CN109143906B - 一种智能光阑及激光校准方法 - Google Patents

一种智能光阑及激光校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种智能光阑及激光自动校准方法，智能光阑由组成封闭且呈中心对称结构的多个晶体硅光电池、由所述多个晶体硅光电池围成的光阑通光孔径以及内部结构构成。利用自动校准方法待校准激光经过电调镜架的反射穿过智能光阑，智能光阑将接收到的光信号转换得到相应路数的电压信号输出；电流/电压转换电路比较器将得到的电压信号数据值发送给电调镜架控制器，控制经过电调镜架的光路进行调整以使穿过智能光阑的待校准激光的光斑中心与智能光阑的中心重合，实现待校准激光的自动校准。本发明提供的智能光阑方案将硅光电池封装，成本低且易于实现。能够快速、方便地对激光进行准直，获得高精度的准直激光输出。

Description

一种智能光阑及激光校准方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别是指一种辅助光轴校准的智能光阑以及使用智能光阑进行激光校准的方法。
背景技术
光阑是光学组件中光学元件的边缘、框架或特别设置的带孔屏障，大小由透镜框和其他金属框决定，从而限制光束。在光学系统中，多利用装夹光学零件的金属框内孔来限制光束，有时还需要专门设置一些带孔的金属薄片，这些孔或者薄片的通光孔一般呈圆形，其中心位于透镜的中心轴上。光阑在光学系统中的作用，可以决定像面的照度、系统的视场，可以拦截系统中有害的杂散光，可以限制光束中偏离理想位置的部分光线，从而改善系统的成像质量。当通光孔的大小可变化时，这种光阑称为“可变光阑”。按照光阑的作用，可以分为：孔径光阑、视场光阑、消杂光光阑、渐晕光阑，广泛应用于相机、望远镜、光学显微镜等光学系统中。
光阑的效果与其所在位置有极大的关系。在激光准直案例中，光阑多采用人工调节的方式满足两点一线的原则，或采用CCD(charge coupled device，电荷耦合器件)观察辅助调整。若采用人工调节方式，与操作人员的观察角度有关，因此会带来很大的系统误差。若采用CCD观察辅助调整，则需要搭建辅助远场成像光路，使得光阑的像准确地成在CCD的光敏面上；在紧凑型激光器的调试中，会产生辅助远场成像光路无法搭建的困难，增加了工作量，也引入了新的系统误差。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种辅助光轴校准功能的智能光阑，利用反馈系统和配套电调镜架，完成指示激光的自动准直，获得高精度的准直激光输出。
为了实现上述目的，现提出如下解决方案：
一方面，提供一种智能光阑，包括：
组成封闭且呈中心对称结构的多个晶体硅光电池、由所述多个晶体硅光电池围成的光阑通光孔径以及内部结构；所述多个晶体硅光电池性能完全相同；
其中，当使用所述智能光阑进行激光校准时，所述智能光阑通光孔径的大小应不大于待校准的激光光束口径且所述智能光阑应大于所述待校准的激光光束口径。
优选地，所述内部结构为光电二极管和闭合电路；其中，所述多个晶体硅光电池可以替换为光电二极管或电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体管。
优选地，所述多个晶体硅光电池可以采用单晶硅光电池或多晶硅光电池。
另一方面，还提供了一种激光校准方法，应用上述智能光阑进行激光校准，包括：
待校准激光由光源射出，经过电调镜架的反射穿过所述智能光阑，所述智能光阑将接收到的光信号转换成电信号并通过电流/电压转换得到相应路数的电压信号输出；
电流/电压转换电路比较器将所述智能光阑得到的电压信号数据值发送给电调镜架控制器，所述电调镜架控制器控制经过所述电调镜架的光路进行调整以使穿过所述智能光阑的待校准激光的光斑中心与所述智能光阑的中心重合，实现所述待校准激光的自动校准。
优选地，当所述智能光阑为多个时，所述多个智能光阑在同一几何中心线上。
优选地，还包括：
搭建激光放大器，将自动校准后的激光发送至所述激光放大器。
优选地，还包括：
对所述智能光阑得到的相应路数的电压信号的数据值进行归一化处理，以消除激光光束能量波动对电压信号的影响。
优选地，所述对所述智能光阑得到的相应路数的电压信号的数据值进行归一化处理，包括：
获取所述智能光阑接收的实时光功率/能量产生的电压信号的数据值，以及统计预设时间段内光功率/能量产生的电压信号的数据值的平均值，二者的比值为归一化的电压数据值。
优选地，所述电调镜架为两个时，所述待校准激光经过近场电调镜架反射至远场电调镜架，经过所述远场电调镜架的反射穿过所述智能光阑。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，提供了一种辅助光轴校准的智能光阑，以及利用智能光阑进行自动激光校准的方法。智能光阑由组成封闭且呈中心对称结构的多个晶体硅光电池、由所述多个晶体硅光电池围成的光阑通光孔径以及内部结构构成。利用自动校准方法待校准激光经过电调镜架的反射穿过智能光阑，智能光阑将接收到的光信号转换得到相应路数的电压信号输出；电流/电压转换电路比较器将得到的电压信号数据值发送给电调镜架控制器，控制经过电调镜架的光路进行调整以使穿过智能光阑的待校准激光的光斑中心与智能光阑的中心重合，实现待校准激光的自动校准。本发明提供的智能光阑方案将硅光电池封装，成本低且易于实现。采用该智能光阑进行自动激光校准，利用反馈系统和配套电调镜架，完成指示激光的自动准直，获得高精度的准直激光输出。能够对激光光路进行调试和维护，快速、方便地对激光进行准直，获得高精度的准直激光输出。该方案能够应用于光学精密工程、激光工程等多个领域，能够获得较好的市场效果。
附图说明
图1(a)-图1(c)为本发明实施例提供的智能光阑结构示意图；
图2为以图1(a)结构为例本发明实施例提供的智能光阑工作原理示意图；
图3为本发明实施例提供的激光校准方法实现系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
在光学平台与激光光学中，光阑多用于以下两个方面：
1、改变光斑的横向分布。利用光阑边缘的衍射效应，使得激光在通过光阑之后，其横向分布发生改变，如利用硬边/软边光阑实现高斯光束/贝塞尔-高斯光束的变换；或通过光阑实现激光的衍射，实现图案的传输或投影；或者作为空间滤波器的孔径光阑，完成滤波的操作。
2、激光准直。利用激光的高度准直特性，使得准直激光连续通过2个分立光阑，利用两点一线原理确定激光传输的主光轴，从而在主光轴上完成复杂激光器的调试。
现有的激光准直案例中，采用人工调整光路，工作量比较大、速度比较慢，重复性比较差而且精度也低。为了高效的对激光光路进行调试和维护，快速、方便地对激光进行准直，有必要对光阑的调整方法进行优化。
为解决现有技术中应用光阑进行激光准直出现的问题，本发明实施例提供一种智能光阑，包括：组成封闭且呈中心对称结构的多个晶体硅光电池、由所述多个晶体硅光电池围成的光阑通光孔径以及内部结构；所述多个晶体硅光电池性能完全相同；其中，当使用所述智能光阑进行激光校准时，智能光阑通光孔径的大小应不大于待校准的激光光束口径且所述智能光阑应大于所述待校准的激光光束口径。即保证待校准的激光光束能够穿过全部智能光阑孔径(附图1(a)-图1(c)中中间空白处)以及部分晶体硅光电池(附图1(a)-图1(c)中阴影处)，保证利用光电效应将激光转换成电能。
具体地，智能光阑所用到的硅光电池可以用光电二极管、CCD、CMOS等光电元件替代。相应地，硅光电池的附属电路也应用光电二极管的附属电路替代。本发明实施例中提及的“内部结构”，指的是组成该智能光阑的硅光电池(包括二极管等)及其附属电路、结构部分。
具体地，如图1(a)-图1(c)所示，为本发明实施例提供的智能光阑结构示意图，图1(a)为4个硅光电池呈中心对称摆放构成封闭环结构的智能光阑，同理图1(b)是6个图1(c)是8个。该智能光阑主体是一个或多个大面积晶体硅光电池，其内部结构为光电二极管和闭合电路；利用硅光电池的光电效应，将激光转换成电能。具体地，硅光电池可采用单晶硅或多晶硅光电池，无需关注其转换效率；采用光电二极管和CCD(电荷耦合器件)、CMOS管(互补金属氧化物半导体管)能够生产功能相同的智能光阑。
如图1(a)所示，把4个性能完全相同的硅光电池按照直角坐标要求排列，形成多元非成像光电探测器。其中，性能相同表现为性能应保证为同一种类、同种型号光电池。图1(a)中阴影部分为硅光电池，白色部分为智能光阑通光孔径(即组成封闭且呈中心对称结构的中心)，智能光阑通光孔径的大小应不大于待准直的激光光束口径。
具体地，为更好的说明本发明实施例提供的智能光阑的工作原理，如图2所示，为以图1(a)结构为例本发明实施例提供的智能光阑工作原理示意图。其中1～4为性能完全相同的硅光电池，对称放置(呈中心对称放置)，A区域为激光光斑的横截面。图2中，智能光阑的口径设为R，智能光阑通光孔径设为r，智能光阑的原点是直角坐标系的原点O。图2中，激光光束的几何中心设为点A。当智能光阑接受激光辐照时，由于硅光电池的光电效应，4个硅光电池将接受到的光信号转换成4路电信号独立输出，通过电流/电压转换得到4路电压信号数据值分别是E1，E2，E3，E4。当E1>E4>E2>E3，表明图2中激光光斑中心A和智能光阑的中心O并不重合，需要调整入射激光的方向。当且仅当E1＝E2＝E3＝E4时，该智能光阑接收到的信号误差为0，表明图2中激光光斑中心A和智能光阑的中心O重合即完成了光轴的校准。为了消除激光光束能量波动对于电压信号的影响，需要对Ei进行归一化处理。类似地，图1(a)图1(b)图1(c)中三种排列的智能光阑，用于不同的应用场合：(b)用例i＝1～6，适用于六边形激光光斑；(c)用例i＝1～8，适用于方形激光光斑。
另一方面，本发明实施例还提供了一种激光校准方法，应用上述智能光阑进行激光校准，包括：待校准激光由光源射出，经过电调镜架的反射穿过所述智能光阑，所述智能光阑将接收到的光信号转换成电信号并通过电流/电压转换得到相应路数的电压信号输出；电流/电压转换电路比较器将所述智能光阑得到的电压信号数据值发送给电调镜架控制器，所述电调镜架控制器控制经过所述电调镜架的光路进行调整以使穿过所述智能光阑的待校准激光的光斑中心与所述智能光阑的中心重合，实现所述待校准激光的自动校准。
具体地，当所述智能光阑为多个时，所述多个智能光阑在同一几何中心线上。如图3所示，为本发明实施例提供的激光校准方法实现系统示意图。为了实现智能光阑的自动准直特性，需增加控制反馈系统根据智能光阑得到的电压来调整电调镜架进而调整进入智能光阑的激光以进行准直。图3中的智能光阑为图1(a)智能光阑为用例，案例中给出的方案是2个电调镜架配2个直立智能光阑，利用该方法进行激光准直效率最优，但本领域技术人员应该得知利用本方案的自动准直方法也可以使用其他智能光阑结构如图1(b)、图1(c)以增加智能光阑的定位精度，具体以能够实现为准并不做进一步限制。
如图3所示，待校准激光从被准直的激光光源①出射，当电调镜架为两个时，待校准激光经过近场电调镜架②反射至远场电调镜架③，经过远场电调镜架③的反射，连续穿过两个智能光阑A和B准确地进入激光放大器⑥。利用电流/电压转换电路比较器⑦，将智能光阑A和智能光阑B接收到的电压数据反馈给电调镜架控制器⑧，控制电调镜架实现近场电调镜架②、远场电调镜架③的俯仰、偏摆光路的调整，控制经过近场电调镜架②、远场电调镜架③的光路进行调整以使穿过智能光阑A和B的待校准激光的光斑中心与智能光阑A和B的中心重合从而使得光路完成自动准直。
具体地，本发明实施例提供的激光校准方法还包括搭建激光放大器，将自动校准后的激光发送至激光放大器⑥。激光器的种子——放大结构是一种常用结构。一级种子光，连续串联若干级放大器。难点在于种子光如何准确地进入放大器结构。本发明申请提供了一种方案，就是利用智能光阑辅助设立放大级的中心线，在智能光阑确定的中心线上搭建放大器。不进入激光放大器即智能光阑单纯用于激光准直的方案。具体地，对光阑得到的相应路数的电压信号的数据值进行归一化处理，以消除激光光束能量波动对电压信号的影响步骤，具体包括：
获取智能光阑A和B接收的实时光功率/能量产生的电压信号的数据值，以及统计预设时间段内光功率/能量产生的电压信号的数据值的平均值，二者的比值为归一化的电压数据值。其中，光功率/能量就是激光器①的输出。
具体地，上述系统搭建过程中应注意确定智能光阑A和B的几何中心连线，即为系统主光轴；并使得二者保持一定的距离。待校准激光出射之前放置被准直的激光光源①，和近场电调镜架②、远场电调镜架③，使得激光能够照射到智能光阑A。随后，利用智能光阑A和智能光阑B实现自动准直，在准直光路后搭建激光放大器⑥，完成系统的搭建。
本发明提供的智能光阑方案将硅光电池封装，成本低且易于实现。采用该智能光阑进行自动激光校准，利用反馈系统和配套电调镜架，完成指示激光的自动准直，获得高精度的准直激光输出。能够对激光光路进行调试和维护，快速、方便地对激光进行准直，获得高精度的准直激光输出。该方案能够应用于光学精密工程、激光工程等多个领域，能够获得较好的市场效果。
在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能光阑，其特征在于，包括：
组成封闭且呈中心对称结构的多个晶体硅光电池、由所述多个晶体硅光电池围成的光阑通光孔径以及内部结构；所述多个晶体硅光电池性能完全相同；
其中，当使用所述智能光阑进行激光校准时，所述智能光阑通光孔径的大小应不大于待校准的激光光束口径且所述智能光阑应大于所述待校准的激光光束口径。
2.根据权利要求1所述的智能光阑，其特征在于，所述内部结构为光电二极管和闭合电路；其中，所述多个晶体硅光电池可以替换为光电二极管或电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体管。
3.根据权利要求1所述的智能光阑，其特征在于，所述多个晶体硅光电池可以采用单晶硅光电池或多晶硅光电池。
4.一种激光校准方法，其特征在于，应用所述权利要求1～3任意一种智能光阑进行激光校准，包括：
待校准激光由光源射出，经过电调镜架的反射穿过所述智能光阑，所述智能光阑将接收到的光信号转换成电信号并通过电流/电压转换得到相应路数的电压信号输出；
电流/电压转换电路比较器将所述智能光阑得到的电压信号数据值发送给电调镜架控制器，所述电调镜架控制器控制经过所述电调镜架的光路进行调整以使穿过所述智能光阑的待校准激光的光斑中心与所述智能光阑的中心重合，实现所述待校准激光的自动校准。
5.根据权利要求4所述的激光校准方法，其特征在于，当所述智能光阑为多个时，多个所述智能光阑在同一几何中心线上。
6.根据权利要求4所述的激光校准方法，其特征在于，还包括：
搭建激光放大器，将自动校准后的激光发送至所述激光放大器。
7.根据权利要求4所述的激光校准方法，其特征在于，还包括：
对所述智能光阑得到的相应路数的电压信号的数据值进行归一化处理，以消除激光光束能量波动对电压信号的影响。
8.根据权利要求7所述的激光校准方法，其特征在于，所述对所述智能光阑得到的相应路数的电压信号的数据值进行归一化处理，包括：
获取所述智能光阑接收的实时光功率/能量产生的电压信号的数据值，以及统计预设时间段内光功率/能量产生的电压信号的数据值的平均值，二者的比值为归一化的电压数据值。
9.根据权利要求4所述的激光校准方法，其特征在于，所述电调镜架为两个时，所述待校准激光经过近场电调镜架反射至远场电调镜架，经过所述远场电调镜架的反射穿过所述智能光阑。
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