CN102183361B

CN102183361B - 高功率激光远场焦面测量相机

Info

Publication number: CN102183361B
Application number: CN2011100674528A
Authority: CN
Inventors: 李红光; 达争尚; 董晓娜
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2031-03-21
Also published as: CN102183361A

Abstract

本发明涉及一种高功率激光远场焦面测量相机，该高功率激光远场焦面测量相机包括测量相机楔板以及焦面测量相机探测器；入射至测量相机楔板的入射光经测量相机楔板反射后形成反射光；焦面测量相机探测器设置于经测量相机楔板反射后所形成的反射光路上。本发明提供了一种在高功率阶段只需一次试验即可得出远场焦面变化，同时可以给出焦面光斑的形状的高功率激光远场焦面测量相机。

Description

高功率激光远场焦面测量相机

技术领域

本发明属光学领域，涉及一种测量相机，尤其涉及一种高功率激光远场焦面测量相机，能够完成激光高通量情况下光学系统的焦面漂移量测量以及激光远场光斑的形状测量。

背景技术

在目前激光测量系统中，存在低功率和高功率两个测量阶段，低功率阶段是高功率阶段测量的准备阶段，两个阶段功率相差10⁶左右。在高功率阶段，由于激光的功率很高，激光束的波面较低功率阶段激光束的波面会产生较大的变化。对于激光测量系统而言，光束波面的变化，会产生激光远场焦面的变化，包括远场焦面漂移以及远场光斑形状，这种变化对激光测量系统是不能容许的。

通常，为确定高功率阶段激光测量系统远场焦面的变化以便对系统进行修正，需要在此阶段进行多次高通量试验，并且，每隔一定的阶段都需要重新进行此类试验，这种高通量试验对系统内部的光学元件具有很大的破坏性，大大降低了光学元件的使用寿命，延长了激光测试的周期，造成了财力、时间和人力的很大浪费。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种在高功率阶段只需一次试验即可得出远场焦面变化，同时可以给出焦面光斑的形状的高功率激光远场焦面测量相机。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种高功率激光远场焦面测量相机，其特殊之处在于：所述高功率激光远场焦面测量相机包括测量相机楔板以及焦面测量相机探测器；所述入射至测量相机楔板的入射光经测量相机楔板反射后形成反射光；所述焦面测量相机探测器设置于经测量相机楔板反射后所形成的反射光路上。

上述高功率激光远场焦面测量相机还包括焦面测量相机会聚透镜；所述焦面测量相机会聚透镜设置于测量相机楔板的入射光路上。

上述测量相机楔板是一块、两块或多块。

上述测量相机楔板是两块时，所述测量相机楔板包括第一焦面测量相机楔板以及第二焦面测量相机楔板；所述第一焦面测量相机楔板以及第二焦面测量相机楔板相互平行设置于入射光路上。

上述第一焦面测量相机楔板的迎光面镀有增透膜，所述第一焦面测量相机楔板的透射面镀有分光膜；所述第二焦面测量相机楔板的迎光面镀有反射膜，所述第二焦面测量相机楔板的透射面镀增透膜；所述入射至第一焦面测量相机楔板的入射光经第一焦面测量相机楔板反射和透射后分别形成第一反射光以及第一透射光；所述第一透射光经第二焦面测量相机楔板反射和透射后分别形成第二反射光以及第二透射光；所述焦面测量相机探测器设置于第一反射光以及第二反射光的光路上。

上述第一焦面测量相机楔板的迎光面所镀制的增透膜是透过率不低于99.8％的高增透膜；所述第二焦面测量相机楔板的迎光面所镀制的反射膜是反射率不低于99.8％的高反射膜；所述第二焦面测量相机楔板的透射面所镀制的增透膜透过率不低于99.8％的高增透膜。

上述焦面测量相机探测器是胶片或CCD。

上述CCD是靶面大小为14mm×14mm的科学级CCD。

上述测量相机楔板的材质是光学玻璃。

上述光学玻璃是K9或JGS1。

本发明的优点是：

本发明提供了一种高功率激光远场焦面测量相机，该相机进行焦面漂移量的测量，只需一次实验就可以完成测量，利用公式计算即可得出焦面漂移量。入射至高功率激光远场焦面测量相机的激光光束经过焦面测量相机会聚透镜的会聚，入射至第一焦面测量相机楔板和第二焦面测量相机楔板上，由于两个楔板的膜层特点，第一焦面测量相机楔板的反射光束和第二焦面测量相机楔板的反射光束就会分别在探测器上形成一列激光光斑，由于这些光斑到达探测器上的光程有差异，因此就会在探测器上形成大小不一的激光光斑，而最小的激光光斑点才是焦面测量相机会聚透镜的最佳焦面位置。假设低功率阶段在高功率激光远场焦面测量相机的探测器上一共形成一列1，2，…，m，…，n-1，n，共n个激光光斑，而此时焦面测量相机会聚透镜的最佳焦面激光光斑是m激光光斑；而在高功率阶段，由于激光波面的变化，焦面测量相机会聚透镜的最佳焦面激光光斑是m+i(i为正整数或者负整数)，只需将变化量带入“具体实施方式”部分的公式计算即可得出焦面漂移量。总结其操作流程为：(1)记录下低功率阶段焦面测量相机会聚透镜的最佳焦面激光光斑；(2)进行一次高功率阶段试验，记录下此时焦面测量相机会聚透镜的最佳焦面激光光斑；(3)将高低功率两阶段的变化量带入“具体实施方式”部分的公式计算即可得出焦面漂移量。本发明提供了一种高功率激光远场焦面测量相机，该相机在高功率阶段只需一次试验即可得出远场焦面变化，并能够同时给出远场焦面漂移量以及激光远场光斑的形状。

附图说明

图1是本发明所提供的高功率激光远场焦面测量相机在使用过程的光路原理图；

其中：1-待测激光测量系统；2-分光镜；3-待测激光测量系统会聚透镜；4-待测激光测量系统远场焦面；5-焦面测量相机会聚透镜；6-焦面测量相机探测器；7-高功率激光远场焦面测量相机；8-第一焦面测量相机楔板；9-第二焦面测量相机楔板。

具体实施方式

在待测激光测量系统中，为准确得到待测激光测量系统会聚透镜焦面的漂移量，传统方法需要进行多次高通量的实验进行反复迭代，才能最终得到待测激光测量系统会聚透镜焦面的漂移量，其操作流程为：(1)进行一次高通量实验，在探测器上记录下光斑的形状及大小；(2)根据光斑的形状，判断探测器是处于待测激光测量系统会聚透镜的焦前/焦后位置；(3)根据判断结果，将探测器向待测激光测量系统会聚透镜焦面位置移动；(4)依次重复(1)～(3)的步骤，直到探测器上的光斑最小，此时探测器的位置和探测器的初始位置只差就是待测激光测量系统会聚透镜焦面漂移量。整个测量过程需要多次的迭代实验逐次逼近。

本发明提供了一种高功率激光远场焦面测量相机7，该高功率激光远场焦面测量相机7包括与光轴倾斜放的测量相机楔板以及焦面测量相机探测器6；入射至测量相机楔板的入射光经测量相机楔板反射后形成反射光；焦面测量相机探测器6设置于经测量相机楔板反射后所形成的反射光路上。

如果入射光是会聚形式的，则本发明所提供的高功率激光远场焦面测量相机7其组成就可以实现其发明目的；如果入射光是平行光，则本发明在上述组成部件的基础上，还特意增加了焦面测量相机会聚透镜5；焦面测量相机会聚透镜5设置于测量相机楔板的入射光路上。

无论是否有焦面测量相机会聚透镜5，测量相机楔板可以是一块、两块或多块，为了较好的实现本发明的测量功能，本发明选用两块相机楔板，分别是第一焦面测量相机楔板8以及第二焦面测量相机楔板9，第一焦面测量相机楔板8以及第二焦面测量相机楔板9相互平行设置于入射光路上，第一焦面测量相机楔板8以及第二焦面测量相机楔板9可以是紧挨在一起，也可以是之间设置有一定的距离然后平行设置，需要根据焦面漂移量的范围实际确定。

第一焦面测量相机楔板8的迎光面镀有增透膜，第一焦面测量相机楔板8的透射面镀有分光膜；第二焦面测量相机楔板9的迎光面镀有反射膜，第二焦面测量相机楔板的透射面镀增透膜；入射至第一焦面测量相机楔板8的入射光经第一焦面测量相机楔板8反射和透射后分别形成第一反射光以及第一透射光；第一透射光经第二焦面测量相机楔板9反射和透射后分别形成第二反射光以及第二透射光；焦面测量相机探测器6设置于第一反射光以及第二反射光的光路上。

第一焦面测量相机楔板8的迎光面所镀制的增透膜是透过率不低于99.8％的高增透膜；第二焦面测量相机楔板9的迎光面所镀制的反射膜，其是反射率不低于99.8％的高反射膜；第二焦面测量相机楔板9的透射面所镀制的增透膜透过率不低于99.8％的高增透膜。

焦面测量相机探测器可以是可以为胶片、CCD等成像器件，只要探测器的靶面足够大，能够满足焦面探测范围的要求即可，例如靶面大小为14mm×14mm的科学级CCD。

测量相机楔板的材质是光学玻璃，根据使用激光波长的不同，材料也会随着变化，但通常情况下是K9或者JGS1这两种材料。

参见图1，本发明在使用时，从待测系统出射的平行光束经过分光镜2后，其反射光经待测激光测量系统会聚透镜3会聚，并形成待测激光测量系统远场焦面4；其透射光入射到高功率激光远场焦面测量相机7，光束经过焦面测量相机会聚透镜5之后，进入与光轴倾斜(倾斜角度为θ)放置的楔板对(楔板的楔角为δ)(第一焦面测量相机楔板8和第二焦面测量相机楔板9)，两个楔板空气隙间的相邻面为平行平面(空气隙间隔为d)。其中第一焦面测量相机楔板8的迎光面镀制高增透膜T≥99.8％，第一焦面测量相机楔板8的透射面镀制分光膜，其中反射率为R₀，透过率T₀；第二焦面测量相机楔板9的迎光面镀制高反射膜R≥99.8％，第二焦面测量相机楔板9的透射面镀制增透膜T≥99.8％。

入射到高功率激光远场焦面测量相机7的平行光经过会聚透镜组将光束会聚到楔板对(第一焦面测量相机楔板8和第二焦面测量相机楔板9)上，由于楔板对第一焦面测量相机楔板8的透射面镀制了分光膜，因此会对入射的光束进行反射和透射分光，分光的结果是第一焦面测量相机楔板8对将入射的会聚光束分成具有固定强度的一列光斑(通过第二焦面测量相机楔板9)成像到焦面测量相机探测器6上。

由于各光斑到达像面上的光程不同，因此各光斑的焦点位置也不同，在焦面测量相机探测器6上就会形成大小不一的光斑列阵，通过选取光斑最小，成像最清晰的一个光斑作为焦面基准位置，如果入射到相机上的光束波面发生变化(对应待测系统的远场焦面发生变化)，则在探测器上形成的光斑最小，成像最清晰的光斑较基准光斑位置发生偏离，通过在焦面测量相机探测器6上读出偏离量(设为a)可计算得出待测激光测量系统的远场焦面漂移量，并可以同时给出焦面光斑的形状。待测激光测量系统的焦面漂移量计算方法如下：

图1中所示为测量原理的示意图，设待测激光测量系统会聚透镜的组合焦距为f₁，焦面漂移量为Δ₁，焦面测量相机会聚透镜的焦距为f₂，焦面漂移量为Δ₂，由几何成像公式可得到：

Δ₁＝(f₁/f₂)²Δ₂

其中(sinθ/n)±δ，n为第一焦面测量相机楔板的的折射率。

如图1所示，从待测激光测量系统1中引出一路平行光入射到高功率激光远场焦面测量相机7上，在高功率激光远场焦面测量相机7的焦面测量相机探测器6上形成一列激光光斑。在低功率阶段，从焦面测量相机探测器6上形成的一列激光光斑中找到一个光斑最小，成像最清晰的一个光斑，作为基准光斑，在焦面测量相机探测器6上记录其位置。在高功率阶段，由于入射到激光测量系统的光束波面产生变化，从而使得激光测量系统的远场焦面随之产生变化，入射到远场焦面测量相机7上的波面同时产生相应的变化，在远场焦面测量相机探测器6上光斑最小，成像最清晰的光斑位置较基准位置也产生变化，通过在焦面测量相机探测器6上读出偏离量就可计算得出待测系统的焦面漂移量，并可以同时给出焦面光斑的形状。

Claims

1.一种高功率激光远场焦面测量相机，其特征在于：所述高功率激光远场焦面测量相机包括测量相机楔板以及焦面测量相机探测器；所述入射至测量相机楔板的入射光经测量相机楔板反射后形成反射光；所述测量相机楔板是两块；所述测量相机楔板包括第一焦面测量相机楔板以及第二焦面测量相机楔板；所述第一焦面测量相机楔板以及第二焦面测量相机楔板平行设置于入射光路上；所述第一焦面测量相机楔板的迎光面镀有增透膜，所述第一焦面测量相机楔板的透射面镀有分光膜；所述第二焦面测量相机楔板的迎光面镀有反射膜，所述第二焦面测量相机楔板的透射面镀增透膜；所述入射至第一焦面测量相机楔板的入射光经第一焦面测量相机楔板反射和透射后分别形成第一反射光以及第一透射光；所述第一透射光经第二焦面测量相机楔板反射和透射后分别形成第二反射光以及第二透射光；所述焦面测量相机探测器设置于第一反射光以及第二反射光的光路上。

2.根据权利要求1所述的高功率激光远场焦面测量相机，其特征在于：所述高功率激光远场焦面测量相机还包括焦面测量相机会聚透镜；所述焦面测量相机会聚透镜设置于测量相机楔板的入射光路上。

3.根据权利要求1或2所述的高功率激光远场焦面测量相机，其特征在于：所述第一焦面测量相机楔板的迎光面所镀制的增透膜是透过率不低于99.8%的高增透膜；所述第二焦面测量相机楔板的迎光面所镀制的反射膜是反射率不低于99.8%的高反射膜；所述第二焦面测量相机楔板的透射面所镀制的增透膜是透过率不低于99.8%的高增透膜。

4.根据权利要求3所述的高功率激光远场焦面测量相机，其特征在于：所述焦面测量相机探测器是胶片或CCD。

5.根据权利要求4所述的高功率激光远场焦面测量相机，其特征在于：所述CCD是靶面大小为14mm×14mm的科学级CCD。

6.根据权利要求1所述的高功率激光远场焦面测量相机，其特征在于：所述测量相机楔板的材质是光学玻璃。

7.根据权利要求6所述的高功率激光远场焦面测量相机，其特征在于：所述光学玻璃是K9或JGS1。