程经验，这就造成了光学检测环节引入较大的粗大误差的风险，严重影响检测的一致性和检测精度。
3.同时，每更换一次待测光束进行测量时都需要重新调整光路，使光束重新进入到检测光学仪器/设备的光学入口，大大增加了光学测试的时间成本和人力成本。且由于整个测量过程都是通过光学工程师的肉眼观察和手动调节，会引入较大的粗大误差。同时，测量的一致性难以保证。
4.此外，许多具体的测量场景需要转场测量，这对于传统的由许多零散的光学元件或组件在光学平台或面包板上搭建的光学系统来说极为不便。
5.在特定的需要较大批量检测场景中，如飞秒激光器等设备或产品的生产产线上，需要进行批量的检测。此时，传统的检测方法很难适用。


技术实现要素：

6.鉴于此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种可保证被检测光束光轴与检测设备或仪器的输入光轴一致的光轴自动对准装置及对准方法。
7.为解决上述问题，本发明采用下述技术方案：本技术提供了一种光轴自动对准装置，包括：待测光学设备（1）、光阑（2）、光学衰减器（3）、指示光源（4）、第一分束镜（5）、第二分束镜（6）、第一反射镜（7）、第一振镜（8）、第二振镜（9）、二向色镜（10）、第二反射镜（11）、第三分束镜（12）、相机（13）、指示光板（51）、基座（111）及光学检测设备（112），其中：所述待测光学设备（1）的出射光线经过所述光阑（2）后被截断成预设直径的光束进入到所述基座（111），再经过所述光学衰减器（3）将光强减小至预设强度后进入所述第一分束镜（5），其中部分光束经所述第一分束镜（5）透射后入射到所述指示光板（51）上，通过观察所述指示光板（51）上的光斑位置判断待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置是否已经到达粗对准；另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6），所述第二分束镜（6）将一部分入射光反射进入到所述第三分束镜（12）后，并经所述第三分束镜（12）透射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置；另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6）后，所述第二分束镜（6）对余下的光束进行透射，再依次经过所述第一反射镜（7）、所述第一振镜
（8）、所述第二振镜（9）、及所述二向色镜（10）后入射进入所述光学检测设备（112）进行光学参数的分析；所述指示光源（4）发射的指示光经过所述第三分束镜（12）后一部分光透射，透射后的光经过所述二向色镜（10）后入射到所述第二反射镜（11）后发生反射，反射后的光线依次经过所述二向色镜（10）及所述第三分束镜（12）后，由所述第三分束镜（12）反射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置。
8.在其中一些实施例中，所述基座（111）还固定设置有若干手动调节支脚，通过所述手动调节支脚可实现基座（111）的位姿调整。
9.在其中一些实施例中，所述光阑（2）为电动或手动开关机械式光阑，粘接或机械连接在所述基座（111）的入光口上，用于实现呈空间二面角分布的两光轴精准对中时，控制待测光学设备（1）入射到所述相机（13）上的光束直径，所述光束直径0-10mm并且可实时调整。
10.在其中一些实施例中，所述光学衰减器3包括固定衰减比的衰减片或渐变式衰减片或基于偏振光学衰减原理式的激光能量衰减器，用于被所述光阑（2）调整指定直径的待测光束入射到所述相机（13）上的光强捕获能力范围内，且不超过所述相机（13）接收光强的饱和阈值。
11.在其中一些实施例中，所述指示光源（4）为波长400 nm-700 nm的小型或微型半导体激光器。
12.在其中一些实施例中，所述第一分束镜（5）的透射光的比例为1%-50%，所述第二分束镜（6）的透射光的比例为1%-50%。
13.在其中一些实施例中，所述第二反射镜（11）为中心镀膜反射镜为中心区域反射边缘遮拦的高反射率反射镜，其中间反射区域直径小于4 mm。
14.在其中一些实施例中，所述相机（13）的感光波段为可见光近红外波段，所述相机（13）的成像芯片为ccd或cmos，用于收集待测光束的光斑信息和反射回的指示光的光斑信息。
15.在其中一些实施例中，所述指示光板（51）为格子标注的表面涂层的光板，所述指示光板（51）的材料为纸、塑料、金属及其组合，所述表面涂层可为红外光敏材料或普通涂层。
16.在其中一些实施例中，所述孔径可调节机械转接口（113）上设置有三个相同且等间距分布的研磨圆柱，所述研磨圆柱与光学检测设备（112）自由光入口的内表面线接触，在弹簧外力的作用下实现紧密贴合保证两者的同轴度。
17.在其中一些实施例中，所述孔径可调节机械转接口（113）的端面设置尖状结构，所述尖状结构与所述光学检测设备（112）自由光入口外端面实现点接触。
18.另外，本技术还提供了一种光轴自动对准装置的工作方法，包括下述步骤：所述待测光学设备（1）的出射光线经过所述光阑（2）后被截断成预设直径的光束进入到所述基座（111），再经过所述光学衰减器（3）将光强减小至预设强度后进入所述第一分束镜（5），其中部分光束经所述第一分束镜（5）透射后入射到所述指示光板（51）上，通过观察所述指示光板（51）上的光斑位置判断待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置是否已经到达粗对准；
另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6），所述第二分束镜（6）将一部分入射光反射进入到所述第三分束镜（12）后，并经所述第三分束镜（12）透射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置；另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6）后，所述第二分束镜（6）对余下的光束进行透射，再依次经过所述第一反射镜（7）、所述第一振镜（8）、所述第二振镜（9）、及所述二向色镜（10）后入射进入所述光学检测设备（112）进行光学参数的分析；所述指示光源（4）发射的指示光经过所述第三分束镜（12）后一部分光透射，透射后的光经过所述二向色镜（10）后入射到所述第二反射镜（11）后发生反射，反射后的光线依次经过所述二向色镜（10）及所述第三分束镜（12）后，由所述第三分束镜（12）反射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置。
19.本技术采用上述技术方案具备下述效果：本技术提供的光轴自动对准装置及对准方法，包括待测光学设备（1）、光阑（2）、光学衰减器（3）、指示光源（4）、第一分束镜（5）、第二分束镜（6）、第一反射镜（7）、第一振镜（8）、第二振镜（9）、二向色镜（10）、第二反射镜（11）、第三分束镜（12）、相机（13）、指示光板（51）、基座（111）及光学检测设备（112），本技术提供的光轴自动对准装置及对准方法，不依赖于人工进行光路调整的光学工程师的技术经验，避免了引入粗大误差，大大降低了人工进行光束对准的技术要求，降低了人工成本，提高检测效率；检测精度依赖于相机探测器的像元尺寸大小，根据现有相机探测器的像元尺寸估算，理论上光束的同轴度误差在微米级，远小于人工手动调节所引入的光束同轴度误差，且整个调整过程由计算机控制振镜电机实现，系统一致度好，可实现大规模批量检测；装置集成度高，便于转场测量，方便携带或运输，适用范围广。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例1提供的光轴自动对准装置的结构示意图。
22.图2为本发明实施例1提供的带转接口的反射装置与光学检测设备之间机械连接结构示意图。
23.图3为本发明实施例1提供的带转接口的反射装置与光学检测设备光轴方向结构示意图。
24.图4为本技术实施例2提供的光轴自动对准装置的工作方法的步骤流程图。
具体实施方式
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终
相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
27.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
29.实施例1请参阅图1，为本技术提供的光轴自动对准装置的结构示意图，包括：待测光学设备（1）、光阑（2）、光学衰减器（3）、指示光源（4）、第一分束镜（5）、第二分束镜（6）、第一反射镜（7）、第一振镜（8）、第二振镜（9）、二向色镜（10）、第二反射镜（11）、第三分束镜（12）、相机（13）、指示光板（51）、基座（111）及光学检测设备（112）。
30.以下详细说明各个部件的工作方式及其连接关系。
31.具体地，所述光阑2为电动或手动开关机械式光阑，粘接或机械连接在基座111入光口上，用于实现呈空间二面角分布的两光轴精准对中时，控制待测光学设备入射到所述相机13上的光束直径，所述光束直径0-10mm并且可实时调整。
32.可以理解，所述光阑2利用待测光束中心部分光束进行光束同轴位置校正，所述光阑2在完成光束同轴校正后，所述光阑2完全打开，使待测光束全部进入到所述光学检测设备112中。
33.具体地，所述光学衰减器3包括固定衰减比的衰减片或渐变式衰减片或基于偏振光学衰减原理式的激光能量衰减器。所述光学衰减器3用于被所述光阑2调整指定直径的待测光束入射到所述相机13上的光强捕获能力范围内，且不超过相机13接收光强的饱和阈值，在光强度上可与由指示光源发出的并经由固定在光学检测设备112入光口同轴安置的第二反射镜11返回，经过第三分束镜12反射到相机13上的指示光的光强明显区分。
34.具体地，所述指示光源4用于提供指示光来粗调所述基座111与所述光学检测设备112的位置关系，并在所述相机13采集图像后精调所述基座111与所述光学检测设备112的相对位置关系。
35.进一步地，所述指示光源4为波长400 nm-700 nm的小型或微型半导体激光器。
36.具体地，所述第一分束镜5固定在所述指示光源4的出光口，用于分出部分指示光照射到所述指示光板51上，粗调所述待测光学设备1与所述基座111的位置关系，使得待测光学设备发出的光束最终入射到所述相机13上。
37.进一步地，第一分束镜5的透射光的比例为1%-50%。
38.具体地，所述第二分束镜6固定在所述第一分束镜5一个出光口所述第一反射镜7光路间，用于分出部分指示光入射到所述指示光板51上，使得待测光学设备发出的光束最
终入射到所述相机13上。
39.进一步地，第二分束镜6的透射光的比例为1%-50%。
40.具体地，所述第一反射镜7固定在所述第二分束镜6出光口，用于将第二分束镜6透过的待测光束引入所述第一振镜8中。
41.具体地，所述第一振镜8和第二振镜9固定在所述第一反射镜7出光口，为xy二维扫描振镜，用于调整所述第一反射镜7反射光的位置。
42.可以理解的是，通过所述第一振镜8和所述第二振镜9的配合，实现对入射光束的空间平移和旋转，从而使得呈空间二面角分布的待测设备出口光轴和光学检测设备入口光轴的配准。
43.可以理解，利用几何结构信息解算出所述第一振镜8和第二振镜9的x轴和y轴振镜的转动角度，由主动系统传递到振镜执行机构，实现呈空间二面角的所述待检测光学检测设备1的出光光束的轴线和光学检测设备112的入光口的光轴的对准。
44.具体地，所述二向色镜10固定在所述第二振镜9出光口，用于将所述指示光源4的出射光线与经过所述第二振镜9的出射光线合束。
45.具体地，所述第二反射镜11为中心镀膜反射镜为中心区域反射边缘遮拦的高反射率反射镜，固定在孔径可调节机械转接口113上，通过孔径可调节机械转接口113与所述光学检测设备112之间的机械连接保证第二反射镜11的镀膜区域的轴心与所述光学检测设备112的入光口的光轴同轴，用于反射由指示光源发出的光。
46.进一步地，所述第二反射镜11的中间反射区域直径小于4 mm。
47.具体地，所述第三分束镜12固定在所述指示光源4出光口，用于将所述待测光学设备1出射光线与指示光源4发出并经过固定在所述光学检测设备112入光口同轴安置的第二反射镜11返回的光线同步照射到所述相机13上。
48.进一步地，所述相机13与所述第三分束镜12光路同轴，所述相机13的感光波段为可见光近红外波段，相机的成像芯片为ccd或cmos，用于收集待测光束的光斑信息和反射回的指示光的光斑信息。
49.可以理解，通过在所述相机13上获得的两个光强度强度不同的光斑图像，计算两个光斑的质心位置，通过所述设备中元件之间的几何相对位置关系，解算出所述待检测光学检测设备1的出光光束的轴线和光学检测设备112的入光口的光轴与基座111的相对位置关系。具体地，所述指示光板51位置固定在所述第一分束镜5的另一个出光口，为格子标注的表面涂层的光板，所述指示光板51的材料为纸、塑料、金属及其组合，所述表面涂层可为红外光敏材料或普通涂层。
50.可以理解的是，所述指示光板51在将待测光学设备1出射光的光轴与基座111的入光口的光轴方向粗对准时提供一个直观的参考光，当指示光板51上的光斑位置靠近中央位置时，该光路光的光斑会入射到所述相机13上。可选地，指示光斑51可为格子标注的板，材料可为纸、塑料、金属其一。表面涂层可为红外光敏材料或普通涂层。
51.具体地，所述基座111还固定设置有若干手动调节支脚，通过所述手动调节支脚可实现基座（111）的位姿调整。
52.进一步地，手动调节支脚包括手动调节支脚141、手动调节支脚142、手动调节支脚143依次固定在基座111上，通过手动调节支脚141、142及143可实现基座111的位姿调整。
53.进一步地，基座111的平移实现方式为安放在移动平台上或手动调节。
54.具体地，所述光学检测设备112为自由光入射的光学检测设备，固定在所述二向色镜10的另一个出光口。
55.所述第二反射镜11与所述光学检测设备112之间还设置有孔径可调节机械转接口113，所述孔径可调节机械转接口113用于固定所述第二反射镜11，用于调整所述第二反射镜11的光轴与所述第二反射镜11入光口的光轴方向同轴。
56.请参阅图2及图3，所述孔径可调节机械转接口113依靠孔径可调节机械转接口113上的三个等间距分布的尺寸、形状、材料均一致的研磨圆柱与光学检测设备112自由光入口的内表面线接触，在弹簧外力的作用下实现紧密贴合保证两者的同轴度。此外，为了限制孔径可调节机械转接口113沿着光学检测设备112自由光入口的光轴方向发生运动，在孔径可调节机械转接口113的端面设置尖状结构（可以在途中标出进行保护）与光学检测设备112自由光入口外端面实现点接触，从而限制孔径可调节机械转接口113沿着光学检测设备112自由光入口的光轴方向的自由度，保证机械配合的稳定可靠。
57.本技术上述实施例1提供的光轴自动对准装置，其工作方式如下：所述待测光学设备（1）的出射光线经过所述光阑（2）后被截断成预设直径的光束进入到所述基座（111），再经过所述光学衰减器（3）将光强减小至预设强度后进入所述第一分束镜（5），其中部分光束经所述第一分束镜（5）透射后入射到所述指示光板（51）上，通过观察所述指示光板（51）上的光斑位置判断待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置是否已经到达粗对准；另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6），所述第二分束镜（6）将一部分入射光反射进入到所述第三分束镜（12）后，并经所述第三分束镜（12）透射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置；另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6）后，所述第二分束镜（6）对余下的光束进行透射，再依次经过所述第一反射镜（7）、所述第一振镜（8）、所述第二振镜（9）、及所述二向色镜（10）后入射进入所述光学检测设备（112）进行光学参数的分析；所述指示光源（4）发射的指示光经过所述第三分束镜（12）后一部分光透射，透射后的光经过所述二向色镜（10）后入射到所述第二反射镜（11）后发生反射，反射后的光线依次经过所述二向色镜（10）及所述第三分束镜（12）后，由所述第三分束镜（12）反射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置。
58.本技术上述实施例1提供的光轴自动对准装置，具有如下优点：（1）本技术提供的光轴自动对准装置及对准方法，不依赖于人工进行光路调整的光学工程师的技术经验，避免了引入粗大误差，大大降低了人工进行光束对准的技术要求，降低了人工成本，提高检测效率。
59.（2）本技术提供的光轴自动对准装置，检测精度依赖于相机探测器的像元尺寸大小，根据现有相机探测器的像元尺寸估算，理论上光束的同轴度误差在微米级，远小于人工手动调节所引入的光束同轴度误差，且整个调整过程由计算机控制振镜电机实现，系统一
致度好，可实现大规模批量检测。
60.（3）本技术提供的光轴自动对准装置，由于是在相机和振镜动态闭环工作状态下进行，具有很高的抗振动特性，可满足诸如工厂等振动条件相对较差的工况下检测的实际需求。
61.实施例2请参阅图4，为本技术实施例2提供的光轴自动对准装置的工作方法的步骤流程图，包括下述步骤：步骤s110：所述待测光学设备（1）的出射光线经过所述光阑（2）后被截断成预设直径的光束进入到所述基座（111），再经过所述光学衰减器（3）将光强减小至预设强度后进入所述第一分束镜（5），其中部分光束经所述第一分束镜（5）透射后入射到所述指示光板（51）上，通过观察所述指示光板（51）上的光斑位置判断待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置是否已经到达粗对准；步骤s120：另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6），所述第二分束镜（6）将一部分入射光反射进入到所述第三分束镜（12）后，并经所述第三分束镜（12）透射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置；步骤s130：另一部分光束经过所述第一分束镜（5）反射后入射到所述第二分束镜（6）后，所述第二分束镜（6）对余下的光束进行透射，再依次经过所述第一反射镜（7）、所述第一振镜（8）、所述第二振镜（9）、及所述二向色镜（10）后入射进入所述光学检测设备（112）进行光学参数的分析；步骤s140：所述指示光源（4）发射的指示光经过所述第三分束镜（12）后一部分光透射，透射后的光经过所述二向色镜（10）后入射到所述第二反射镜（11）后发生反射，反射后的光线依次经过所述二向色镜（10）及所述第三分束镜（12）后，由所述第三分束镜（12）反射后入射到所述相机（13）上，由所述相机（13）采集入射光斑信息判断所述待测光学设备（1）与所述基座（111）的相对位置；其详细的工作步骤在实施例1中也有详细说明，这里不再赘述。
62.本技术上述实施例2提供的上述光轴自动对准装置的工作方法，具有下述优点：（1）本技术提供的光轴自动对准装置及对准方法，不依赖于人工进行光路调整的光学工程师的技术经验，避免了引入粗大误差，大大降低了人工进行光束对准的技术要求，降低了人工成本，提高检测效率。
63.（2）本技术提供的光轴自动对准方法，检测精度依赖于相机探测器的像元尺寸大小，根据现有相机探测器的像元尺寸估算，理论上光束的同轴度误差在微米级，远小于人工手动调节所引入的光束同轴度误差，且整个调整过程由计算机控制振镜电机实现，系统一致度好，可实现大规模批量检测。
64.（3）本技术提供的光轴自动对准方法，由于是在相机和振镜动态闭环工作状态下进行，具有很高的抗振动特性，可满足诸如工厂等振动条件相对较差的工况下检测的实际需求。
65.以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、
改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。