CN108106722A - 一种低温辐射计用激光光束定位及控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低温辐射计用激光光束定位及控制系统，激光光束依次经过所述第一直角棱镜、第二直角棱镜、平面反射镜通孔、真空窗口和视场光阑进入所述低温辐射计接收腔内；所述平面反射镜倾斜设置，所述激光光束的散射光经视场光阑反射，经平面反射镜反射至离轴抛物面镜，再由离轴抛物面镜聚焦并成像于CMOS探测器上；所述控制模块接收CMOS探测器反馈的信息，并控制二维平移台的移动。本发明提供的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，能够自动纠正激光光束的偏离误差，确保了激光光束的精确入射，实现了激光功率完全入射到低温辐射计接收腔内。不仅有助于降低功率测量的不确定度、提高功率测量准确性，同时也提高了辐射定标的精度。
Description
技术领域
本发明涉及低温辐射计，尤其涉及一种低温辐射计用激光光束定位及控制系统。
背景技术
目前低温绝对辐射计在许多国家级计量研究机构中已成为光学辐射功率测量的基准，新型低温绝对辐射计具有最优的测量不确定度。在低温绝对辐射计新技术的支持下，激光功率测量的不确定度在几微瓦到几毫瓦的功率范围内可以达到优于0.01％的水平。随着低温绝对辐射计应用范围的不断扩大，且光学探测器的种类多种多样，迫切需要在不增大其测量不确定度的前提下，扩展其作为定标基准源的标准传递能力。
一般采用高稳定激光作为低温绝对辐射计的辐射定标光源，如何确保激光功率的完全入射到低温绝对辐射计的接收腔，成为保持最优测量不确定度、保证功率测量准确性的首要因素。同时，由于真空窗口的存在，必然带来散射影响，监测散射光的影响也是降低测量不确定度的关键。
目前通常在激光光路中增加具有散射光测量、光束定位的模块，其中具有典型代表的是美国国家标准技术研究所(NIST)的多功能低温绝对辐射计中设计的光阑部件(J.M.Houston,NIST Reference Cryogenic Radiometer Designed for VersatilePerformance.Metrologia,43,S31–S35.)。该光阑部件由1个离轴抛物面反射镜、1个硅光电二极管和1片光阑组成，离轴抛物面反射镜的中间有孔，允许激光束从中间穿过。该光阑部件采用离轴抛物面反射镜收集激光束周围的散射光，并将散射光反射至位于其焦平面处的硅光电二极管上以进行测量。该光阑部件安装在探测器模块前方，可以通过判断硅光电二极管的响应的大小可以实现激光束的粗略定位：当激光束位于反射镜通孔中心时，硅光电二极管的响应最小；当激光束逐渐偏离反射镜通孔中心时，硅光电二极管的响应逐渐增大；当激光束完全入射到反射镜上时，硅光电二极管的响应最大。
目前通常在激光光路中增加具有散射光测量、光束定位的模块，其基本光路如图1所示。光阑部件由离轴抛物面镜70、硅光电二极管和光阑51组成，离轴抛物面镜70的中间有通孔，允许激光束从中间穿过，然后通过光阑51，入射到低温辐射计接收腔60内。激光束周围的散射光由离轴抛物面镜70收集，并反射至位于其焦平面处的硅光电二极管上以进行测量，并可通过判断硅光电二极管的响应的大小可以实现激光束的粗略定位。
现有模块的主要缺点是：仅能反馈激光光束是否偏离，不能反馈激光光束偏离的具体方位，不便于调节纠正；仅能通过人为判断并进行操作调节，没有自动控制调节功能；且一般安装于真空室内，不便于操作。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够最大程度降低测量不确定度、提高功率测量准确性，同时可以根据激光光束的空间位置信息对激光光束进行自动纠偏的低温辐射计用激光光束定位及控制系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种低温辐射计用激光光束定位及控制系统，包括第一直角棱镜、第二直角棱镜、平面反射镜、真空腔室、视场光阑、低温辐射计接收腔、离轴抛物面镜、CMOS探测器及控制模块，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜正交设置，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜固定在二维平移台上，所述平面反射镜中间设置有平面反射镜通孔，所述真空腔室开设有真空窗口，所述视场光阑和低温辐射计接收腔位于所述真空腔室内，激光光束依次经过所述第一直角棱镜、第二直角棱镜、平面反射镜通孔、真空窗口和视场光阑进入所述低温辐射计接收腔内；所述平面反射镜倾斜设置，所述激光光束的散射光经视场光阑反射，经平面反射镜反射至离轴抛物面镜，再由离轴抛物面镜聚焦并成像于CMOS探测器上；所述控制模块接收CMOS探测器反馈的信息，并控制二维平移台的移动。
一些实施例中，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜可在所述二维平移台的带动下沿子午方向和弧矢方向平移，进而调节激光光束的光路路径。
一些实施例中，所述视场光阑由沿激光光束光路设置的三片光阑组成。
一些实施例中，所述激光光束以45°角入射到第一直角棱镜的直角面，并由另一直角面射出；由所述第一直角棱镜射出的激光光束以45°角射入第二直角棱镜的一个直角面，并由第二直角棱镜的另一个直角面射出。
一些实施例中，所述平面反射镜以45度角倾斜设置。
一些实施例中，三片所述光阑沿激光光束的光路方向口径依次减小，最靠近所述低温辐射计接收腔的光阑口径最小。
一些实施例中，所述激光光束由激光器产生，所述激光光束为线偏振光。
一些实施例中，所述第一直角棱镜与第二直角棱镜大小相同。
一些实施例中，所述视场光阑的视场为正负1°。
一些实施例中，所述CMOS探测器为面阵探测器。
本发明的有益效果在于：本发明提供的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，通过CMOS探测器实时获取激光光束的空间位置信息，通过二维平移台实现对激光光束光路的平移操作，能够自动纠正激光光束的偏离误差，确保了激光光束的精确入射，实现了激光功率完全入射到低温辐射计接收腔内。不仅有助于降低功率测量的不确定度、提高功率测量准确性，同时也提高了辐射定标的精度。
附图说明
图1是现有技术中，低温辐射计用激光光束及光阑部件构成的光路图。
图2是本发明一个实施例中，低温辐射计用激光光束定位及控制系统整体光路图。
附图标记：
第一直角棱镜10；第二直角棱镜20；平面反射镜30；真空腔室40；真空窗口41；视场光阑50；光阑51；低温辐射计接收腔60；离轴抛物面镜70；CMOS探测器80；。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合附图2详细说明一下本发明提供的低温辐射计用激光光束定位及控制系统。
如图2所示，本发明提供了一种低温辐射计用激光光束定位及控制系统，包括第一直角棱镜10、第二直角棱镜20、平面反射镜30、真空腔室40、视场光阑50、低温辐射计接收腔60、离轴抛物面镜70、CMOS探测器80及控制模块，所述第一直角棱镜10和第二直角棱镜20正交设置，所述第一直角棱镜10和第二直角棱镜20固定在二维平移台上，所述平面反射镜30中间设置有平面反射镜30通孔，所述真空腔室40开设有真空窗口41，所述视场光阑50和低温辐射计接收腔60位于所述真空腔室40内，激光光束依次经过所述第一直角棱镜10、第二直角棱镜20、平面反射镜30通孔、真空窗口41和视场光阑50进入所述低温辐射计接收腔60内；所述平面反射镜30倾斜设置，所述激光光束的散射光经视场光阑50反射，经平面反射镜30反射至离轴抛物面镜70，再由离轴抛物面镜70聚焦并成像于CMOS探测器80上；所述控制模块接收CMOS探测器80反馈的信息，并控制二维平移台的移动。
本发明提供的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，通过CMOS探测器80实时获取激光光束的空间位置信息，通过二维平移台实现对激光光束光路的平移操作，能够自动纠正激光光束的偏离误差，确保了激光光束的精确入射，实现了激光功率完全入射到低温辐射计接收腔60内。不仅有助于降低功率测量的不确定度、提高功率测量准确性，同时也提高了辐射定标的精度。
本发明的一个实施例中，经准直后的激光光束(线偏振光)依次经过正交设置并固定在二维平移台上的第一直角棱镜10和第二直角棱镜20，结合二维平移台的运动，可以控制激光光束在子午方向和弧矢方向进行平移。通过第一直角棱镜10和第二直角棱镜20的激光光束接着穿过平面反射镜30通孔，垂直射入真空窗口41，进而进入到真空腔室40内部。然后穿过视场光阑50，最终入射到低温辐射计接收腔60内。激光光束的散射光经视场光阑50反射后，再次通过真空窗口41，射到平面反射镜30上，经平面反射镜30反射到离轴抛物面镜70，由离轴抛物面镜70负责聚焦并成像于CMOS探测器80上。视场光阑50作为物面，CMOS探测器80为像面，CMOS探测器80采集的图像传递至控制模块，经处理后，可以得出激光光束相对于视场光阑50中心的偏离程度和方位，再通过控制二维平移台的运动实时纠正偏离误差，实现了激光光束的精确入射，提高了功率测量的准确性。
附图中，箭头表示激光光束的光线走向，即光路。
通过对CMOS探测器80上所有像元的响应进行积分等数据处理操作，同样可以实现对激光光束的散射光进行监测。通过监测结果，并配合二维平移台的设置，可以实现自动化控制，减少了手工操作环节，降低了对操作人员的技能要求。
为了配合调节激光光束的光路和方向，第一直角棱镜10和第二直角棱镜20可在二维平移台的带动下沿子午方向和弧矢方向平移，进而调节激光光束的光路路径。
在本发明的一个实施例中，视场光阑50由沿激光光束光路设置的三片光阑51组成。
所述激光光束以45°角入射到第一直角棱镜10的直角面，并由另一直角面射出；由所述第一直角棱镜10射出的激光光束以45°角射入第二直角棱镜20的一个直角面，并由第二直角棱镜20的另一个直角面射出。
为了将激光光束的散射光顺利的反射到离轴抛物面镜70上，本发明一个实施例中，平面反射镜30以45度角倾斜设置，以实现与离轴抛物面镜70的配合。
三片所述光阑51沿激光光束的光路方向口径依次减小，最靠近所述低温辐射计接收腔60的光阑51口径最小。
本发明的一些实施例中，所述激光光束由激光器产生，所述激光光束为线偏振光。
为了准确对激光光束进行调节，所述第一直角棱镜10与第二直角棱镜20大小相同。所述视场光阑50的视场为正负1°。三片所述光阑51之间的间距为50mm。
其中，本发明一个实施例中，CMOS探测器采用的是面阵探测器，尤其是高分辨率面阵探测器；相对于NIST的光阑中的单点的光电二极管，面阵探测器可以提供物面处激光光束的空间位置信息。
下面结合一个具体实施例，说明本发明提供的低温辐射计用激光光束定位及控制系统。
经准直后的激光光束为线偏振光，由He-Ne激光器产生，波长632.8nm，功率约5mW。激光光束以45°入射到第一直角棱镜10的直角面，并经由斜边面全反射后从另一直角面出射，当第一直角棱镜10在斜边面的法线方向上平移Δx时，激光光束将同样会在该方向上平移Δx。从第一直角棱镜10出射的光同样以45°入射到第二直角棱镜20的直角面，并经由斜边面全反射后从另一直角面出射，当第二直角棱镜20在斜边面的法线方向上平移Δy时，激光光束将同样会在该方向上平移Δy。第一直角棱镜10与第二直角棱镜20的大小相同，均为45mm(长)×45mm(宽)×45mm(高)，互相正交固定于位移精度为0.01mm的二维平移台上，通过二维平移台的运动可实现激光光束在子午方向和弧矢方向最大±5mm的平移。从第二直角棱镜20出射的光穿过平面反射镜30通孔，平面反射镜30为50mm×71mm的椭圆反射镜，以45°角倾斜放置以提供直径约50mm的有效反射口径，平面反射镜30通孔直径为10mm且中心轴线与平面反射面成45°角。激光光束垂直入射并通过直径为50mm的真空窗口41到达真空腔室40内部，然后穿过由三片光阑51组成的视场光阑50，最终入射到低温辐射计接收腔60内。视场光阑50的长度为100mm，视场为±1°，三片光阑51的直径分别为11.6mm、9.8mm和8mm，光阑51间隔为50mm，其中口径最小的8mm光阑51为主光阑51。激光光束的散射光绝大部分由主光阑51反射，反射光再次通过真空窗口41，并由平面反射镜30反射后到达离轴抛物面镜70，离轴抛物面镜70的直径为50mm，焦距为76.2mm。由离轴抛物面镜70负责聚焦并成像于CMOS探测器80上。CMOS探测器80像元数为1280×960，像素间隔为3.75μm，像面大小为4.8mm×3.6mm。主光阑51处作为物面，CMOS探测器80处为像面，可以获得空间分辨率优于0.012mm的16位灰度图像。采集的图像经由计算机处理可得激光光束相对于主光阑51中心的偏离程度和方位，再通过控制二维平移台的运动实时纠正偏离误差，实现了激光光束的精确入射，提高了功率测量准确性。同时，对CMOS探测器80各个像元的响应度数据进行积分等处理，可得主光阑51处散射光强度等级，从而评估散射光影响，降低了测量不确度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，包括第一直角棱镜、第二直角棱镜、平面反射镜、真空腔室、视场光阑、低温辐射计接收腔、离轴抛物面镜、CMOS探测器及控制模块，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜正交设置，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜固定在二维平移台上，所述平面反射镜中间设置有平面反射镜通孔，所述真空腔室开设有真空窗口，所述视场光阑和低温辐射计接收腔位于所述真空腔室内，激光光束依次经过所述第一直角棱镜、第二直角棱镜、平面反射镜通孔、真空窗口和视场光阑进入所述低温辐射计接收腔内；所述平面反射镜倾斜设置，所述激光光束的散射光经视场光阑反射，经平面反射镜反射至离轴抛物面镜，再由离轴抛物面镜聚焦并成像于CMOS探测器上；所述控制模块接收CMOS探测器反馈的信息，并控制二维平移台的移动。
2.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜可在所述二维平移台的带动下沿子午方向和弧矢方向平移，进而调节激光光束的光路路径。
3.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述视场光阑由沿激光光束光路设置的三片光阑组成。
4.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述激光光束以45°角入射到第一直角棱镜的直角面，并由另一直角面射出；由所述第一直角棱镜射出的激光光束以45°角射入第二直角棱镜的一个直角面，并由第二直角棱镜的另一个直角面射出。
5.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述平面反射镜以45度角倾斜设置。
6.根据权利要求3所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，三片所述光阑沿激光光束的光路方向口径依次减小，最靠近所述低温辐射计接收腔的光阑口径最小。
7.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述激光光束由激光器产生，所述激光光束为线偏振光。
8.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述第一直角棱镜与第二直角棱镜大小相同。
9.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述视场光阑的视场为正负1°。
10.根据权利要求1所述的低温辐射计用激光光束定位及控制系统，其特征在于，所述CMOS探测器为面阵探测器。
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