CN106840615A - 一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置及校准方法，该方案包括有辅助校准楔镜、辅助校准光阑、分光镜、共轭成像镜头、CCD相机、电控平移台；装置在校准状态下，辅助校准楔镜、辅助校准光阑依次放入激光束中继光路中；分光镜放置于光瞳测量位置后；共轭成像镜头、CCD相机依次放置于分光镜后的光路；CCD相机固定于电控平移台上；装置在测试状态下，移除光路中的辅助校准楔镜和辅助校准光阑。该方案利用电控平移台改变CCD相机与共轭成像镜头目镜的距离S，实现对不同位置激光束光瞳的在线高精度扫描测量。

Description

一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置及校准方法

技术领域

本发明涉及的是光束参数测量技术领域，尤其是一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置及校准方法。

背景技术

激光应用领域中，激光束传输过程的全程监测与控制对保证激光系统实现相应功能至关重要。激光束在线监测内容涵盖光轴、光瞳、能量、重频、功率等多个方面，对光瞳的测量可确定激光束传输至某一位置处的光束截面位置。在工业生产涉及高功率激光的应用领域中，激光束光瞳位置的偏离，可导致激光束传输至中继光学元件时由“切边”引起的光学、机械件损伤，增大复杂光学系统的像差。为防止传输过程光能损失、充分保证激光束光束质量和系统安全性，需精确掌握激光束传输全过程的参数，在线高精度测量光瞳位置信息对激光束传输的监测和控制具有重要意义。

已有专利“一种基于子孔径分割的光路耦合对准装置及对准方法”(授权公告号：CN 102768411 B)针对两个及两个以上光学平台间的光路耦合，巧妙利用原有功能系统中多子孔径的附带有光瞳、光轴信息的特点，提出采用基于子孔径分割的光路耦合对准装置及对准方法。该发明采用缩束系统实现光束口径变换，用于匹配微透镜阵列和CCD探测器的尺寸，缩束后的光束经过微透镜阵列成像于CCD探测器，即光瞳测量位置为微透镜阵列位置。该发明的缺点是仅能测量微透镜阵列位置的光瞳信息，不能在线实现其他位置的多点测量。且该发明侧重于解决波前探测过程中光瞳、光轴的控制，其中涉及到的光瞳测量功能单一、适应性较差。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置及校准方法，该方案光学系统成像共轭的原理，采用辅助校准楔镜偏转激光束光轴、辅助校准光阑限定激光束光瞳测量位置的校准方法，测得光瞳位置与CCD相机成像位置的共轭关系。利用电控平移台改变CCD相机与共轭成像镜头目镜的距离S，实现对不同位置激光束光瞳的在线高精度扫描测量。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，包括有辅助校准楔镜、辅助校准光阑、分光镜、共轭成像镜头、CCD相机、电控平移台；装置在校准状态下，辅助校准楔镜、辅助校准光阑依次放入激光束中继光路中；分光镜放置于光瞳测量位置后；共轭成像镜头、CCD相机依次放置于分光镜后的光路；CCD相机固定于电控平移台上；装置在测试状态下，移除光路中的辅助校准楔镜和辅助校准光阑。

作为本方案的优选：辅助校准楔镜具备光路偏转的功能，其楔角、材料、厚度等参数需与后续光路综合设计，满足大角度光路偏转的同时，还保持校准过程中辅助校准光阑的像位于CCD相机感光区域内。

作为本方案的优选：辅助校准光阑具备光束遮拦的功能，通光尺寸小于实际被测量光束的光斑尺寸。

作为本方案的优选：分光镜正常中继光路的同时，透射部分激光束至后续共轭成像镜头。

作为本方案的优选：共轭成像镜头包括沿光路传输方向依次放置的物镜、场镜、目镜，使激光束光瞳测量位置与CCD相机感光面位置满足成像共轭关系。

作为本方案的优选：电控平移台位于CCD相机下方，作为CCD相机的支撑件，能够带动CCD相机沿光路传输方向前后移动。

一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置的校准方法，包括有以下步骤：

a、在拟测量光瞳位置信息的范围内选取n个离散的光瞳测量校准位置，各校准位置与分光镜距离为D(D₁、D₂...D_i...D_n)；

b、将辅助校准光阑移入光路中第i个光瞳测量校准位置，并对正光路，相应校准位置与分光镜的距离为D_i；

c、观察CCD相机所成光瞳像，记录光瞳成像位置作为第i个光瞳校准零点位置；

d、将辅助校准楔镜移入光路中辅助校准光阑前方，移入位置尽量远离辅助校准光阑，以偏折后光束完全充满辅助校准光阑通光区域为边界条件，相应位置即为辅助校准楔镜安放的最远位置；

e、观察CCD相机所成光瞳像，记录光瞳成像位置并计算与光瞳校准零点位置的距离误差ΔL；

f、以CCD相机的一个像素尺寸作为判断依据，若ΔL大于此尺寸，操控电控平移台改变CCD相机与共轭成像镜头目镜的距离S，调整直至ΔL不大于一个像素，执行步骤g；若ΔL不大于此尺寸，表明CCD相机感光面位置S_i与拟测量光瞳位置D_i满足共轭关系，单个光瞳测量校准位置的校准完毕，移除辅助校准楔镜和辅助校准光阑，记录S_i和D_i，执行步骤h；

g、移除辅助校准楔镜，重复步骤c～步骤f；

h、重复步骤b～步骤g，直至完成全部n个校准位置的校准测量，根据所得数据D(D₁、D₂...D_i...D_n)与S(S₁、S₂...S_i...S_n)的共轭关系拟合得到光瞳共轭测量关系曲线，基于成像共轭的光瞳在线测量装置校准完毕。

本发明的基于成像共轭的光瞳在线测量装置及校准方法，利用了光学系统成像共轭的原理，采用辅助校准楔镜偏转激光束光轴、辅助校准光阑限定激光束光瞳测量位置的校准方法，测得光瞳位置与CCD相机成像位置的共轭关系。利用电控平移台改变CCD相机与共轭成像镜头目镜的距离S，实现对不同位置激光束光瞳的在线高精度扫描测量。

本发明的基于成像共轭的光瞳在线测量装置及校准方法的有益效果是，采用辅助校准楔镜偏转激光束光轴、辅助校准光阑限定激光束光瞳测量位置的校准方法，测得光瞳位置与CCD相机成像位置的共轭关系，测量原理简单、精准度高(若缩束倍率β、CCD相机像原尺寸为d时，测量精度优于βd，可达μm量级)；此外，根据校准得到的光瞳共轭测量关系曲线，通过平移CCD相机位置实现了不同位置激光束光瞳的在线高精度扫描测量，且无需再次校准，适应性强。本发明测量全过程不影响激光束正常的中继传输，与其他控制装置结合，可在激光束中继传输的应用场景下有效防控激光束“切光”和偏心传输，对充分保证系统的安全性和激光束光束质量具有重要意义。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1是本发明的基于成像共轭的光瞳在线测量装置测量状态下的示意图。

图2是本发明的基于成像共轭的光瞳在线测量装置校准状态下的示意图。

图3是本发明的基于成像共轭的光瞳在线测量装置中的共轭成像镜头的示意图。

图中，1为辅助校准楔镜，2为辅助校准光阑，3为分光镜，4为共轭成像镜头，5为CDD相机，6为电控平移台，7为物镜，8为场镜，9为目镜。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1：

如图1-3所示，本发明的一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，包括辅助校准楔镜1、辅助校准光阑2、分光镜3、共轭成像镜头4、CCD相机5、电控平移台6；校准状态下，辅助校准楔镜1、辅助校准光阑2依次放入激光束中继光路中；测量状态下，激光束中继光路中不引入辅助校准楔镜1、辅助校准光阑2；分光镜3放置于光瞳测量位置后相距为D处；共轭成像镜头4、CCD相机5依次放置于分光镜后的光路；CCD相机5固定于电控平移台6。

辅助校准楔镜1具备光路偏转的功能，其楔角、材料、厚度等参数需与后续光路综合设计，满足大角度光路偏转的同时，必须保持校准过程中辅助校准光阑2的像位于CCD相机5感光区域内。

辅助校准光阑2具备光束遮拦的功能，设计通光尺寸小于实际被测量光束的光斑尺寸。

分光镜3正常中继光路的同时，透射部分激光束至后续共轭成像镜头4。

的共轭成像镜头4包括物镜7、场镜8、目镜9，三者沿光路传输方向依次放置，各镜片曲率、间距、材料等参数经过光学优化设计后，激光束光瞳测量位置应与CCD相机5感光面位置满足成像共轭关系。

电控平移台6位于CCD相机5下方，作为CCD相机5的支撑件，能够接受外部控制带动CCD相机5沿光路传输方向前后移动。

用于本发明所述的一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置的校准方法，包含以下步骤：

a)在拟测量光瞳位置信息的范围内选取n个离散的光瞳测量校准位置，各校准位置与分光镜3距离为D(D₁、D₂...D_i...D_n)。

b)将辅助校准光阑2移入光路中第i个光瞳测量校准位置，并对正光路，相应校准位置与分光镜3的距离为D_i。

c)观察CCD相机5所成光瞳像，记录光瞳成像位置作为第i个光瞳校准零点位置。

d)将辅助校准楔镜1移入光路中辅助校准光阑2前方，移入位置尽量远离辅助校准光阑2，以偏折后光束完全充满辅助校准光阑2通光区域为边界条件，相应位置即为辅助校准楔镜1安放的最远位置。

e)观察CCD相机5所成光瞳像，记录光瞳成像位置并计算与光瞳校准零点位置的距离误差ΔL。

f)以CCD相机5的一个像素尺寸作为判断依据，若ΔL大于此尺寸，操控电控平移台6改变CCD相机5与共轭成像镜头4目镜9的距离S，调整直至ΔL不大于一个像素，执行步骤g)。若ΔL不大于此尺寸，表明CCD相机5感光面位置Si与拟测量光瞳位置Di满足共轭关系，单个光瞳测量校准位置的校准完毕，移除辅助校准楔镜1和辅助校准光阑2，记录Si和Di，执行步骤h)。

g)移除辅助校准楔镜1，重复步骤c)～步骤f)。

h)重复步骤b)～步骤f)，直至完成全部n个校准位置的校准测量，根据所得数据D(D₁、D₂...D_i...D_n)与S(S₁、S₂...S_i...S_n)的共轭关系拟合得到光瞳共轭测量关系曲线，基于成像共轭的光瞳在线测量装置校准完毕。

实施例2

本实施例与实施例1的结构相同，不同之处是：所述一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置的校准方法中步骤f)可不以CCD相机的一个像素尺寸作为判断依据，可以与系统具体测量精度要求匹配的尺寸作为判断依据。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，其特征是：包括有辅助校准楔镜、辅助校准光阑、分光镜、共轭成像镜头、CCD相机、电控平移台；所述装置在校准状态下，辅助校准楔镜、辅助校准光阑依次放入激光束中继光路中；所述分光镜放置于光瞳测量位置后；所述共轭成像镜头、CCD相机依次放置于分光镜后的光路；所述CCD相机固定于电控平移台上；所述装置在测试状态下，移除光路中的辅助校准楔镜和辅助校准光阑。

2.根据权利要求1所述的一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，其特征是：所述辅助校准楔镜具备光路偏转的功能，并能保持校准过程中辅助校准光阑的像位于CCD相机感光区域内。

3.根据权利要求1所述的一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，其特征是：所述辅助校准光阑具备光束遮拦的功能，设计通光尺寸小于实际被测量光束的光斑尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，其特征是：所述分光镜正常中继光路的同时，透射部分激光束至后续共轭成像镜头。

5.根据权利要求1所述的一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，其特征是：所述的共轭成像镜头包括沿光路传输方向依次放置的物镜、场镜、目镜并使激光束光瞳测量位置与CCD相机感光面位置满足成像共轭关系。

6.根据权利要求1所述的一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置，其特征是：所述电控平移台位于CCD相机下方，作为CCD相机的支撑件，能够带动CCD相机沿光路传输方向前后移动。

7.一种基于成像共轭的光瞳在线测量装置的校准方法，其特征是：包括有以下步骤：

a、在拟测量光瞳位置信息的范围内选取n个离散的光瞳测量校准位置，各校准位置与分光镜距离为D(D₁、D₂...D_i...D_n)；

b、将辅助校准光阑移入光路中第i个光瞳测量校准位置，并对正光路，相应校准位置与分光镜的距离为D_i；

c、观察CCD相机所成光瞳像，记录光瞳成像位置作为第i个光瞳校准零点位置；

d、将辅助校准楔镜移入光路中辅助校准光阑前方，移入位置尽量远离辅助校准光阑，以偏折后光束完全充满辅助校准光阑通光区域为边界条件，相应位置即为辅助校准楔镜安放的最远位置；

e、观察CCD相机所成光瞳像，记录光瞳成像位置并计算与光瞳校准零点位置的距离误差ΔL；

f、以CCD相机的一个像素尺寸作为判断依据，若ΔL大于此尺寸，操控电控平移台改变CCD相机与共轭成像镜头目镜的距离S，调整直至ΔL不大于一个像素，执行步骤g；若ΔL不大于此尺寸，表明CCD相机感光面位置S_i与拟测量光瞳位置D_i满足共轭关系，单个光瞳测量校准位置的校准完毕，移除辅助校准楔镜和辅助校准光阑，记录S_i和D_i，执行步骤h；

g、移除辅助校准楔镜，重复步骤c～步骤f；

h、重复步骤b～步骤g，直至完成全部n个校准位置的校准测量，根据所得数据D(D₁、D₂...D_i...D_n)与S(S₁、S₂...S_i...S_n)的共轭关系拟合得到光瞳共轭测量关系曲线，基于成像共轭的光瞳在线测量装置校准完毕。