CN104536149B - 单透镜近远场基准装置 - Google Patents

Abstract

一种单透镜近远场基准装置。本发明采用单透镜同时将光束近场和远场成像在CCD上，CCD作为近、远场的共同基准，从一幅图像中既获得自动准直必须的光束的近场，又获得光束的远场，通过一幅图像就可以处理出光束与基准的偏差。与传统分离设计的近远场准直基准相比，光路更加紧凑，通过简化准直光路及减少图像处理数据量，进而提高自动准直速度。该近远场基准装置结构简单，易于实现，可有效提高自动准直图像数据获取和处理速度。

Description

单透镜近远场基准装置

技术领域

本发明涉及激光自动准直，特别是一种单透镜近远场基准装置。

背景技术

在高功率激光及一般的激光研究中，激光光束传播方向性好，相应的光学系统往往只针对某一特定光束传播方向设计。因此，在光学系统设计中，往往设计光束方向控制系统来实现光束传播方向的控制，特别是在高功率激光系统中，由于光束传播方向控制精度要求高，系统结构复杂，通常采用高精度计算机自动准直的方法实现整个光学系统的自动准直。随着高功率激光技术的发展，激光系统规模越来越庞大，迫切需要提高现有光束自动准直的速度。

发明内容

本发明的目的是提出一种单透镜近远场基准装置，该装置为大规模激光系统的自动准直基准提供一种理想选择。

为实现上述目标，本发明的技术解决方案如下：

一种单透镜近远场基准装置，其特点在于：该装置包括沿待准直光束输入方向依次的主透镜、平行平板和CCD，所述的平行平板位于所述的主透镜的焦点之前，所述的平行平板的法线方向和所述的CCD的像面法线方向均与所述的主透镜的光轴严格平行，所述的CCD的像面位于主光束经所述的平行平板二次反射的汇聚点上，所述的CCD的输出端与计算机的输入端相连。

所述的CCD的中心位于主透镜的光轴上。

所述的平行平板具有沿光轴方向的移动导轨。

本发明单透镜近远场基准装置的主透镜的主轴确定一条直线，该直线即为装置的基准。当光束近场图像和远场图像的中心与CCD的中心重合时，表明待准直光束传播方向已经调节到与装置的基准重合，即实现装置的准直基准功能。

光束近场中心的识别只需要通过标记点或光束轮廓就可以获取；光束远场中心位于近场图像内，由于是光束远场区域叠加了光束近场，故光束远场区域的亮度比光束近场轮廓区域要高，可以比较方便地识别远场方向。从准直图像中识别出光束的近场中心及远场中心的位置，根据光学系统特点，计算机解析出待准直光束的传输矩阵。可将其反馈给自动控制系统，控制系统根据反馈控制信号进行光束传输方向控制，实现自动准直。

附图说明

图1是本发明单透镜近远场基准装置的示意图

图中：

1-主透镜；2-平行平板；3-CCD；4-计算机。

图2是同时含有近场及远场图像的准直图像示意图

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。

图1是本发明单透镜近远场基准装置示意图，由图可见，本发明单透镜近远场基准装置由主透镜1、平行平板2、CCD3和计算机4构成。图2是待准直光束偏离目标光轴时的准直图像示意图，近场图样坐标为(x_n,y_n),远场图样坐标中心为(x_f,y_f)。以此为例进行分析。

主透镜1焦距为f，主透镜1到达平行平板2前表面的距离为a₁，平行平板的厚度为d。当待准直光束与目标方向完全重合时，待准直主光束二次反射汇聚于点O₂，我们称之为远场点，O₂离平行平板的距离为a₂；主光束透过平行平板后，在汇聚之前到达CCD像面，CCD感应到一个汇聚之前的光斑，我们称之为近场光斑。

根据光传输矩阵，近场光束从主透镜前表面到达CCD的传输矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}1-\frac{a_1+a_2}{f}-d/\mathrm{fn}& a_1+a_2+d/n\\ -1/f& 1\end{array}\right],$

远场光束从透镜前表面到达CCD的传输矩阵为：

$\left[\begin{array}{cc}1-\frac{a_1+a_2}{f}-3d/\mathrm{fn}& a_1+a_2+3d/n\\ -1/f& 1\end{array}\right].$

根据几何光学关系，汇聚点O₂的像高为0，因此必须满足a₂＝f-a₁-3d/n。因此近场光束和远场光束从透镜前表面到达CCD的传输矩阵分别为 $\left[\begin{array}{cc}2d/\mathrm{fn}& f-2d/n\\ -1/f& 1\end{array}\right]$ 和 $\left[\begin{array}{cc}0& f\\ -1/f& 1\end{array}\right].$

设入射光束矩阵为 $A_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{c}(r_x,r_y)\\ ({\mathrm{\θ}}_x,{\mathrm{\θ}}_y)\end{array}\right],$ 近、远场中心分别在CCD上的坐标为(x_n,y_n)和(x_f,y_f)，基准中心为CCD的中心，坐标为(0,0)，那么有如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_f={\mathrm{f\θ}}_x\\ x_n=\frac{{2\mathrm{dr}}_x}{\mathrm{fn}}+{\mathrm{f\θ}}_x-{2\mathrm{d\θ}}_x/n\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{y}_f={\mathrm{f\θ}}_y\\ y_n=\frac{{2\mathrm{dr}}_y}{\mathrm{fn}}+{\mathrm{f\θ}}_y-{2\mathrm{d\θ}}_y/n\end{array}\right..$

因此根据近、远场图像偏离基准位置的量(x_n,y_n)和(x_f,y_f)得到入射光束矩阵：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_x=x_f+(x_n-x_f)\mathrm{fn}/2d\\ {\mathrm{\θ}}_x=x_f/f\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{r}_y=y_f+(y_n-y_f)\mathrm{fn}/2d\\ {\mathrm{\θ}}_y=y_f/f\end{array}\right..$

根据待准直光束矩阵和自动控制机构的特征，通过转换获得控制信号，驱动准直调节反射镜，可将其调整到目标方向 $A_{\mathrm{in}}=\left[\begin{array}{c}\left(\mathrm{0,0}\right)\\ \left(\mathrm{0,0}\right)\end{array}\right],$ 此时光束近、远场中心与基准方向重合。

Claims (3)

1.一种单透镜近远场基准装置，其特征在于：该装置包括沿待准直光束输入方向依次排列的主透镜(1)、平行平板(2)和CCD(3)，所述的平行平板(2)位于所述的主透镜(1)的焦点之前，所述的平行平板(2)的法线方向和所述的CCD(3)的像面法线方向均与所述的主透镜(1)的光轴平行，所述的CCD(3)的像面位于主光束经所述的平行平板(2)二次反射的汇聚点上，所述的CCD(3)的输出端与计算机(4)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的单透镜近远场基准装置，其特征在于所述的CCD(3)的中心位于主透镜(1)的光轴上。

3.根据权利要求1所述的单透镜近远场基准装置，其特征在于所述的平行平板(2)具有沿光轴方向的移动导轨。