CN106248353B - 基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统及测量方法 - Google Patents

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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties
    • G01M11/0242—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations

Abstract

本发明属于光学领域，涉及一种高能激光系统大动态远场焦斑测量装置，具体涉及一种基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统及测量方法。该系统包括聚焦透镜和DMD数字微镜，经过聚焦透镜的光束被DMD数字微镜反射后产生主瓣光路和旁瓣光路；沿主瓣光路的光线方向依次设置有主瓣成像镜头、主瓣衰减片和主瓣CCD探测器；沿旁瓣光路的光线方向依次设置有旁瓣成像镜头、旁瓣衰减片和旁瓣CCD探测器。本发明采用DMD器件实现远场焦斑主瓣和旁瓣的分离，使测量系统能够针对不同的焦斑情况作自适应调整。避免了遮挡小球的使用，可以极大提高测量系统的稳定性和灵活性。可以有效减少调试过程，降低调试难度，节省调试时间，实现远场焦斑的自动监测与调整。

Description

基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于光学领域，涉及一种高能激光系统大动态远场焦斑测量装置，具体涉及一种基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统及测量方法。
背景技术
随着激光技术的成熟，目前光学领域涌现出了越来越多的大型、复杂、高能激光系统。高能激光系统的远场焦斑形态是评估激光系统光束质量的重要参数，尤其是用于激光打靶过程时，要求焦斑能量集中度越高越好，即尽量减少“旁瓣”的能量，因而要求激光远场焦斑具有一定的动态范围，如用于惯性约束聚变的激光焦斑的动态范围在1000:1以上。“主瓣”和“旁瓣”是由ICF打靶过程中对激光的过孔需求而提出的概念。“主瓣”指焦斑(强度)分布的中心部分，“旁瓣”为“主瓣”的外范围部分。实际上，单发次远场焦斑测量主要是利用CCD探测器进行探测，受到CCD本身动态范围的限制，无法直接测量如此高的动态范围。通常的做法是采取动态范围拼接法测量高动态远场焦斑，即采用两个光路分别完成“主瓣”和“旁瓣”的测量，其中“旁瓣”测量光路利用小球将焦斑的中心即“主瓣”部分进行遮挡，而测量焦斑外围旁瓣部分。最后将主瓣图像和旁瓣图像进行拼接实现高动态范围远场焦斑测量。拼接法测焦斑的关键问题是对心问题，即用来遮挡焦斑主瓣部分的小球中心和实际焦斑质心重合得越好，所得焦斑分布越接近真实分布，因此实验前需对光路进行精密调试，并准确计算需要遮挡光斑中心的小球大小，对小球精确定位。而且激光系统在不同输出条件下，其远场焦斑会产生漂移，甚至形态发生变化，因而测量过程中需要不同尺寸的遮挡小球不断进行重新对准，大大增加了测量系统的调试工作，限制了拼接法测量远场焦斑的灵活性。另外，小球遮挡方法只适用于中心对称的焦斑形态，实际激光系统的焦斑分布并不总是表现为规则形状，采取小球遮挡的方法不适用于不规则焦斑测量。
发明内容
为了解决传统的小球遮挡式的动态范围拼接法调试工作繁琐而且无法适用不规则焦斑测量的技术问题，本发明提供一种基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统及测量方法。
本发明的技术解决方案是：一种基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统，其特殊之处在于：包括聚焦透镜和DMD数字微镜，经过聚焦透镜的光束被DMD数字微镜反射后产生主瓣光路和旁瓣光路；沿主瓣光路的光线方向依次设置有主瓣成像镜头、主瓣衰减片和主瓣CCD探测器；沿旁瓣光路的光线方向依次设置有旁瓣成像镜头、旁瓣衰减片和旁瓣CCD探测器；所述DMD数字微镜、主瓣CCD探测器和旁瓣CCD探测器均与计算机相连。
上述DMD数字微镜由微镜面阵列组成，每个微镜面均由尺寸不超过13mm×13mm的正方形反射镜片和位于反射镜片底部的转轴构成；在水平状态下，相邻两个微镜面的距离为1mm。
上述微镜面可沿对角轴线翻转±10°。
上述微镜面可沿对角轴线翻转±12°。
本发明还提供一种基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1】搭建上述基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统；
2】在低能状态下，调整DMD数字微镜的微镜面翻转角度，使全部的反射光线进入主瓣光路；
3】主瓣CCD探测器获取主瓣光斑特性，计算光斑中心位置和主瓣尺寸；
4】将步骤3】中获得的位置和尺寸信息转换为微镜面翻转控制信号；调整微镜面翻转角度，使主瓣区域内的反射光线进入主瓣光路，其他区域内的反射光线进入旁瓣光路；
5】调节主瓣衰减片和旁瓣衰减片的衰减倍率，使系统工作在高能状态下；主瓣CCD探测器获得主瓣图像，旁瓣CCD探测器获得旁瓣图像；
6】计算机将主瓣图像和旁瓣图像进行拼接得到大动态焦斑图像。
上述测量方法还包括以下步骤：
7】计算主瓣图像的中心位置和尺寸，判断主瓣图像的中心位置和尺寸与步骤4】中的主瓣区域是否吻合；如果存在偏差，则将偏差信息反馈至DMD数字微镜并作自适应调整。
本发明的有益效果在于：本发明采用DMD器件实现远场焦斑主瓣和旁瓣的分离，使测量系统能够针对不同的焦斑情况(包括形态和位置)作自适应调整。避免了遮挡小球的使用，可以极大提高测量系统的稳定性和灵活性。可以有效减少调试过程，降低调试难度，节省调试时间，实现远场焦斑的自动监测与调整。
附图说明
图1为DMD数字微镜工作原理示意图；
图2为基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统示意图。
具体实施方式
DMD数字微镜为美国TI公司生产的一款芯片级光束控制器件，通过控制微反射镜的翻转状态来控制光束。DMD在数字投影，压缩感知等领域已经获得了广泛的应用。远场焦斑通过成像系统成像至DMD反射镜，通过编码控制微反射镜翻转状态，将主瓣光路反射到其中一路，旁瓣光路反射到另外一路，两路焦斑信息分别被两台CCD相机接收，从而获取主瓣和旁瓣焦斑图像，将两幅图像进行拼接即可获得高动态远场焦斑图像。相比于遮挡小球，通过软件控制DMD每一个微反射镜的翻转姿态，DMD可以针对焦斑位置漂移和具体形态做相应的调整，可实现自适应对心操作以及实现复杂形态焦斑测量，降低装调复杂度，增加数据的可靠性。
DMD是一种用二进制脉宽调制的数字光开关，由成千上万个可倾斜的微镜组成的。DMD底层是基体(或称衬底)，基体表面刻有半导体存储器件CMOS，存储器上面是带有转轴(铰链)可偏转(摆动)的反射镜片支架，反射镜片固定在支架上。反射镜片用特殊铝材利用铝溅射工艺制成正方形。每个微镜面的尺寸约13μm×13μm或更小，代表一个像素。微镜面之间的间隔约1μm，每个微镜面都可以沿着它的对角轴线翻转±10°(翻转角度可以根据需要调整为±12°)。
微镜面不同的翻转角度分别对应“开”，“平”和“关”三种状态。如图1所示：平态时，微镜面水平放置，镜头置于微镜面的中垂线上；微镜面偏转+10°时(“开”态)，反射光线几乎全部通过成像系统；微镜面偏转-10°时(“关”态)，反射光线偏离成像系统，被吸收装置吸收或通过另一路成像系统。
参见图2，本发明提供的基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统主要包括聚焦透镜1和DMD数字微镜2，经过聚焦透镜1的光束被DMD数字微镜2反射后产生主瓣光路3和旁瓣光路4；沿主瓣光路3的光线方向依次设置有主瓣成像镜头31、主瓣衰减片32和主瓣CCD探测器33；沿旁瓣光路4的光线方向依次设置有旁瓣成像镜头41、旁瓣衰减片42和旁瓣CCD探测器43；DMD数字微镜2、主瓣CCD探测器33和旁瓣CCD探测器43均与计算机相连。
基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量方法包括以下步骤：
1】搭建基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统；
2】在低能状态下，调整DMD数字微镜的微镜面翻转角度，使全部的反射光线进入主瓣光路；
3】主瓣CCD探测器获取主瓣光斑特性，计算光斑中心位置和主瓣尺寸；
4】将步骤3】中获得的位置和尺寸信息转换为微镜面翻转控制信号；调整微镜面翻转角度，使主瓣区域内的反射光线进入主瓣光路，其他区域内的反射光线进入旁瓣光路；
5】调节主瓣衰减片和旁瓣衰减片的衰减倍率，使系统工作在高能状态下；主瓣CCD探测器获得主瓣图像，旁瓣CCD探测器获得旁瓣图像；
6】计算机将主瓣图像和旁瓣图像进行拼接得到大动态焦斑图像。
上述测量方法还包括以下步骤：
7】计算主瓣图像的中心位置和尺寸，判断主瓣图像的中心位置和尺寸与步骤4】中的主瓣区域是否吻合；如果存在偏差，则将偏差信息反馈至DMD数字微镜并作自适应调整。
具体而言，DMD数字微镜2上的白色像素点表示“开”态，黑色像素点表示“关”态，调整中心像素为“开”态，使主瓣进入主瓣成像镜头31，被主瓣CCD探测器33接收；外围像素为“关”态，使旁瓣进入旁瓣成像镜头41，被旁瓣CCD探测器43接收。通过合理分配衰减比，能将焦斑动态范围降低，利用图像拼接技术，将主瓣与旁瓣合成，进而获得高动态范围远场焦斑图像。当焦斑主瓣尺寸变化时，通过二进制信号控制“开”态像素范围，即可实现主瓣像面大小的自适应调节。例如，当发现主瓣变小时，将“开”态像素范围对应缩小即可实现主瓣大小和“开”态像素的自动匹配。若焦斑产生漂移，通过控制“开”态像素作相应的整体位移调整即可实现主瓣中心和“开”态像素区域中心的自适应对齐。

Claims (5)

1.一种基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】搭建基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量系统；所述测量系统包括聚焦透镜和DMD数字微镜，经过聚焦透镜的光束被DMD数字微镜反射后产生主瓣光路和旁瓣光路；沿主瓣光路的光线方向依次设置有主瓣成像镜头、主瓣衰减片和主瓣CCD探测器；沿旁瓣光路的光线方向依次设置有旁瓣成像镜头、旁瓣衰减片和旁瓣CCD探测器；所述DMD数字微镜、主瓣CCD探测器和旁瓣CCD探测器均与计算机相连；
2】在低能状态下，调整DMD数字微镜的微镜面翻转角度，使全部的反射光线进入主瓣光路；
3】主瓣CCD探测器获取主瓣光斑特性，计算光斑中心位置和主瓣尺寸；
4】将步骤3】中获得的位置和尺寸信息转换为微镜面翻转控制信号；调整微镜面翻转角度，使主瓣区域内的反射光线进入主瓣光路，其他区域内的反射光线进入旁瓣光路；
5】调节主瓣衰减片和旁瓣衰减片的衰减倍率，使系统工作在高能状态下；主瓣CCD探测器获得主瓣图像，旁瓣CCD探测器获得旁瓣图像；
6】计算机将主瓣图像和旁瓣图像进行拼接得到大动态焦斑图像。
2.根据权利要求1所述的基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量方法，其特征在于：还包括以下步骤：
7】计算主瓣图像的中心位置和尺寸，判断主瓣图像的中心位置和尺寸与步骤4】中的主瓣区域是否吻合；如果存在偏差，则将偏差信息反馈至DMD数字微镜并作自适应调整。
3.根据权利要求1所述基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量方法，其特征在于：步骤1】中，所述DMD数字微镜由微镜面阵列组成，每个微镜面均由尺寸不超过13μm×13μm的正方形反射镜片和位于反射镜片底部的转轴构成；在水平状态下，相邻两个微镜面的距离为1μm。
4.根据权利要求3所述基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量方法，其特征在于：所述微镜面可沿对角轴线翻转±10°。
5.根据权利要求3基于数字微镜的大动态激光远场焦斑测量方法，其特征在于：所述微镜面可沿对角轴线翻转±12°。
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