CN102735423A - 一种光学系统受迫振动的在线测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学系统受迫振动的在线测量装置，包括在光路上依次设置的分束片、成像透镜、衰减器、CCD相机和图像处理单元，其中成像透镜、衰减器和CCD相机设置在隔振平台上；该在线测量装置不仅能够在线测量振动信号对光学系统光束的稳定性影响，而且能够测量振动信号本身的频谱特性，适用于有源光学系统和无源光学系统，并具有简便高效，测量范围大、精度和灵敏度高等特点。

Description

一种光学系统受迫振动的在线测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种振动信号的测量，特别是一种光学系统受迫振动的在线测量装置。
背景技术
振动是影响激光系统光束指向稳定性最为重要的因素之一，它直接决定着光束能否精确地按照指定的方向和位置发射。因此，振动测量对光学系统稳定性设计与评估改进具有重要的实际意义。
目前，振动测量普遍采用分布式传感器测量方式，其测量装置是由振动传感器、数据采集卡及后期信号处理软件等组成。将振动传感器直接分布到固定光学系统的支撑台上，由数据采集卡采集振动信号传输到电脑上进行频谱特征分析等信号处理，所测量的是光学支撑系统振动信号的大小及频谱特性，不能直接反映光学元件上光束的振动情况。若将传感器放到光学元件上测量，则会对光学元件本身的质量和频谱特性产生较大影响，无法分辨不同频谱成分对光学元件上光束影响的大小，因此该方法给出的测量结果不但精度不高，而且不够全面。
《强激光与粒子束（Vol.19，2007，p40）》公开了一种光学平台微振动激光测试方法，该方法将角敏光学系统和光电精密位置传感器（PSD）相结合，给出了被测平台的角漂值。但是该方法既无法得到光学元件上光束的振动大小，也无法得到影响光束指向稳定性的振源及其频谱特征。
发明内容
本发明提出了一种光学系统受迫振动的在线测量装置，目的在于克服现有振动测量方法存在的传感器对振动特性有影响，且难以在线和直接获得振动自身频谱特征、对光学系统指向稳定性的影响等参数的不足。
本发明的技术方案如下：
一种光学系统受迫振动的在线测量方法，包括以下步骤：
1】在光路上依次设置分束片3、成像透镜4、衰减器5、CCD相机6和图像处理单元7，调整衰减器5的衰减倍数，设置高帧频CCD相机6的采样频率，根据需要设置采样时间；
2】光学系统2输出端的出射光被分束片3分束成两路，透射光入射到成像透镜4汇聚，再经光衰减器5后入射到CCD相机6的光敏元，反射光则输出至后续实验装置继续应用，CCD相机对透射光进行采集；
3】图像处理单元7对采集到的图像数据进行处理，包括图像的阈值化处理、中值滤波处理及重心计算处理，计算出光束的重心数据，从而得到振动信号对光束的影响及光束位置随时间的偏移量；
图像处理单元7对重心两维坐标分别进行快速傅里叶变换及功率谱密度计算，得到振动信号自身的频谱特性。
一种光学系统受迫振动的在线测量装置，包括在光路上依次设置的分束片、成像透镜、衰减器、CCD相机和图像处理单元；经过光学系统输出端的出射光被分束片分束后，透射光入射到成像透镜汇聚，再经光衰减器后入射到CCD相机的光敏元；经分束片分束后的反射光输出至后续实验装置中；其中CCD相机输出端与图像处理单元电联接；成像透镜、衰减器和CCD相机设置在隔振平台上。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中，光学系统为有源系统，有源系统的出射光直接入射至分束片。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中，还包括在光学系统输入端设置的光源，光源的出射光经过光学系统后，入射至分束片；光源设置在隔振平台上。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中CCD相机为高帧频CCD相机。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中CCD相机的光敏元有效尺寸为5～20mm。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中分束片的透反比参数为1:9～1:1。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中衰减器为可变衰减器，其衰减系数为1/100～1/1。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中光源为激光器。
上述光学系统受迫振动的在线测量装置中高帧频CCD相机的采样频率大于1000Hz。
本发明具有的有益效果如下：
1、本发明的在线测量装置，可直接测量振动对光学系统光束的稳定性影响及振动信号本身的频谱特性，测量方法简便高效。
2、本发明的在线测量装置，可在不影响光学系统工作的情况下，在线监测得到其受迫振动参数，其数据可用于光学系统的动态评价。
3、本发明的在线测量装置，不但可用于无源的光学系统，而且可用于有源的光学系统，具有较强的普适性。
4、本发明的在线测量装置，将光学元件的振动信号转换为光信号，测量范围大、精度和灵敏度高。
5、本发明的在线测量装置，同样适用于其他因素比如空气扰动造成的激光光束指向稳定性变化的测量。
6、本发明在线测量装置中，在分束片和衰减器之间设置有成像透镜，既可以实现高保真的像传递，又可以解决光束长距离传输时由于发散角光斑变得过大的问题。
附图说明
图1、本发明有源光学系统受迫振动在线测量装置的示意图；
图2、本发明无源光学系统受迫振动在线测量装置的示意图；
图3、本发明实施例测量的特定光学系统中垂直方向时域振动信号；
图4、本发明实施例测量的特定光学系统中垂直方向振动信号的频谱图；
图中1—光源，2—光学系统，3—分束片，4—成像透镜，5—衰减器，6—CCD相机，7—图像处理单元，8—隔振平台。
具体实施方式
下面结合实施例、附图作进一步描述：
如图1所示，对于有源型光学系统2，测量装置包括在光路上依次设置的分束片3、成像透镜4、衰减器5、CCD相机6和图像处理单元7；经过光学系统2输出端的出射光被分束片3分束成两路，透射光入射到成像透镜4汇聚，再经光衰减器5后入射到CCD相机6的光敏元，反射光则输出至后续实验装置继续应用，为了避免测量装置中元器件受迫振动对测量结果的叠加和影响，成像透镜4、衰减器5和CCD相机6设置在隔振平台8上。这样以来，利用对有源光学系统2自身输出光束进行分束后监测，可以在不影响光学系统2工作的前提下，在线监测得到其振动特性。
如图2所示，对于无源型光学系统2，则需要在光学系统2之前增加一套光源1，光源1可以为激光器或其它光源，其输出波长在CCD相机6敏感范围内。光源1的出射光经过光学系统2后，入射至分束片3后再分光，此时光源1设置在隔振平台8上。
在图1和图2中，分束片3的分束比参数和衰减器5的衰减系数需要根据光源1、成像透镜4和CCD相机6的参数而定，通常情况下，分束片3的透反比参数选取为1:9～1:1，衰减器5为可变衰减器，其衰减系数选取为1/100～1/1；为了能够实现高频的振动信号及较大振幅信号的测量，CCD相机6选取高帧频CCD相机，其采样频率不小于1000Hz，光敏元有效尺寸则选取为5～20mm，可满足普通环境下光学系统2的受迫振动参数测量。
在测量装置应用中，首先选取合适的分束片3及成像透镜4，再调整衰减器5的衰减倍数，设置高帧频CCD相机6的采样频率，根据需要设置采样时间。图像处理单元7对采集到的图片进行处理，包括图像的阈值化处理、中值滤波及重心计算等处理，计算出光束的重心数据，进而得到振动信号对光束的影响及光束位置随时间的偏移量；对重心两维坐标分别进行快速傅里叶变换及功率谱密度计算，得到振动信号自身的频谱特性。
在高功率激光打靶实验中，光源1采用He-Ne激光器；分束片3半透半反，分束比为1：1，按照45°放置；成像系统采用单透镜2f等比成像，成像透镜44焦距为1m，衰减器5衰减系数为1/10。将成像透镜4、衰减器5和高帧频CCD相机6放置到高稳定性平台上，并且作隔振处理。在平台放置200Hz垂直振动源，高帧频CCD相机6选择采样频率为1000Hz，采样数目选择为1000。图3为测量得到的光斑质心坐标y随时间变化曲线，可以看出此振动输入下y向光束最大抖动量为±0.7mm。对上述数据进行功率谱密度计算得到图4，可以看出对光束稳定性影响最大的振动信号的频率为200Hz，与输入振动信号频率一致，结果准确，方法可行。
本发明已被用于角多路准分子激光MOPA系统打靶试验平台光路指向稳定性的相关研究中。

Claims (7)

1.一种光学系统受迫振动的在线测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】在光路上依次设置分束片（3）、成像透镜（4）、衰减器（5）、CCD相机（6）和图像处理单元（7），调整衰减器（5）的衰减倍数，设置高帧频CCD相机（6）的采样频率，根据需要设置采样时间；
2】光学系统（2）输出端的出射光被分束片（3）分束成两路，透射光入射到成像透镜（4）汇聚，再经光衰减器（5）后入射到CCD相机（6）的光敏元，反射光则输出至后续实验装置继续应用，CCD相机对透射光进行采集；
3】图像处理单元（7）对采集到的图像数据进行处理，包括图像的阈值化处理、中值滤波处理及重心计算处理，计算出光束的重心数据，从而得到振动信号对光束的影响及光束位置随时间的偏移量；
图像处理单元（7）对重心两维坐标分别进行快速傅里叶变换及功率谱密度计算，得到振动信号自身的频谱特性。
2.一种光学系统受迫振动的在线测量装置，其特征在于：包括依次设置在光学系统（2）出射光路上的分束片（3）、成像透镜（4）、衰减器（5）、CCD相机（6）以及与CCD相机电相连的图像处理单元（7）；所述分束片（3）分束后的反射光输出至后续实验装置中；所述分束片（3）、成像透镜（4）、衰减器（5）和CCD相机（6）设置在隔振平台（8）上。
3.根据权利要求2所述的光学系统受迫振动的在线测量装置，其特征在于：所述的光学系统（2）为有源系统，有源系统的出射光直接入射至分束片（3）。
4.根据权利要求2所述的光学系统受迫振动的在线测量装置，其特征在于：还包括在光学系统（2）输入端设置的光源（1），所述光源（1）的出射光经过光学系统（2）后，入射至分束片（3）；所述的光源（1）设置在隔振平台（8）上。
5.根据权利要求2或3或4所述的光学系统受迫振动的在线测量装置，其特征在于：所述分束片（3）的透反比参数为1:9～1:1；所述衰减器（5）为可变衰减器，衰减系数为1/100～1/1。
6.根据权利要求5所述的光学系统受迫振动的在线测量装置，其特征在于：所述的CCD相机（6）为高帧频CCD相机，其光敏元有效尺寸为5～20mm，其采样频率不小于1000Hz。
7.根据权利要求6所述的光学系统受迫振动的在线测量装置，其特征在于：所述的光源（1）为激光器，其输出波长在CCD相机（6）敏感范围内。
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