CN110146965B - 透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法，透射镜聚焦光路装调系统包括反射模块、透射镜、光束出射干涉显示模块，在反射模块和光束出射干涉显示模块之间设置有透射镜，其中，光束出射干涉显示模块包括干涉仪及计算机，干涉仪出射的作为装调光的平行光束的一部分作为检测光而另一部分作为参考光，检测光穿过透射镜后由反射模块反射而逆向返回干涉仪以形成行进方向与参考光相反的反射光，根据计算机显示的透射镜云图和基于反射光与参考光的干涉图样，定位透射镜及其相对于装调光的焦点位置，根据透射镜的色散性质计算透射镜相对于装调光及聚焦光的焦点差距，由此，定位透射镜相对于聚焦光的焦点位置。

Description

透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法

技术领域

本发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法，特别是一种结构简单、定位准确、装调效率高的透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法。

背景技术

透射镜是光电探测领域的常用器件，尤其是非球面透射镜，其能够使特定波长的光在所设计的距离聚焦从而达成聚焦效果。通常，在指定位置放置光源例如激光源，光源发出的激光经由同轴设置的透射镜，而在透射镜的非球面一侧近轴区域距透射镜面为规定距离的点聚焦，由此对该点进行探测，来实现光电探测。具体地，在要求探测位置的精确性的情况下，针对基于光源的激光，要求非球面透射镜安装位置的准确性，以使激光聚焦准确而使聚焦点重合于预定的探测点。然而，传统的人工装调方法通常借助于试错法而需要不断地根据探测点的光信号强度大小来改变光源和非球面透射镜的相对位置，故调试难度大，耗时长，不利于工程应用等的问题存在。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种透射镜聚焦光路装调系统，其包括反射模块、透射镜、光束出射干涉显示模块，其中，在光轴一致状态下的反射模块和光束出射干涉显示模块之间设置有透射镜；光束出射干涉显示模块包括干涉仪及其连接的计算机，干涉仪出射的作为装调光的平行光束的一部分作为检测光而另一部分作为参考光；检测光穿过透射镜后由反射模块反射而逆向返回干涉仪以形成行进方向与参考光相反的反射光；根据计算机显示的透射镜云图和基于反射光与参考光的干涉图样，定位透射镜及透射镜相对于装调光的焦点位置，根据透射镜的色散性质计算透射镜相对于装调光及聚焦光的焦点差距，由此，定位透射镜相对于聚焦光的焦点位置。

在本发明的一些实施例中，反射模块为反射镜，该反射镜的镜面以使入射光逆向反射的方式形成。

在本发明的一些实施例中，根据透射镜云图调整透射镜的放置角度，根据干涉图样调整透射镜的放置位置，由此，确定在透射镜聚焦光路装调系统的主轴上透射镜的位置、以及透射镜相对于装调光的焦点位置。

在本发明的一些实施例中，在反射模块与透射镜之间以更靠透射镜的方式设置有孔径光阑，该孔径光阑的口径中心与透射镜聚焦光路装调系统的主轴一致；孔径光阑的口径缘与穿过孔径光阑的检测光的光束边缘光线相切。

在本发明的一些实施例中，定位上述相切状态的孔径光阑在透射镜聚焦光路装调系统的主轴上的位置，按式子(1)计算透射镜的焦点在透射镜聚焦光路装调系统的主轴上距孔径光阑的位置的距离h，即，

式子(1)：

在此，d为孔径光阑的口径值；α为透射镜相对于装调光的光束汇聚角。根据孔径光阑的位置以及透射镜的焦点距孔径光阑的距离h，核对透射镜的焦点位置。

在本发明的一些实施例中，反射镜为球面反射镜，透射镜为近轴区域为平凸形状的非球面透射镜，由此，在非球面透射镜的平面侧设置有球面反射镜，在非球面透射镜的非球面侧设置有干涉仪。

在本发明的一些实施例中，通过式子(2)：

而计算焦点差距R，在此，β是透射镜相对于聚焦光的光束汇聚角；S是透射镜的有效口径；装调光的波长为632.8nm，聚焦光的波长为1550nm。

根据本发明的另一个方面，提供了一种透射镜聚焦光路装调方法，其是本发明的上述方面的透射镜聚焦光路装调系统的装调方法，其中，透射镜相对于聚焦光的焦点位置是聚焦光源的设置位置。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法至少具有以下有益效果其中之一或其中的一部分：

(1)干涉仪的自带光源作为装调光源，抑制了装调系统的复杂结构，由此有利于装调结构的简单化；

(2)根据计算机显示的透射镜云图和干涉图样，可以手动微调透射镜的光轴相对于透射镜聚焦光路装调系统的主轴的角度和位置，从而定位透射镜及其焦点位置，由此，精准确定透射镜及其焦点位置，而使装调观察误差降低，提高作为装调基础的透射镜的定位精度；

(3)通过相切方式定位的孔径光阑的位置以及透射镜的焦点距该孔径光阑的距离，核对透射镜的焦点位置，进一步确定透射镜的焦点位置，有利于提高整体的装调精度和装调速度。

附图说明

图1为示出本发明实施例透射镜聚焦光路装调系统的结构的概要性示意图。

图2为本发明实施例透射镜聚焦光路装调系统中的非球面透射镜所关联的非球面透射镜云图。

图3为本发明实施例透射镜聚焦光路装调系统中的干涉仪所检测的干涉条纹。

图4为示出本发明实施例透射镜聚焦光路装调方法的流程的概要性示意图。

【附图中本发明实施例主要元件符号说明】

1-反射镜； 2-透射镜； 3-干涉仪。

具体实施方式

如前所述，本发明对于透射镜聚焦光路装调系统及其方法设计的出发点是设计一个结构简单且主要构件定位准确的机制，以满足某些应用中要求装调快速、聚焦位置即探测点标定精准等的指标。

本发明的透射镜聚焦光路装调系统包括透射镜、反射模块、光束出射干涉显示模块。光束出射干涉显示模块包括干涉仪和计算机，干涉仪的自带光源作为装调光源，与干涉仪连接的计算机的显示内容不仅包括透射镜云图而且包括基于装调光路的干涉图，由此，根据计算机的显示内容的不同类型通过观察和计算而初步地进而精确地定位透射镜及其焦点位置，从而以该精确定位的焦点位置为参考点经由光学性演算而计算出透射镜相对于聚焦光的焦点位置，在该聚焦光的焦点位置放置有聚焦光源而使聚焦光源发出的特定波长的光(即聚焦光)经由精确定位的透射镜而在所规定的位置聚焦，以达成装调结构简单、透射镜和聚焦光源定位准确、整体装调效率提高的效果。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种透射镜聚焦光路装调系统。在本实施例中，采用干涉仪提供平行光束，即，干涉仪的自带光源作为装调光源，干涉仪出射的平行光不仅作为检测光而且作为参考光。

图1为示出本发明实施例透射镜聚焦光路装调系统的结构的概要性示意图。图2为图1的透射镜聚焦光路装调系统中的非球面透射镜所关联的非球面透射镜云图。图3为图1的透射镜聚焦光路装调系统中的干涉仪所检测的干涉条纹。为此，根据图2的非球面透射镜云图和图3的干涉条纹定位透射镜及其焦点位置。

本实施例中，在透射镜的两侧分别设置有反射模块和光束出射干涉显示模块。其中，透射镜2采用非球面透射镜，优选为在近轴区域是平凸形状的非球面透射镜。如图1所示，反射模块为反射镜1，优选为球面反射镜，该反射镜的球面以其面上的各微面点针对入射的光束均为正入射的方式使入射的光束沿入射路径逆向返回，即原路反射。由此，光束出射干涉显示模块中的干涉仪3的自带光源即装调光源出射可见光的平行光束(即出射光)，例如波长为632.8nm的平行光束，该平行光束(即出射光)的一部分作为检测光经由透射镜2会聚于点B’后发散而照射至反射镜1，由反射镜1原路反射，由此，反射光再次经过点B’且经由透射镜2而形成为行进方向与出射光相反的平行光束。这样，通过透射镜聚焦光路装调系统的装调光的反射光的平行光束，在理想状态下，其行进方向与装调光的出射光的平行光束(具体为出射光的另一部分作为参考光的平行光束)相反，由此，这两束行进方向相反的平行光在满足干涉条件的其他要素下产生干涉而形成平行状干涉图样于干涉仪。

另外，上述的理想状态是指，反射镜1、透射镜2及干涉仪3的光轴一致的状态，即反射镜1、透射镜2及干涉仪3的光轴同轴设置的状态。就本发明中的这三个主要构件的光轴同轴设置而言，在本实施例中，因反射镜的球面具有上述的原路反射的功能，故在反射镜1与干涉仪3之间不设置透射镜2而具有充分间隔的情况下，来自干涉仪的出光孔的出射光的平行光束，经由反射镜1原路反射而形成行进方向与出射光相反的平行光束，由此，调整反射镜1以使形成于干涉仪的干涉图样完整且成为平行状条纹来定位透射镜聚焦光路装调系统的反射镜和干涉仪的位置，从而实现反射镜的光轴与干涉仪的光轴同轴设置的效果。不仅如此，在定位后的反射镜和干涉仪之间的适当位置，放置透射镜2，根据与干涉仪连接的计算机显示的透射镜云图和干涉图样的内容，判断透射镜2的光轴是否位于系统的主轴(与反射镜和干涉仪一致的光轴)。具体地，根据计算机显示的透射镜云图，调整透射镜2的放置角度，以透射镜云图呈现大致均匀的颜色分布的方式判断透射镜2位于与系统的主轴垂直的平面；根据计算机显示的干涉图样，调整透射镜2的放置位置，以干涉图样为大致平行的条纹的方式判断经由透射镜2的反射光与干涉仪的出射光是否相互平行，由此，根据计算机显示的透射镜云图和干涉图样，能够有效地判断透射镜2的光轴是否与系统的主轴一致，能够有效地实现反射镜1、透射镜2及干涉仪3的光轴同轴设置的效果。在这样的光轴同轴设置的效果下，定位透射镜2的位置及透射镜2的焦点位置B’。

在反射镜1、透射镜2及干涉仪3的光轴同轴的情况下，进一步在反射镜1和透射镜2之间设置孔径光阑(未图示)。也就是，在焦点位置B’与透射镜2之间，沿系统的主轴以口径中心与该主轴重合的方式垂直地设置孔径光阑，该孔径光阑限制着轴上点成像光束中边缘光线的最大倾角。由此，以干涉仪形成的干涉图样完整而无遮挡的方式沿系统的主轴移动孔径光阑，以确保孔径光阑的口径缘与所穿过的光束中的边缘光线相切，来定位在相切的状态下的光阑的位置。进而，在所定位的光阑的位置的基础上，根据以下公式计算得出光阑至透射镜2的焦点B的距离，即，

其中，h为孔径光阑与透射镜的焦点B的距离；d为孔径光阑的口径值即光阑的孔径的直径；α为透射镜相对于装调光的光束汇聚角。这样的光阑定位及其公式计算的结果，能够对定位的透射镜2的焦点位置B’加以进一步确认，以降低焦点位置B’的观察误差，来实现焦点位置B’的精准定位。显然，定位的焦点位置B’与基于光阑定位计算得出的焦点B在系统的主轴实质重合，则焦点位置B’的观察误差大致消除。

在精准定位焦点位置B’的基础上，根据透射镜2的折射率随不同波长光而改变的色散性质，理论上可以计算出不同波长光经由透射镜2在系统的主轴上的焦点差距。具体地，在本实施例中，可以计算出透射镜相对于装调光的632.8nm波长光与聚焦光的1550nm波长光的焦点差距R，由此，如图1所示，以精准定位的632.8nm波长光的焦点位置B’为参考点，沿系统的主轴以距焦点位置B’为焦点差距R的方式确定1550nm波长光的焦点A，该焦点A即是作为聚焦光源的1550nm波长光的光源的出射光口在系统的主轴的位置。也就是，以该焦点A为出射光口的方式在系统的主轴设置1550nm波长光的聚焦光源，由此，在干涉仪从系统的光路退避的状态下，来自聚焦光源的1550nm波长光经由透射镜2能够在系统的主轴上所设计的工作距离L处聚焦，即聚焦于C点(参照图1)，从而完成透射镜的聚焦光路装调工作。

当然，上述系统结构还应当包含光学平台(未图示)等功能模块，这些是本领域内的一般技术人员可以理解的，本领域内一般技术人员也可以根据功能的需要，添加相应的功能模块，在此不作赘述。

另外，透射镜云图虽然在图2中示出的是黑白图，而实际上目前通常是彩色图。

至此，本发明实施例透射镜聚焦光路装调系统介绍完毕。

在本发明的另一个示例性实施例中，提供了一种透射镜聚焦光路装调方法。图4示出了本发明实施例透射镜聚焦光路装调方法的流程。结合图1和图4，本发明实施例透射镜聚焦光路装调方法包括如下步骤：

步骤S102，以透射镜聚焦光路装调系统的构件的光轴均一致的方式，定位透射镜及其焦点位置。

在本步骤中，先调整除透射镜外的透射镜聚焦光路装调系统的其他构件，以使这些其他构件的光轴一致。

其中，透射镜聚焦光路装调系统的其他构件包括反射镜1和干涉仪3，根据装调光的干涉图样定位反射镜和干涉仪。具体地，以装调光的在干涉仪形成的干涉图样完整且成为平行状条纹的方式定位反射镜和干涉仪的位置，从而实现反射镜与干涉仪的光轴同轴设置。

在反射镜与干涉仪的光轴同轴设置的情况下，在反射镜与干涉仪之间的适当位置放置透射镜，根据与干涉仪连接的计算机显示的透射镜云图和干涉图样，调整透射镜的角度和位置，由此以透射镜云图为均匀的颜色分布和干涉图样为平行条纹的方式定位透射镜的位置及其焦点位置B’，达成反射镜、透射镜及干涉仪的光轴同轴设置，即反射镜、透射镜及干涉仪以各自光轴一致且与透射镜聚焦光路装调系统的主轴一致的方式设置。

作为优选，反射镜优选为球面反射镜；透射镜优选为非球面透射镜，更优选为近轴区域为平凸形状的非球面透射镜，其中，在平面侧设置球面反射镜，在其非球面侧设置干涉仪；干涉仪优选为迈克尔逊干涉仪。

作为进一步优选，在透射镜聚焦光路装调系统的构件的光轴均一致的情况下，将孔径光阑(未图示)以更靠透射镜的方式设置于反射镜与透射镜之间，调整孔径光阑，根据形成于干涉仪的干涉图样的完整性，判断孔径光阑的口径中心与透射镜聚焦光路装调系统的主轴一致、且孔径光阑的口径缘与所穿过的装调光的光束中的边缘光线相切，从而定位相切状态的孔径光阑的位置，由此计算得出透射镜的焦点B距定位的孔径光阑的位置的距离h，即，

其中，d为孔径光阑的口径值即光阑的孔径的直径；α为透射镜的光束汇聚角。这样的光阑定位及相关距离的计算结果，能够对观察定位的透射镜的焦点位置B’加以进一步确认，以降低焦点位置B’的观察误差，来实现焦点位置B’的精准定位。

步骤S104，以定位的透射镜相对于装调光的焦点位置B’为参考点，计算出透射镜相对于装调光与聚焦光的焦点差距R。

本步骤中，透射镜相对于装调光和聚集光的焦点差距R的计算式子为：

在此，α为透射镜相对于装调光的光束汇聚角；β是透射镜相对于聚焦光的光束汇聚角；S是透射镜的有效口径。另外，装调光为632.8nm波长光，聚焦光为1550nm波长光。

步骤S106，根据焦点差距R确定透射镜的聚焦光的焦点，由此确定聚焦光源在透射镜聚焦光路装调系统中的位置。

如图1所示，以精准定位的632.8nm波长光的焦点位置B’为参考点，沿系统的主轴以距焦点位置B’为焦点差距R的方式确定1550nm波长光的焦点A，该焦点A即为作为聚焦光源的1550nm波长光的光源的出射光口在系统的主轴的位置。

为了达到简要说明的目的，上述关于装调系统的实施例中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。

当然，根据实际需要，本发明透射镜聚焦光路装调方法还可以包含其他的步骤，由于同本发明的创新之处无关，此处不再赘述。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)近轴区域为平凸形状的非球面透射镜，还可以为近轴区域为双凸形状的非球面透射镜，其一侧镜面的曲率远大于另一侧镜面的曲率；

(2)所述透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法还可以适用于其他波长的聚焦光的聚焦光路的装调。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法有了清楚的认识。

综上所述，本发明提供一种结构简单且主要构件定位准确的透射镜聚焦光路装调系统及透射镜聚焦光路装调方法。即使聚焦光属于非可见光，也能实现透射镜相对于聚焦光的焦点位置的准确定位，从而可以广泛应用于气象、新能源、航空航天等诸多光电探测领域。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示光波长、干涉条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

综上，对实施方式进行了说明，但上述实施方式仅是作为示例进行了展示，而本发明并非由上述实施方式限定。在不脱离发明主旨的范围内，上述实施方式能够以其他各种各样的形态实施，能够进行各种组合、省略、置换、变更等。这些实施方式及其变形不仅包含在发明的范围、主旨内，而且也包含在权利要求书所述的发明及其等同的范围内。

Claims (9)

1.一种透射镜聚焦光路装调系统，包括反射模块、孔径光阑、透射镜、光束出射干涉显示模块，其中，

在光轴一致状态下的所述反射模块和所述光束出射干涉显示模块之间设置有所述透射镜；

所述光束出射干涉显示模块包括干涉仪以及与所述干涉仪连接的计算机，所述干涉仪出射的作为装调光的平行光束的一部分作为检测光而另一部分作为参考光；

所述检测光穿过所述透射镜后由所述反射模块反射而逆向返回所述干涉仪以形成行进方向与所述参考光相反的反射光；

所述孔径光阑的口径中心与所述透射镜聚焦光路装调系统的主轴一致，所述孔径光阑的口径缘与穿过所述孔径光阑的检测光的光束边缘光线相切；

根据所述计算机显示的透射镜云图和基于所述反射光与所述参考光的干涉图样，定位所述透射镜及所述透射镜相对于所述装调光的焦点位置，根据所述透射镜的色散性质计算所述透射镜相对于所述装调光及所述聚焦光的焦点差距，由此，定位所述透射镜相对于所述聚焦光的焦点位置。

2.根据权利要求1所述的透射镜聚焦光路装调系统，其中，

所述反射模块为反射镜，该反射镜的镜面以使入射光逆向反射的方式形成。

3.根据权利要求2所述的透射镜聚焦光路装调系统，其中，

根据所述透射镜云图调整所述透射镜的放置角度，根据所述干涉图样调整所述透射镜的放置位置，由此，确定在所述透射镜聚焦光路装调系统的主轴上所述透射镜的位置、以及所述透射镜相对于所述装调光的焦点位置。

4.根据权利要求3所述的透射镜聚焦光路装调系统，其中，

所述孔径光阑在所述反射模块与所述透射镜之间以更靠所述透射镜的方式设置。

5.根据权利要求2所述的透射镜聚焦光路装调系统，其中，

定位上述相切的状态的孔径光阑在所述透射镜聚焦光路装调系统的主轴上的位置，按下述式子(1)计算所述透射镜的焦点在所述透射镜聚焦光路装调系统的主轴上距所述孔径光阑的位置的距离(h)，即，式子(1)：

在此，h为所述透射镜的焦点在所述透射镜聚焦光路装调系统的主轴上距所述孔径光阑的距离；d为所述孔径光阑的口径值；α为所述透射镜相对于装调光的光束汇聚角。

6.根据权利要求5所述的透射镜聚焦光路装调系统，其中，

根据所述孔径光阑的位置以及所述透射镜的焦点距所述孔径光阑的距离(h)，核对所述透射镜的焦点位置。

7.根据权利要求6所述的透射镜聚焦光路装调系统，其中，

所述反射镜为球面反射镜，所述透射镜为近轴区域为平凸形状的非球面透射镜，由此，在所述非球面透射镜的平面侧设置有所述球面反射镜，在所述非球面透射镜的非球面侧设置有所述干涉仪；

所述焦点差距通过式子(2)：

而计算，在此，R为所述焦点差距；β是所述透射镜相对于聚焦光的光束汇聚角；S是所述透射镜的有效口径。

8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的透射镜聚焦光路装调系统，其中，

所述装调光的波长为632.8nm，所述聚焦光的波长为1550nm。

9.一种透射镜聚焦光路装调方法，是权利要求1至权利要求8中任一项所述的透射镜聚焦光路装调系统的装调方法，其中，

所述透射镜相对于所述聚焦光的焦点位置是聚焦光源的设置位置。

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