CN102252830A - 光学鬼像的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光学系统的位于近光轴的光学鬼像的检测装置，其构成包括激光器，在该激光器的激光束输出方向依次是准直镜、半透半反镜和全反镜，在所述的半透半反镜和全反镜的反射光方向依次设置带小孔的光阑和装有可调衰减片的面阵CCD探测器，该面阵CCD探测器置于具有位置刻度标记的直线型导轨上，该面阵CCD探测器在所述的导轨上的移动由驱动器驱动，该驱动器的输入端与计算机的输出端相连，所述的面阵CCD探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连，本发明可验证光学系统中鬼像，增加了高功率激光系统的安全性。装置适用于大口径透镜轴上光学鬼像的检测，具有结构简单，便于移动，易于实现的优势，弥补了宽光束鬼像难以检测的缺点。

Description

光学鬼像的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及光学系统的光学鬼像，所述的光学鬼像是指由光学元件的表面的残余反射汇聚而形成的小光斑。特别是一种用于光学系统的位于近光轴的光学鬼像的检测装置及其检测方法。

背景技术

高功率激光装置中的鬼像是指由光学元件内表面的残余反射汇聚而形成的小光斑，在高功率激光装置中由于鬼像光斑可能具有较高的局部峰值功率，极易在光路中产生破坏，因此高功率激光装置中的鬼像一直是光学工程设计中不可忽视的重要问题。

由于在高功率激光装置中，鬼像的分布与系统光学元件的选择和排布密切相关，不同系统间鬼像的差异很大；加之系统具有较高的光强，不易直接测量，因此实际中难以形成一种广泛的、行之有效的直接测量方法。而传统的鬼像分析仅限于从理论上分析确定系统下鬼像的具体分布，并通过调整光学元件参数来避开鬼像的损伤，以确保系统安全有效地运行。

但是实际中存在加工、安装误差等因素，极易引起系统中鬼像偏离理论设定的区域，从而产生意外的损伤。因此，实践中急需一种简单易行的光学鬼像检测装置来验证光学系统中鬼像，以增加高功率激光系统的安全性。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于光学系统的位于近光轴的光学鬼像的检测装置及其检测方法，以验证光学系统中鬼像，提高高功率激光系统设计和安装的安全性。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于光学系统的位于近光轴的光学鬼像的检测装置，特点在于其构成包括激光器，在该激光器的激光束输出方向依次是准直镜、半透半反镜和全反镜，在所述的半透半反镜和全反镜的反射光方向依次设置带小孔的光阑和装有可调衰减片的面阵CCD探测器，该面阵CCD探测器置于具有位置刻度标记的直线型导轨上，该面阵CCD探测器在所述的导轨上的移动由驱动器驱动，该驱动器的输入端与计算机的输出端相连，所述的面阵CCD探测器的输出端与所述的计算机的输入端相连，所述的半透半反镜和全反镜平行并与所述的激光束成45°角放置，以所述的半透半反镜和全反镜入射光束的中心连线的中垂线为中轴同光轴地设置所述的带小孔的光阑、装有可调衰减片的面阵CCD探测器和待测光学系统，在所述的中轴的下方并平行地设置所述的直线型导轨。

所述的带小孔的光阑的口径大于待测光学系统的口径，其上有一个中心针孔，在过该中心针孔的一条直径上具有1对以上的不同半径的对称的光阑小孔对。

所述的面阵CCD探测器是置于所述的待测光学系统的一边或两边的光轴上的一个或2个面阵CCD探测器。

所述的半透半反镜、全反镜和带小孔的光阑分别置于光学调整架上。

所述的驱动器为步进马达。

所述的待测光学系统包括透镜、透镜组或透镜与平面镜的组合。

利用上述的光学鬼像的检测装置进行光学鬼像的检测方法，特点在于该方法包括下列步骤：

①按权利要求1所述的光学鬼像的检测装置的结构设置各元部件和待测光学系统；

②开启所述激光器，激光器发出的光束经准直镜照射在半透半反镜上，通过半透半反镜的调整使其反射光束通过所述的带小孔的光阑的中心针孔并与所述的面阵CCD探测器和所述的待测光学系统的光轴重合，调整所述的直线型导轨，使所述的面阵CCD探测器在所述的驱动器的驱动下在所述的直线型导轨上运动，所述的面阵CCD探测器始终保持光轴不变，所述的面阵CCD探测器的接收面正对所述的待测光学系统的表面；

③调整所述的半透半反镜和全反镜的位置，使经半透半反镜和全反镜反射的光束完全平行，经所述的带小孔的光阑对称的小孔形成两束平行的细光束垂直入射到待测光学系统的表面上；

④开启所述的面阵CCD探测器和计算机，所述的面阵CCD探测器探测的信息或图像通过传输线输入所述的计算机；

⑤在所述的计算机的控制下，所述的驱动器驱动所述的面阵CCD探测器在所述的直线型导轨上移动扫描光轴，当所述的面阵CCD探测器探测到汇聚的光斑时，调整所述的衰减片，再仔细控制驱动器，调整所述的面阵CCD探测器的位置，在获得最小最清晰最完整的光斑时，即鬼像，将所述的面阵CCD探测器的衰减倍率和面阵CCD探测器在直线型导轨上的位置输入计算机，该计算机将鬼像相应的衰减倍率、位置和光斑存储在数据库中；

⑥重复步骤⑤，以获得待测光学系统一边光轴上的所有鬼像的相应的衰减倍率、位置和光斑存储在数据库中；

⑦利用所述的待测光学系统的另一边所述的面阵CCD探测器重复步骤⑤和⑥，完成待测光学系统所有鬼像的探测。

所述的激光器采用氦氖(He-Ne)激光器，或者其他的连续性较好的1w以上的激光器。

根据实际测量需要，所述的面阵CCD探测器可以是一台或者两台，分别安装在待测光学系统的一侧或者两侧；

本发明的技术效果：

本发明用两束平行的细光束代替大口径光束，垂直入射待测光学系统表面，在光轴上移动面阵CCD探测器来检测鬼像点。本发明结构简单，便于操作，适合透镜或透镜组的特征鬼像点检测。使用细光束，一方面提高了鬼像检测的精度(光斑较小，避免了像差的影响)，另一方面避免了光路中主光束或其他鬼光束对检测的干扰。

1、通过调整所述的半透半反镜、反射镜和光阑的高度来产生不同入射高度的细光束，可以实现对透镜整个面型的扫描，便于多次测量，提高精度。

2、所述可调衰减的面阵CCD探测器，开始测量前，衰减片加至最大，根据扫描到的待测鬼像光强的差异，逐步降低衰减，以便获得较全面的光斑信息。

3、所述面阵CCD探测器根据待测元件的数量和实际测量结果的需要，随意增加或者减少所述的面阵CCD探测器的数量；两台面阵CCD探测器分别从透镜组的两侧轴上测量；或一台面阵CCD探测器分别移动到透镜两侧多次测量，根据实际情况灵活掌握。

4、所述的检测装置，对于确定的待测光学系统，通过对轴上鬼像位置的检测，定性地反应待测光学系统的参数的变化范围。特别是对于大口径长焦距的透镜，直接测量焦距，一方面硬件条件难以达到，另一方面由于焦深较大，测量准确性不高。通过鬼像的检测可以间接定性地表征透镜参数的范围。

5、通过调整所述半透半反镜和全反镜的位置，改变所述光束高度，改变所述CCD的测量位置，多次扫描，监测光斑的具体形貌，来监测透镜组的安装，提高安装精度。

实验表明，本发明装置适用于大口径透镜(组)轴上鬼像的检测，具有结构简单，便于移动，易于实现等优势，弥补了宽光束鬼像难以测量的缺点。且通过鬼像的检测，可以间接检测透镜加工、安装的误差，定性的反映待测元件的参数范围。

附图说明

图1为本发明光学鬼像的检测装置光路结构示意图。

图2为带小孔的光阑的结构示意图。

图3是加衰减片面阵CCD探测器与刻度标记的直线型导轨的连接结构示意图。

图4是本发明实例2的光路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明光学鬼像的检测装置光路结构示意图。是本发明实施例1用于单个透镜轴上鬼像的测量装置示意图，由图可见，本发明光学鬼像的检测装置，其构成包括激光器1，在该激光器1的激光束输出方向依次是准直镜2、半透半反镜3和全反镜4，在所述的半透半反镜3和全反镜4的反射光方向依次设置带小孔的光阑5和装有可调衰减片的面阵CCD探测器6，该面阵CCD探测器6置于具有位置刻度标记的直线型导轨603上，该面阵CCD探测器6在所述的导轨上的移动由驱动器7驱动，该驱动器7的输入端与计算机8的输出端相连，所述的面阵CCD探测器6的输出端与所述的计算机8的输入端相连，所述的半透半反镜3和全反镜4平行并与所述的激光束成45°角放置，以所述的半透半反镜3和全反镜4入射光束的中心连线的中垂线为中轴同光轴地设置所述的带小孔的光阑5、装有可调衰减片的面阵CCD探测器6和待测光学系统9，在所述的中轴的下方并平行地设置所述的直线型导轨603。

图2为带小孔的光阑的结构示意图。图中表示的是所述的带小孔的光阑5的口径大于待测光学系统的口径的一个特例，该带小孔的光阑5有一个中心针孔53，在过该中心针孔53的一条直径上有两对具有不同半径的对称的光阑小孔对51、52、54、55。

图3是加衰减片面阵CCD探测器与具有刻度标记的直线型导轨的连接结构示意图。图中601为CCD探测器，602是衰减片，603为具有刻度标记的直线型导轨。

所述的半透半反镜3、全反镜4和带小孔的光阑5分布置于光学调整架上，便于测试调节。

所述的驱动器7为步进马达。

所述的激光器为He-Ne激光器。

利用上述的光学鬼像的检测装置进行光学鬼像的检测方法，该方法包括下列步骤：

①按上述的光学鬼像的检测装置的结构设置各元部件和待测透镜9；

②开启所述激光器1，激光器1发出的光束经准直镜2照射在半透半反镜3上，通过半透半反镜3的调整使其反射光束通过所述的带小孔的光阑5的中心针孔53并与所述的面阵CCD探测器6和所述的待测透镜9的光轴重合，调整所述的直线型导轨603，使所述的面阵CCD探测器6在所述的驱动器7的驱动下在所述的直线型导轨603上运动，所述的面阵CCD探测器6始终保持光轴不变，所述的面阵CCD探测器6的接收面正对所述的待测透镜9的表面；

③调整所述的半透半反镜3和全反镜4的位置，使经半透半反镜3和全反镜4反射的光束完全平行，经所述的带小孔的光阑5对称的小孔51、55形成两束平行的细光束垂直入射到待测透镜9的表面上；

④开启所述的面阵CCD探测器6和计算机8，所述的面阵CCD探测器6探测的信息或图像通过传输线输入所述的计算机8；

⑤在所述的计算机8的控制下，所述的驱动器7驱动所述的面阵CCD探测器6在所述的直线型导轨603上移动扫描光轴，当所述的面阵CCD探测器6探测到汇聚的光斑时，调整所述的衰减片602，再仔细控制驱动器7，调整所述的面阵CCD探测器6的位置，在获得最小最清晰最完整的光斑时，即鬼像，将所述的面阵CCD探测器6的衰减倍率和面阵CCD探测器6在直线型导轨603上的位置输入计算机8，该计算机8将鬼像相应的衰减倍率、位置和光斑存储在数据库中；

⑥重复步骤⑤，以获得待测透镜9一边光轴上的所有鬼像的相应的衰减倍率、位置和光斑存储在数据库中；

⑦利用所述的待测透镜9的另一边所述的面阵CCD探测器6重复步骤⑤和⑥，完成待测透镜9所有鬼像的探测。

所述的面阵CCD探测器6的初始位置在远离在待测透镜9表面的光轴上并记录当前的位置(通常为小于焦距的距离内)，其衰减片602加至最大衰减。

根据需要，调整所述的半透半反镜3和全反镜4的位置，重复上述检测过程，获得更多的数据，以增加测量精度。

请参阅图4，本发明用以检测多个元件组成的光学系统的鬼像装置示意图。图4和图1不同在于这里的光学系统由待测透镜9-1，待测平板9-2组成，具有两个面阵CCD探测器6-1、6-2。光学鬼像的检测方法相同。不足赘述。

根据实际检测需要，调整所述入射光束和面阵CCD探测器6-1、面阵CCD探测器6-2的位置，重复扫描，以便获得更多的鬼像光斑。

实验表明，本发明装置适用于大口径透镜(组)轴上鬼像的检测，具有结构简单，便于移动，易于实现等优势，弥补了宽光束鬼像难以测量的缺点。且通过鬼像的检测，可以间接检测透镜加工、安装的误差，定性的反映待测元件的参数范围。

Claims (7)

1.一种用于光学系统的位于近光轴的光学鬼像的检测装置，特征在于其构成包括激光器(1)，在该激光器(1)的激光束输出方向依次是准直镜(2)、半透半反镜(3)和全反镜(4)，在所述的半透半反镜(3)和全反镜(4)的反射光方向依次设置带小孔的光阑(5)和装有可调衰减片的面阵CCD探测器(6)，该面阵CCD探测器(6)置于具有位置刻度标记的直线型导轨(603)上，该面阵CCD探测器(6)在所述的导轨上的移动由驱动器(7)驱动，该驱动器(7)的输入端与计算机(8)的输出端相连，所述的面阵CCD探测器(6)的输出端与所述的计算机(8)的输入端相连，所述的半透半反镜(3)和全反镜(4)平行并与所述的激光束成45°角放置，以所述的半透半反镜(3)和全反镜(4)入射光束的中心连线的中垂线为中轴同光轴地设置所述的带小孔的光阑(5)、装有可调衰减片的面阵CCD探测器(6)和待测光学系统(9)，在所述的中轴的下方并平行地设置所述的直线型导轨(603)。

2.根据权利要求1所述的光学鬼像的检测装置，其特征在于所述的带小孔的光阑(5)的口径大于待测光学系统的口径，其上有一个中心针孔(53)，在过该中心针孔(53)的一条直径上具有1对以上的不同半径的对称的光阑小孔对(51、52、54、55)。

3.根据权利要求1所述的光学鬼像的检测装置，其特征在于所述的面阵CCD探测器(6)是置于所述的待测光学系统(9)的一边或两边的光轴上的一个或2个面阵CCD探测器。

4.根据权利要求1所述的光学鬼像的检测装置，其特征在于所述的半透半反镜(3)、全反镜(4)和带小孔的光阑(5)分布置于光学调整架上。

5.根据权利要求1所述的光学鬼像的检测装置，其特征在于所述的驱动器(7)为步进马达。

6.根据权利要求1所述的光学鬼像的检测装置，其特征在于所述的待测光学系统包括透镜、透镜组、或透镜与平面镜的组合。

7.一种利用所述的光学鬼像的检测装置进行光学鬼像的检测方法，特征在于该方法包括下列步骤：

①按权利要求1所述的光学鬼像的检测装置的结构设置各元部件和待测光学系统(9)；

②开启所述激光器(1)，激光器(1)发出的光束经准直镜(2)照射在半透半反镜(3)上，通过半透半反镜(3)的调整使其反射光束通过所述的带小孔的光阑(5)的中心针孔(53)并与所述的面阵CCD探测器(6)和所述的待测光学系统(9)的光轴重合，调整所述的直线型导轨(603)，使所述的面阵CCD探测器(6)在所述的驱动器(7)的驱动下在所述的直线型导轨(603)上运动，所述的面阵CCD探测器(6)始终保持光轴不变，所述的面阵CCD探测器(6)的接收面正对所述的待测光学系统(9)的表面；

③调整所述的半透半反镜(3)和全反镜(4)的位置，使经半透半反镜(3)和全反镜(4)反射的光束完全平行，经所述的带小孔的光阑(5)对称的小孔(51、52、54、55)形成两束平行的细光束垂直入射到待测光学系统(9)的表面上；

④开启所述的面阵CCD探测器(6)和计算机(8)，所述的面阵CCD探测器(6)探测的信息或图像通过传输线输入所述的计算机(8)；

⑤在所述的计算机(8)的控制下，所述的驱动器(7)驱动所述的面阵CCD探测器(6)在所述的直线型导轨(603)上移动扫描光轴，当所述的面阵CCD探测器(6)探测到汇聚的光斑时，调整所述的衰减片(602)，再仔细控制驱动器(7)，调整所述的面阵CCD探测器(6)的位置，在获得最小最清晰最完整的光斑时，即鬼像，将所述的面阵CCD探测器(6)的衰减倍率和面阵CCD探测器(6)在直线型导轨(603)上的位置输入计算机(8)，该计算机(8)将鬼像相应的衰减倍率、位置和光斑图像以数组的形式存储在数据库中；

⑥重复步骤⑤，以获得待测光学系统(9)一边光轴上的所有鬼像的相应的衰减倍率、位置和光斑并存储在数据库中；

⑦设置并利用所述的待测光学系统(9)的另一边所述的面阵CCD探测器(6)重复步骤⑤和⑥，完成待测光学系统(9)所有鬼像的探测。

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