CN108287412B

CN108287412B - 一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统

Info

Publication number: CN108287412B
Application number: CN201711490982.7A
Authority: CN
Inventors: 李梦庆; 武春风; 李强; 姜永亮; 胡黎明; 许伟才; 彭小康; 胡海力; 王玉雷; 兰硕
Original assignee: General Designing Institute of Hubei Space Technology Academy
Current assignee: General Designing Institute of Hubei Space Technology Academy
Priority date: 2017-12-30
Filing date: 2017-12-30
Publication date: 2020-09-01
Anticipated expiration: 2037-12-30
Also published as: CN108287412A

Abstract

本发明公开了一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统，包括传输子系统、望远子系统及成像子系统，还包括分光镜。本发明使用时空间多束激光束分别从光纤激光器输出，并输入至准直组件，其中准直组件的负镜组安装于光学扫描机构上，通过调节光学扫描机构，可以实现激光束之间的准直；已被准直各激光束分别进入传输调焦组件，再经过分光镜反射至快反镜，然后进入主镜、次镜及调焦组件，最终实现多束激光束在空间的同一处汇聚至目标；光学微扫机构，其为柔性铰链机构，其微位移由压电陶瓷驱动实现，具备二维平移功能；其采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程。

Description

一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统

技术领域

本发明属于激光传输技术领域，具体涉及一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统。

背景技术

激光空间合成传输系统是提高到靶功率密度的一种系统形式，起到将多束激光能量或激光信息汇聚至目标的作用；同时，传输系统包含一个望远子系统，具有远距离目标观测和压缩光束发散角的作用。激光空间合成是将空间不同分布的激光束通过传输系统，在空间目标处高度汇聚，这就要求激光器输出的激光束之间的平行度严格一致，因此需要实现激光束达到亚微米的调整分辨率以及几百微米的运动行程。然而，在实际工程中，常使用的普通机械调整方法无法满足精度要求，同时也很难保证实时地调整。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统，包括包括传输子系统、望远子系统及成像子系统，还包括分光镜，

所述传输子系统包括多个微扫机构、多个准直组件及多个传输调焦组件；

所述望远子系统包括快反镜、主镜、次镜及调焦组件；

多束激光分别依次经过各自的微扫机构、准直组件、传输调焦组件，合束于分光镜，再依次经过快反镜、次镜及调焦组件、主镜，多束激光在主镜上均匀分布，通过次镜及调焦组件的调节，实现多束激光作用到预定位置的目标；

所述的准直组件，负镜组安装于光学微扫机构上，微扫机构由压电陶瓷驱动，用以高精度微量调整各束激光间相互平行；

所述分光镜对经过传输调焦组件调焦后的多束激光实现激光波段光束的反射，而透过可见光波段的光束；

所述的望远子系统，通过快反镜锁定能量和信息输出区域，先通过次镜调焦后再通过主镜，实现光束扩束、压缩发散角，实现多束激光在不同空间目标处的汇聚；同时所述快速反射镜，还用于实现空间目标的捕获、跟踪与瞄准。

进一步地，还包括成像子系统，所述成像子系统包括成像探测器、成像调焦组件和反射镜；

所述反射镜接受通过望远子系统的分光镜传送来的目标信息，极大地降低光学元件因装调误差所引起的光轴偏差，将目标成像于成像探测器，通过成像调焦组件可使目标清晰成像，再通过快反镜及成像控制单元使目标实时处于成像探测器的视场中心；所述成像子系统和望远子系统共光路。

具体地，所述传输子系统还包括微扫机构控制单元，由所述微扫机构控制单元控制微扫机构，实现负镜组在垂直于光轴平面内的二维移动，可以实时根据光束作用于目标的位置反馈，调整负镜组的位置，从而实现各路激光束之间的高精度平行。

具体地，所述望远子系统还包括快反镜控制单元，用于控制快速反射镜，实现移动目标的成像，并将激光光束传输至目标。

具体地，所述成像子系统还包括成像控制单元。

优选地，所述的光学微扫机构，为柔性铰链机构，其微位移由压电陶瓷驱动实现二维平移；其依据杠杆原理采用多级放大模式，增大了微扫机构的运动行程。

本发明使用时空间多束激光束分别从光纤激光器输出，并输入至准直组件，其中准直组件的负镜组安装于光学扫描机构上，通过调节光学扫描机构，可以实现激光束之间的准直；已被准直各激光束分别进入传输调焦组件，再经过分光镜反射至快反镜，然后进入主镜、次镜及调焦组件，最终输出至目标；

光学微扫机构，其为柔性铰链机构，其微位移由压电陶瓷驱动实现，具备二维平移功能；其依据杠杆原理采用多级放大模式，增大了微扫机构的运动行程；其采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程。

本发明的传输子系统采用两级调焦模式，首先，通过各子激光束的传输调焦组件(调焦扩束组件)，可实现各自光束的光斑汇聚；再者，再通过次镜及调焦组件，可以实现多束激光束在空间的同一处汇聚。

成像子系统和望远子系统共光路，成像光路的作用是对目标成像，使目标处于视场内，实现目标的捕获跟踪；共光路的优势为看到目标即可将激光传输到目标上。

本发明可用于多束激光的空间合成以提高到靶功率密度，解决目前激光到靶功率密度低、空间多光束调整精度低、在线调整维护难等问题，可大幅度降低工程实施难度并提高维护和调整效率。

附图说明

图1为本发明一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统结构示意图；

图2为三束光束分布示意图；

图3三束光束分布及空间合成示意图即图2的A向剖面视图；

图4为光学微扫机构主视图；

图5为光学微扫机构立体侧视图。

图中：1-快反镜，2-主镜，3-次镜及调焦组件，4-分光镜，5-反射镜，6-成像调焦组件，7-成像探测器，8-微扫机构控制单元，9-快反镜控制单元(也称作成像控制单元)，10-微扫机构，101、103-压电陶瓷，102-多级放大柔性铰链机构，11-负镜组，12-准直组件，13-传输调焦组件，14-光纤激光器，141、144、145-激光束。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于帮助理解本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

结合图1～3说明。本发明的一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统，包括传输子系统、望远子系统及成像子系统，还包括分光镜4，分光镜是传输子系统和成像子系统的过渡元件，它既可以反射激光波段光束，又可以透过可见光波段光束，还可以对子激光束直径进行有效扩束，实现光束口径匹配；

所述传输子系统包括多个微扫机构、多个准直组件及多个传输调焦组件(也称调焦扩束组件)，本实施例中包括三个微扫机构、三个准直组件及三个传输调焦组件；

所述望远子系统包括快反镜、主镜、次镜及调焦组件，可以对子激光束进行调焦，

三束激光分别依次经过各自的微扫机构、准直组件、传输调焦组件，合束于分光镜，再依次经过快反镜、次镜及调焦组件、主镜，三束激光在主镜上均匀分布，通过次镜及调焦组件的调节，实现多束激光作用到预定位置的目标；

所述的准直组件(包括负镜组和正镜组)，负镜组安装于光学微扫机构上，光学微扫机构为柔性铰链机构，其微位移由压电陶瓷驱动实现，具备二维平移功能；其依据杠杆原理采用多级放大模式，增大了微扫机构的运动行程；其采用压电陶瓷驱动，压电陶瓷一般都是堆叠起来使用，所以也称为压电陶瓷堆叠驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，微扫机构由压电陶瓷驱动实现高精度微量调整(上、下、左、右平动)，本实施例中驱动器选用芯明天PSt 150/2×3/5型压电陶瓷驱动器，可以满足精度、行程与推力的要求；用以高精度微量调整各束激光间相互平行；

本实施例的基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统还包括成像子系统，所述成像子系统包括成像探测器、成像调焦组件和反射镜；

所述反射镜接受通过望远子系统的分光镜传送来的目标(光)信息，极大地降低光学元件因装调误差所引起的光轴偏差，将目标成像于成像探测器，通过成像调焦组件可使目标清晰成像，再通过快反镜及成像控制单元(本实施例中成像控制单元与微扫机构控制单元为一体)使目标实时处于成像探测器的视场中心；所述成像子系统和望远子系统共光路，可以大大降低光学元件因装调误差所引起的两光轴偏差；成像光路的作用是对目标成像，使目标处于视场内，实现目标的捕获跟踪；共光路的优势为看到目标即可将激光传输到目标上。

所述传输子系统还包括微扫机构控制单元，由所述微扫机构控制单元控制微扫机构，实现负镜组在垂直于光轴平面内的二维移动，可以实时根据光束作用于目标的位置反馈，根据三束激光束作用在目标上作用光斑情况，以最佳光斑重合度为优化目标，微扫机构控制单元将不断输送位置信号给微扫机构驱动器，通过迭代优化，使光斑重合度达到最佳，以此调整负镜组的位置；根据光学设计知识，负镜组在垂直光轴平面内平移时，将改变光束的偏角，从而实现各路激光束之间平行度的高精度调整。

如图4～5，负镜组安装于光学微扫机构上，微扫机构采用二维的多级放大柔性铰链机构，其微位移由压电陶瓷驱动实现二维平移；并通过依据杠杆原理采用多级放大模式，增大了微扫机构的运动行程，采用压电陶瓷叠堆驱动，具备高运动分辨率、大行程的特点，可以扩大实现微米级或亚微米级的分辨率以及几十或几百微米的行程，从而实现高精度、大行程的调整负镜组的位置的目的。本实施例使用两级杠杆原理实现两级放大。

该发明提出的传输子系统采用两级调焦模式，首先，各激光束的传输调焦组件(调焦扩束组件)，用于实现各自光束的光斑汇聚；再者，通过次镜，可以实现多束子激光束在空间的同一处汇聚；

本实施例的所述望远子系统还包括快反镜控制单元，用于控制快速反射镜，实现移动目标的成像，并将激光光束传输至目标；快反镜控制单元是光电跟踪系统常用的单元，它可以从CCD中获得光束传输点与目标点的脱靶量，然后通过控制单元的优化算法，实时使脱靶量校正回来，并满足一定的要求，从而实现将激光光束传输到靶标上，同时也让靶标实时处于CCD视场中。

本实施例中成像控制单元和快反镜控制单元是一体的，传输光路和成像光路是共用快反镜的(也共用主镜和次镜)。

为了进一步实现激光束之间的高精度平行，由成像子系统将目标成像于成像探测器，通过成像调焦组件可使目标清晰成像，再通过快反镜及成像控制单元可是使目标实时处于成像探测器的视场中心。

Claims

1.一种基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统，其特征在于包括传输子系统、望远子系统及成像子系统，还包括分光镜，

所述望远子系统包括快反镜、主镜、次镜及调焦组件；

所述的准直组件，负镜组安装于微扫机构上，微扫机构由压电陶瓷驱动，用以高精度微量调整各束激光间相互平行；

所述的望远子系统，通过快反镜锁定能量和信息输出区域，先通过次镜及调焦组件调焦后再通过主镜，实现光束扩束、压缩发散角，实现多束激光在不同空间目标处的汇聚；同时所述快反镜，还用于实现空间目标的捕获、跟踪与瞄准；

所述成像子系统包括成像探测器、成像调焦组件和反射镜；

所述反射镜接受通过分光镜传送来的目标信息，极大地降低光学元件因装调误差所引起的光轴偏差，将目标成像于成像探测器，通过成像调焦组件可使目标清晰成像，再通过快反镜及成像控制单元使目标实时处于成像探测器的视场中心；所述成像子系统和望远子系统共光路；

所述传输子系统还包括微扫机构控制单元，由所述微扫机构控制单元控制微扫机构，实现负镜组在垂直于光轴平面内的二维移动，可以实时根据光束作用于目标的位置反馈，调整负镜组的位置，从而实现各路激光束之间的高精度平行。

2.根据权利要求1所述基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统，其特征在于所述望远子系统还包括快反镜控制单元，用于控制快反镜，实现移动目标的成像，并将激光光束传输至目标。

3.根据权利要求1所述的基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统，其特征在于所述成像子系统还包括成像控制单元。

4.根据权利要求1所述基于光学微扫机构的激光空间合成传输系统，其特征在于所述的微扫机构，其为柔性铰链机构，其微位移由压电陶瓷驱动实现二维平移；其依据杠杆原理采用多级放大模式，增大了微扫机构的运动行程。