CN101614530A - 一种新型光束平漂和角漂实时检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型光束角漂和平漂实时检测方法及装置。本发明将散焦光栅、透镜和图像传感器结合使用，融合角漂检测和平漂检测于一体，通过图像传感器测的光斑位置变化情况，分离出入射光束的角漂和平漂信息。本发明根据成像面上所成像的正负一级光斑的相对变化情况，计算机编程计算入射光束的平漂信息，根据整体成像光斑的变化情况分离出光束的角漂信息。本发明具有操作方便、测量精度高、使用范围广、成本低廉等优点。

Description

一种新型光束平漂和角漂实时检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种新型光束角漂和平漂实时检测方法及装置，适用于实时检测激光光束的漂移量，尤其适用于高重复频率激光的光束漂移检测，可广泛应用于精密或者超精密设备测量、超快激光物理实验和激光核聚变中。

背景技术

随着激光技术的发展，高精度准直光束在光学检测、激光测距、空间光通信等领域中发挥着越来越重要的应用。在中小型高重复频率激光装置中，光束的空间指向稳定性对超快激光物理实验研究非常重要，要求光束的空间指向在较长时间内保持稳定，以提高实验的精度。但是激光器出射光束在传输过程中常会产生漂移，主要表现为激光束的平漂移、角漂移和随机漂移，从而严重限制了激光准直精度的进一步提高。造成激光光束漂移的原因主要有：1)激光器谐振腔的温度变形；2)光束传播路径的空气折射率不均匀及其随机变化(大气湍流等造成)；3)实验设备震动引起实验平台的震动等。为了提高光束的准直精度，一般采用漂移量反馈控制系统来减小系统的漂移量。

另外，大型高功率激光核聚变装置，如美国的国家点火装置NIF，日本GEKKO-12，中国“神光-III”装置等，为了保证从振荡器发出激光束能稳定、准确地穿过预放大器、主放大器、倍频器、靶室，并精确地照射到微型靶丸上，系统也配置了光束自动准直系统。

光束自动准直装置需要实时准确检测系统存在的角漂和平漂量，传统的光束准直检测装置，采用双成像CCD或者光电探测器分别应用于光束近场和远场位置测量。使得其准直装置结构复杂，占据空间大、反馈过程迟钝，不适合测量高重复频率激光的光束漂移。

1998年，英国学者Paul M.Blanchard等人提出了基于散焦光栅的多平面成像技术，并实验实现了在同一像平面对多个物平面同时成像。散焦光栅实质上是离轴的菲涅耳波带片，一方面起着普通光栅的棱镜作用，将入射波前在不同的衍射级上分束；另一方面起着菲涅耳波带片的透镜作用，在不同的衍射级上面引入不同的透镜作用。散焦光栅和透镜(透镜或透镜组、镜头、菲涅耳透镜)密接使用，透镜提供主要的聚焦作用，使得正负衍射级的焦距分别短于和长于透镜焦距，可用于实现多平面成像。基于散焦光栅的多平面成像技术已被成功地用于了波前测量和激光M²因子测量。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题和实现的复杂程度，本发明融合角漂检测和平漂检测于一体，提供了一种简单而有效的实时检测入射光束的角漂和平漂的方法及装置。本发明利用散焦光栅、短焦透镜和图像传感器结合使用，通过图像传感器测的光斑位置变化情况，分离出入射光束的角漂和平漂信息。可以方便直观的反映出各种漂移量变化的大小，为反馈控制系统提供调节依据。该发明检测精度高，操作方便，成本低廉。

本发明的技术解决方案是：

一种新型光束平漂和角漂实时检测方法，该方法包括下列步骤：

①、新型光束角漂和平漂实时检测方法，采用散焦光栅、透镜、图像传感器和计算机等设备，来实时检测系统存在的角漂和平漂信息。

②、采用相同工作波长的标准平行光标定检测系统，图像传感器位于透镜的焦平面，成像的正负一级光斑大小相同，零级光斑最小。

③、将检测系统置于光路中，调节系统使得入射光束在图像传感器上面成像处各级衍射光斑。

④、基于图像处理的方法，通过阈值法和滤波等处理，采用质心法计算图像传感器上正负一级光斑的质心位置。

$x_0=\frac{\mathrm{\Σ}{x}_i{I}_i}{\mathrm{\Σ}{I}_i},$ $y_0=\frac{\mathrm{\Σ}{y}_i{I}_i}{\mathrm{\Σ}{I}_i}$

式中x₀和y₀分别为光斑的质心位置，x_i、y_i和I_i分别为图像传感器单像素i对应的位置和灰度值。

假设入射光束的x方向和y方向上平漂量分别为a和b，x方向和y方向上角漂量分别为c₁和c₂，短焦透镜焦距为f，散焦光栅等效焦距和离轴量分别为f_g和x₀，成像传感器面上的正负一级光斑质心为x₊₁、x_-1、y₊₁、y_-1。

图像传感器位于透镜的焦平面上：当存在角漂和平漂光束入射时，成像光斑的移动情况如图2、图3所示；

1)、当存在平漂的光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相反的方向移动，光斑质心之间的距离变大或者缩小。平漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

a∝δ(x₊₁-x_-1)f_g/2f

b∝δ(y₊₁-y_-1)f_g/2f

两光斑质心之间的距离为：

$x_{+1}-x_{-1}=-\frac{2f{x}_0}{f_g}+\frac{2\mathrm{af}}{f_g}$

$y_{+1}-y_{-1}=\frac{2\mathrm{bf}}{f_g}$

式中δ(x₊₁-x_-1)和δ(y₊₁-y_-1)为正负一级光斑质心之间间距变化，

2)、当角漂光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相同的方向移动、光斑之间的距离不变。角漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

c₁∝δ_x/f

c₂∝δ_y/f

两光斑之间距离为：

$|x_{+1}-x_{-1}|=\frac{2f{x}_0}{f_g}$

|y₊₁-y_-1|＝0

式中δ_x和δ_y为正一级或者负一级光斑质心位置的变化量。

当成像传感器并非位于透镜的焦平面上时，当存在角漂和平漂光束入射时，成像光斑的移动情况如图2、图4、图5所示；

1)、当存在平漂的光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相反或者相同的方向移动，光斑质心之间的距离变大或者缩小。平漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

a∝δ(x₊₁-x_-1)f_g/2z

b∝δ(y₊₁-y_-1)f_g/2z

两光斑质心之间的距离为：

$x_{+1}-x_{-1}=-\frac{{2\mathrm{zx}}_0}{f_g}+\frac{2\mathrm{az}}{f_g},$

$y_{+1}-y_{-1}=\frac{2\mathrm{bz}}{f_g}$

式中z为图像传感器距离透镜的距离。

2)、当角漂光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相同的方向移动、光斑之间的距离不变。角漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

c₁∝δ_x/z

c₂∝δ_y/z

两光斑之间距离为：

$|x_{+1}-x_{-1}|=\frac{{2\mathrm{zx}}_0}{f_g}$

|y₊₁-y_-1|＝0

式中z为图像传感器距离透镜的距离。

当图像传感器位于散焦光栅和短焦透镜组合焦距位置之间时，光束漂移信息和成像光斑位置信息的关系同图像传感器位于透镜焦平面时相似。可采用相同的方法分离平漂信息。

当图像传感器距离透镜距离大于散焦光栅和短焦透镜焦距组合焦距时，正负一级光斑向相同的方向移动，但是两个光斑的移动幅度不同，根据两个光斑的移动距离情况可分离出平漂信息。

⑤、根据采集到的光斑质心位置移动信息，判断两个光斑之间x方向和y方向上间距是否发生了变化，如果发生了变化，说明系统存在平漂，根据正负一级光斑质心位置的变化情况，求得入射光束的平漂量，如果两个光斑之间的距离没有发生变化，说明系统不存在平漂。根据正负一级光斑的整体变化量，求得入射光束的角漂量。

⑥、当被检测光束为高重复频率的脉冲激光器，可换用具有高帧频的图像采集器件对其进行检测。

本发明提供了一种新型光束角漂和平漂实时检测装置，包括入射激光1，散焦光栅2，透镜3、图像传感器4，计算机5，其中散焦光栅2和短焦透镜3前后组合排列在一起，图像传感器4位于透镜3之后，计算机5位于图像传感器4之后。计算机和图像传感器用于实时采集和实时分析系统成像的各级光斑。

在本发明中，入射激光1入射散焦光栅2和透镜3组合，经散焦光栅和透镜衍射分光，成像于图像传感器上面，图像传感器结合计算机对成像的衍射光斑进行实时采集和处理，得到入射光束存在的角漂和平漂信息。

散焦光栅可以为一维散焦光栅，将一维散焦光栅正交叠加放置构成二维正交散焦光栅，也可以采用更多散焦光栅按一定角度叠加放置，构成多为散焦光栅；可以为振幅型散焦光栅，也可以为相位型散焦光栅；透镜可以为短焦透镜、透镜组、商业镜头、菲涅耳透镜等；图像传感器可以为CCD、CMOS等器件；可根据实际测量精度需求，根据漂移量与光斑移动之间的关系，确定光栅的等效焦距和短焦透镜焦距选取，光栅各个衍射级的衍射效率，使得成像所需的衍射级的功率密度近似相同，不需要的衍射级功率密度近似为零。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明提出的实时检测光束角漂和平漂方法及装置、简单易操作，克服了传统检测装置，采用双CCD或者光电探测器分别检测近场平漂和远场角漂的复杂性。由于整个系统只使用单图像传感器，使其适用性大大提高，采用高帧频的图像采集器件，可应用于高重复频率激光光束漂移检测。

2、本发明适用范围广，可以广泛应用于化学、固体和光纤等激光器的准直检测，全光学地实现了光束角漂和平漂检测，对工作环境和仪器设备没有特殊要求，不需要复杂的后续数据处理过程，结合高精密的调节设备，采用计算机闭环控制，可以有效地实现光束的高精度准直。

3、本发明整个系统的光路容易对准，本系统具有大的视场角。因此只要入射光束能够在光栅型波前曲率传感器的视场角范围内，就能够在图像传感器上面探测到。

4、本发明成本低廉，可采用商业化的产品(菲涅耳透镜、商业相机镜头等，图像传感器CCD，CMOS等)结合散焦光栅组成探测系统。

5、本系统校准容易，只需要使用标准平行光，使得图像传感器上面的正负一级光斑大小相同即可。

附图说明

图1为本发明装置结构原理图

图2是入射光束存在角漂时，正负一级成像光斑位置变化示意图

图3是传感器位于透镜的焦平面上时入射光束存在平漂时，正负一级成像光斑位置变化示意图(z＝f)

图4是传感器并非位于透镜的焦平面上时入射光束存在平漂时，正负一级成像光斑位置变化示意图(探测面位置 $\frac{f_{g}f}{f_g+f}<z<\frac{f_{g}f}{f_g-f}$ )

图5是传感器并非位于透镜的焦平面上时入射光束存在平漂时，正负一级成像光斑位置变化示意图(探测面位置 $z>\frac{f_{g}f}{f_g-f}$ )

具体实施方式

整个检测系统由定标平行光即入射激光1、散焦光栅2、短焦透镜3、图像传感器4和计算机5组成，其中散焦光栅2和短焦透镜3前后排列，图像传感器4位于该组合之后，计算机5位于图像传感器4之后。整个系统的工作原理如图1所示：

其具体的工作过程为：

1、采用相同工作波长的标准平行光标定检测系统，使得图像传感器位于透镜的焦平面，成像的正负一级光斑大小相同，零级光斑最小。

2、将装置置于光路中，调节系统使得入射激光在图像传感器上面成像出各级衍射光斑。

4、基于图像处理的方法，通过阈值法和滤波等处理，采用质心法计算图像传感器上正负一级光斑的质心位置。

5、根据采集到的光斑位置移动信息，判断两个光斑之间x方向和y方向上间距是否发生了变化，如果发生了变化，说明系统存在平漂，根据正负一级光斑质心位置的变化情况，求得入射光束的平漂量，如果两个光斑之间的距离没有发生变化，说明系统不存在平漂。根据正负一级光斑的整体变化量，求得入射光束的角漂量。可以根据光斑的位移信息和光斑之间的距离信息，先分离检测平漂，也可以先分离检测角漂。

6、当采用一维散焦光栅时，可根据所成像正负一级光斑质心位置的变化情况，分离出光束的漂移信息；当采用二维正交散焦光栅或者更高维散焦光栅时，可根据所成像的对称光斑的质心位置变化情况，分离出光束的漂移信息；可根据正负一级光斑的位移情况分离角漂和平漂信息，也可以根据正负三级或者更高衍射级光斑分离出入射光束的漂移信息；散焦光栅高衍射级与一级衍射级焦距的关系为：

f_ng＝f_g/n

式中n为衍射级次，f_ng为n衍射级的等效焦距，f_g为一级衍射级的等效焦距。

平漂量与成像光斑之间的关系也可以表示为：

a∝δxf_g/f

b∝δyf_g/f

式中δ_x和δ_y为正一或者负一衍射级光斑质心位置变化量。

Claims (7)

1、一种新型光束平漂和角漂实时检测方法及装置，其特征在于该方法包含下列步骤：

①.新型光束角漂和平漂实时检测方法，采用散焦光栅、透镜、图像传感器和计算机等设备，来实时检测系统存在的角漂和平漂信息；

②.采用相同工作波长的标准平行光标定检测系统，使得图像传感器位于透镜的焦平面，成像的正负一级光斑大小相同，零级光斑最小；

③.将检测系统置于光路中，调节系统使得入射光束在图像传感器上面成像处各级衍射光斑；

④.基于图像处理的方法，通过阈值法和滤波等处理，采用质心法计算图像传感器上正负一级光斑的质心位置；

$x_0=\frac{\mathrm{\&Sigma;}{x}_i{I}_i}{\mathrm{\&Sigma;}{I}_i},y_0=\frac{\mathrm{\&Sigma;}{y}_i{I}_i}{\mathrm{\&Sigma;}{I}_i}$

式中x₀和y₀分别为光斑的质心位置，x_i、y_i和i_i分别为图像传感器单像素i对应的位置和灰度值；

假设入射光束的x方向和y方向上平漂量分别为a和b，x方向和y方向上角漂量分别为c₁和c₂，透镜焦距为f，散焦光栅等效焦距和离轴量分别为f_g和x₀，成像传感器面上的正负一级光斑质心为x₊₁、x_-1、y₊₁、y_-1；

图像传感器位于透镜的焦平面上时，当存在角漂和平漂光束入射时，成像光斑的移动情况如图2、图3所示；

1)、当存在平漂的光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相反的方向移动，光斑质心之间的距离变大或者缩小，平漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

a∝δ(x₊₁-x_-1)f_g/2f

b∝δ(y₊₁-y_-1)f_g/2f

两光斑质心之间的距离为：

$x_{+1}-x_{-1}=-\frac{2f{x}_0}{f_g}+\frac{2\mathrm{af}}{f_g}$

$y_{+1}-y_{-1}=\frac{2\mathrm{bf}}{f_g}$

式中δ(x₊₁-x_-1)和δ(y₊₁-y_-1)为正负一级光斑质心之间间距变化，

2)、当角漂光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相同的方向移动、光斑之间的距离不变。角漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

c₁∝δ_x/f

c₂∝δ_y/f

两光斑之间距离为：

$|x_{+1}-x_{-1}|=\frac{2f{x}_0}{f_g}$

|y₊₁-y_-1|＝0

式中δ_x和δ_y为正一级或者负一级光斑质心位置的变化量；

⑤.根据采集到的光斑质心位置移动信息，判断两个光斑之间x方向和y方向上间距是否发生了变化，如果发生了变化，说明系统存在平漂，根据正负一级光斑质心位置的变化情况，求得入射光束的平漂量，如果两个光斑之间的距离没有发生变化，说明系统不存在平漂。根据正负一级光斑的整体变化量，求得入射光束的角漂量。

2、根据权利要求1所述的一种新型光束平漂和角漂实时检测方法及装置，其特征在于：该装置包括入射激光(1)、散焦光栅(2)、透镜(3)、图像传感器(4)、计算机(5)，其中其中散焦光栅(2)和短焦透镜(3)前后排列，图像传感器(4)位于短焦透镜(3)之后，计算机(5)位于图像传感器(4)之后。

3、根据权利要求1所述的一种新型光束平漂和角漂实时检测方法及装置，其特征在于：当用标准平行光标定系统时，图像传感器所成像的正负一级光斑大小相同；当该检测系统应用于反馈控制时，无需得出入射光束漂移的绝对数值，可不必采用平行光标定系统或者测量图像传感器靶面和透镜之间的距离，直接根据成像面上的正负一级光斑质心的变化情况，分离出光束漂移信息，反馈给自动控制系统，减小成像光斑的位置偏移；当成像传感器并非位于透镜的焦平面上时，当存在角漂和平漂的光束入射该系统时，成像光斑的移动情况如图2、图4、图5所示；

1)、当存在平漂的光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相反或者相同的方向移动，光斑质心之间的距离变大或者缩小，平漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

a∝δ(x₊₁-x_-1)f_g/2z

b∝δ(y₊₁-y_-1)f_g/2z

两光斑质心之间的距离为：

$x_{+1}-x_{-1}=-\frac{2z{x}_0}{f_g}+\frac{2\mathrm{ax}}{f_g},$

$y_{+1}-y_{-1}=\frac{2\mathrm{bz}}{f_g}$

式中z为图像传感器距离透镜的距离；

2)、当角漂光束入射检测系统时，系统成像的正负一级光斑向相同的方向移动、光斑之间的距离不变。角漂量与成像光斑质心位置变化之间的关系为：

c₁∝δ_x/z

c₂∝δ_y/z

两光斑之间距离为：

$|x_{+1}-x_{-1}|=\frac{2z{x}_0}{f_g}$

|y₊₁-y_-1|＝0

式中z为图像传感器距离透镜的距离；

当图像传感器位于散焦光栅和短焦透镜组合焦距位置之间时，光束漂移信息和成像光斑位置信息的关系同图像传感器位于透镜焦平面时相似；可采用相同的方法分离平漂信息；

当图像传感器距离透镜距离大于散焦光栅和短焦透镜焦距组合焦距时，正负一级光斑向相同的方向移动，但是两个光斑的移动幅度不同，根据两个光斑的移动距离情况可分离出平漂信息。

4、根据权利要求1所述的一种新型光束角漂和平漂实时检测方法及装置，其特征在于当采用一维散焦光栅时，可根据所成像正负一级光斑质心位置的变化情况，分离出光束的漂移信息；当采用二维正交散焦光栅或者更高维散焦光栅时，可根据所成像的对称光斑的质心位置变化情况，分离出光束的漂移信息；可根据正负一级光斑的位移情况分离角漂和平漂信息，也可以根据正负三级或者更高衍射级光斑分离出入射光束的漂移信息；散焦光栅高衍射级与一级衍射级焦距的关系为：

f_ng＝f_g/n

式中n为衍射级次，f_ng为n衍射级的等效焦距，f_g为一级衍射级的等效焦距。

5、根据权利要求1所述的一种新型光束角漂和平漂实时检测方法及装置，其特征在于平漂量与成像光斑之间的关系也可以表示为：

a∝δxf_g/f

b∝δyf_g/f

式中δ_x和δ_y为正一或者负一衍射级光斑质心位置变化量。

6、根据权利要求1所述的一种新型光束角漂和平漂实时检测方法及装置，其特征在于可以根据光斑的位移信息和光斑之间的距离信息，先分离检测平漂，也可以先分离检测角漂。

7、根据权利要求1所述的一种新型光束角漂和平漂实时检测方法及装置，其特征在于散焦光栅可以为一维散焦光栅，将一维散焦光栅正交叠加放置构成二维正交散焦光栅，也可以采用更多散焦光栅按一定角度叠加放置，构成多为散焦光栅；可以为振幅型散焦光栅，也可以为相位型散焦光栅；透镜可以为短焦透镜、透镜组、商业镜头、菲涅耳透镜等；图像传感器可以为CCD、CMOS等器件；可根据实际测量精度需求，根据漂移量与光斑移动之间的关系，确定光栅的等效焦距和短焦透镜焦距选取，光栅各个衍射级的衍射效率，使得成像所需的衍射级的功率密度近似相同，不需要的衍射级功率密度近似为零。

Images