CN111458864A - 一种光轴可标定的集光镜头及光轴标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光轴可标定的集光镜头及光轴标定方法，解决现有光学诊断设备收集镜头光轴是虚拟不可见的，后继光路的同轴安装缺少依据的问题。集光镜头包括集光镜筒、激光器、沿激光器出射光路依次设的可旋转反射棱镜对和电机；激光器安装在集光镜筒外壁上；反射棱镜对包括反射镜安装杆、设在反射镜安装杆上的第一反射镜和第二反射镜；电机设置在集光镜筒上，反射镜安装杆与电机输出轴连接，电机用于驱动反射棱镜对绕电机输出轴转动；集光镜筒上设有供反射棱镜对转动时通过的过孔；反射棱镜对转动到反射镜安装杆中心线与集光镜筒轴线垂直时，第一反射镜的反射面与激光器的出射光束夹角为45°，且第二反射镜出射光的光轴与集光镜筒的轴线重合。

Description

一种光轴可标定的集光镜头及光轴标定方法

技术领域

本发明涉及一种光学诊断设备用集光镜头，具体涉及一种光轴可标定的集光镜头及光轴标定方法。

背景技术

在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)研究中，几十/数百束高能激光从不同角度同时注入直径达数米的真空靶室，高能激光束分别聚焦后，从位于靶室中心的、尺寸为数毫米的圆柱形黑腔的上下两端注入，在黑腔内完成激光与黑腔的耦合、能量转化及传输、烧灼靶丸、压缩燃料、产生聚变等一系列复杂的物理过程。为了优化驱动参数、实现理想的等熵压缩聚变，必须对黑腔内不同物理过程的特征物理量进行精密诊断，以此来洞悉黑腔内物理过程的演化规律。

因光学诊断设备具有非接触测量等优势，在激光聚变物理参数诊断中占有非常重要的地位。其通常采用一个信号光收集镜头置于球形真空靶室内部，收集球心处目标靶发出的待测信号光，并将之传输到真空靶室外，进入系统后继光路及探测器。

因球形真空靶室的半径达数米，使得收集镜头和后继光路的间距通常达数米/数十米，光学诊断设备又要求二者要精密同轴，这在实际工程中是很难实现的。因为收集镜头的光轴是虚拟不可见的，使得后继光路的位置确定缺少必要的依据。首先，不可能通过真实打靶、依据产生的信号光来调试光路，因为打靶过程是纳秒级瞬态过程，且大装置的打靶费用极其昂贵；其次，因目标靶所处位置、环境的特殊性，建立模拟可见信号光源也是极其耗时、且浪费大装置资源。

因此，迫切需要设计一种光轴指示装置，可实现收集镜头光轴的可视化，为后继光路的同轴安装提供必要的依据。

发明内容

为了解决现有光学诊断设备由于收集镜头的光轴是虚拟不可见的，使得后继光路的同轴安装缺少必要依据的技术问题，本发明提供了一种光轴可标定的集光镜头及光轴标定方法。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种光轴可标定的集光镜头，包括集光镜筒，其特殊之处在于：还包括激光器、沿激光器出射光路依次设置的可旋转反射棱镜对和电机；

所述激光器为点状激光器，安装在集光镜筒外壁上，激光器的出射光束平行于集光镜筒母线且指向目标靶方向；

所述反射棱镜对包括反射镜安装杆、分别设置在反射镜安装杆两端的第一反射镜和第二反射镜；所述第一反射镜和第二反射镜的反射面相向设置且镜面夹角为90°；

所述电机设置在集光镜筒上，且电机的输出轴轴线垂直于激光器出射光束方向与集光镜筒轴线方向所形成的平面；

所述反射镜安装杆与电机输出轴连接，电机用于驱动反射棱镜对绕电机输出轴转动；

所述集光镜筒上设有供反射棱镜对转动时通过的过孔；

所述反射棱镜对转动到反射镜安装杆中心线与集光镜筒轴线垂直时，第一反射镜的反射面与激光器的出射光束夹角为45°，且第二反射镜出射光的光轴与集光镜筒的轴线重合。

进一步地，还包括第一限位块和第二限位块；

所述第一限位块用于反射镜安装杆中心线与集光镜筒轴线垂直时，对反射镜安装杆的限位；

所述第二限位块用于反射镜安装杆中心线与集光镜筒轴线平行时对反射镜安装杆的限位。

进一步地，还包括设置在集光镜筒外壁且位于激光器和反射棱镜对之间的定位件；

所述定位件上设有供激光器出射光束穿过的基准孔，所述基准孔的中心线与激光器出射光束的光轴重合。

进一步地，所述定位件为间隔设置的至少2个。

进一步地，所述过孔为与反射镜安装杆相适配的长条孔。

进一步地，所述第一反射镜和第二反射镜均为直角棱镜，斜面为反射面；

所述反射镜安装杆包括直杆和设置在直杆上的2个直角三角形安装块，且2个直角三角形安装块的斜面相对设置；

2个直角三角形安装块的斜面上均设有用于放置直角棱镜的凹槽；

所述第一反射镜和第二反射镜分别设置在2个直角三角形安装块斜面的凹槽内；

所述直杆上设有用于与输出轴连接的转轴孔。

进一步地，所述转轴孔位于直杆的长边上；

所述直杆上设有与转轴孔连通的顶丝孔；

所述顶丝孔内安装有顶丝，用于对转轴孔内输出轴进行固定。

进一步地，所述集光镜筒靠近目标靶的一端内侧安装有透镜组，所述透镜组包括4个光学镜片，分别为沿目标靶出射光束方向依次设置的保护玻璃、第一透镜、第二透镜、第三透镜；

所述保护玻璃前表面与目标靶的距离为318.4mm，保护玻璃的厚度为15mm，直径为130mm，材料为石英；

所述第一透镜前表面与保护玻璃后表面的距离为20mm，第一透镜的厚度为17.9mm，直径为140mm，材料为H-ZLAF2A，其前表面曲率半径为-560.5，后表面曲率半径为-282.0；

所述第二透镜前表面与第一透镜后表面的距离为1mm，第二透镜的厚度为12.0mm，直径为140mm，材料为ZF7L，其后表面曲率半径为363.8；

所述第三透镜前表面与第二透镜后表面的距离为为1mm，第三透镜的厚度为17.9mm，直径为140mm，材料为H-LAK1，其前表面曲率半径为359.2，后表面曲率半径为-412.4。

本发明还提供了一种基于上述光轴可标定的集光镜头的光轴标定方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)通过机械臂将集光镜头抵近目标靶位置；

2)通过电机驱动反射棱镜对转动，使得反射棱镜对的反射镜安装杆中心线与集光镜筒轴线垂直；

3)激光器发出一束激光束，该激光束经反射棱镜对的第一反射镜反射至第二反射镜，再经第二反射镜反射出集光镜筒，则第二反射镜出射光的光轴为集光镜头的光轴。

进一步地，在步骤1)之前还包括步骤a)集光镜头的装配过程：

a.1)将反射棱镜对安装在集光镜筒上，并置于集光镜筒外；

a.2)在集光镜筒的两端分别安装盖板，所述盖板上加工中心孔；

a.3)在集光镜筒一端外侧架设一个调试细光束激光器，并调试集光镜筒两端的高度和位置，使调试细光束激光器出射光束准确穿过2个盖板上的中心孔；

a.4)通过电机将反射棱镜对切入集光镜筒内部，且反射镜安装杆中心线与集光镜筒轴线垂直；

a.5)调试细光束激光器发出一束激光束，该激光束经第二反射镜、第一反射镜反射；

a.6)依据第一反射镜的出射光束位置，在集光镜筒上安装定位件，并使定位件上基准孔的中心线与第一反射镜出射光束的光轴重合；

a.7)依据定位件的位置，在集光镜筒上安装激光器，使激光器的出射光束穿过基准孔中心。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明集光镜头在集光镜筒上安装激光器以及可电动旋转的反射棱镜对，通过电机驱动反射棱镜对切入集光镜筒内，激光器发射出的激光束经反射棱镜对的两次反射后，出射的细激光束指示出集光镜头的光轴，为后继光路的同轴安装提供了必要的依据。

2、本发明集光镜头操作便捷，需要光轴指示时，开启激光器，电动切入反射棱镜对，出射光轴指示出集光镜头的光轴；使用完毕，关闭激光器，电动切出反射棱镜对。

3、本发明集光镜头还包括第一限位块和第二限位块，两个限位块构成一个90°的旋转范围，对反射棱镜对的运动过程进行定位。

4、本发明光轴标定方法通过光路可逆原理，进行激光器的定位安装，操作简单，且激光器的位置精度高。

5、本发明集光镜头在激光器和反射棱镜对之间设有定位件，进一步提高激光器安装位置的精度。

附图说明

图1为本发明光轴可标定的集光镜头应用于目标靶中的结构示意图一(反射棱镜对切入集光镜筒内)；

图2为本发明光轴可标定的集光镜头应用于目标靶中的结构示意图二(反射棱镜对位于集光镜筒外)；

图3为本发明光轴标定方法中确定激光器安装位置的示意图；

图4为本发明光轴可标定的集光镜头中反射棱镜对的结构示意图；

图5为本发明光轴可标定的集光镜头中透镜组结构示意图；

其中，附图标记如下：

1-目标靶，2-集光镜筒，21-保护玻璃，22-第一透镜，23-第二透镜，24-第三透镜，25-过孔，3-瞄准镜头一，4-瞄准镜头二，5-激光器，6-定位件，7-基准孔，8-反射棱镜对，81-第一反射镜，82-第二反射镜，83-反射镜安装杆，831-直杆，832-直角三角形安装块，833-凹槽，834-转轴孔，835-棱镜压板，836-顶丝孔，9-输出轴，10-第一限位块，11-第二限位块，12-光轴指示光束，13-调试细光束激光器，14-盖板，15-中心孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

目标靶1位于半径达数米的球形真空靶室中心，靶室壁上安装有中间可通光的机械臂，机械臂可伸缩、可摆动；如图1所示，集光镜头被机械臂送到真空中、抵近目标靶1的位置，用来收集目标靶1发出的信号光，并将之传输到靶室外的后继光路中，集光镜头依据其前端的双目视觉完成自身的瞄靶，双目视觉包括瞄准镜头一3和瞄准镜头二4，但在数米/数十米外的大气中，光学诊断设备的后继光路需要与集光镜头实现光轴对接。

为了实现集光镜头的光轴可视化，本实施例提供了一种光轴可标定的集光镜头，包括集光镜筒2、安装在集光镜筒2外壁上的激光器5；集光镜筒2为现有圆筒结构，激光器5为点状激光器，其发出一束细激光束，该光束平行于集光镜筒2母线且指向目标靶1方向，点状激光器在目标上呈现一个亮点。

在激光器5光束前进方向上，有一个可电动旋转的反射棱镜对8，反射棱镜对8包括反射镜安装杆83、分别设置在反射镜安装杆83两端的第一反射镜81和第二反射镜82，第一反射镜81和第二反射镜82的反射面相向设置且镜面夹角为90°；第一反射镜81和第二反射镜82均为直角棱镜，斜面(45°面)为反射面；反射镜安装杆83包括直杆831和设置在直杆831两端的2个直角三角形安装块832，且2个直角三角形安装块832的斜面相对设置；2个直角三角形安装块832的斜面上均设有用于放置直角棱镜的凹槽833；第一反射镜81和第二反射镜82分别对称地镶嵌于2个直角三角形安装块832斜面的凹槽833内，两个反射面朝内、呈90°V型，并通过棱镜压板835设置在凹槽833侧壁上，对直角棱镜实现压紧固定。直杆831上设有与棱镜直角棱边平行的转轴孔834，电机输出轴9安装于该转轴孔834内，转轴孔834位于直杆831的长边上，且靠近第一反射镜81，同时直杆831上设有与转轴孔834连通的顶丝孔836，顶丝孔836内安装有顶丝，用于对转轴孔834内电机输出轴9进行固定，保证电机输出轴9和反射镜安装杆83不相对运动。

电机安装在集光镜筒2外壁上，且电机输出轴9的轴线垂直于激光器5出射光束方向与集光镜筒2轴线方向所形成的平面，通过位于集光镜筒2外侧且垂直于镜头轴线方向的电机驱动轴的扭动，可以带动反射棱镜对8摆动，使其平行于集光镜筒2母线且处于集光镜筒2外侧，或与集光镜筒2母线垂直的径向方向。则在集光镜筒2上设有供反射棱镜对8转动时通过的过孔22，过孔25为与反射棱镜对8相适配的长条孔。

如图1所示，反射棱镜对8在电机的驱动下，转动到反射镜安装杆83中心线与集光镜筒2轴线垂直时，第一反射镜81的反射面与激光器5的出射光束夹角为45°，且第二反射镜82出射光的光轴与集光镜筒2的轴线重合，则第二反射镜82出射光的光轴为集光镜头的光轴指示光束12。

在集光镜筒2外壁还设置有第一限位块10和第二限位块11，第一限位块10和第二限位块11构成一个90°的旋转范围；第一限位块10设置在集光镜筒2上，用于反射镜安装杆83中心线与集光镜筒2轴线垂直时对第一反射镜81的限位，如图1所示；第二限位块11用于反射镜安装杆83中心线与集光镜筒2轴线平行时对第一反射镜81的限位，如图2所示。

为了便于安装激光器5，在集光镜筒2外壁设置定位件6，且位于激光器5和反射棱镜对8之间，定位件6可为间隔设置的至少2个。

本实施例集光镜头应用方便：需要光轴指示时，开启激光器5，电动切入反射棱镜对8，出射光轴指示细光束；使用完毕，关闭激光器5，电动切出反射棱镜对8。

如图1和图5所示，集光镜筒2靠近目标靶1的一端内侧安装有用于收集目标靶1发出信号光的透镜组，透镜组包括4个光学镜片，分别为沿目标靶1出射光束方向依次设置的保护玻璃21、第一透镜22、第二透镜23、第三透镜24，其光学参数如下表1所示：

表1透镜组中光学镜片的光学参数

序号	左侧半径(mm)	右侧半径(mm)	中心厚度(mm)	直径(mm)	材料	与后者中心间隔(mm)
							1	∞	∞	15	130	石英	20.0
2	-560.5	-282.0	17.9	140	H-ZLAF2A	1.0
							3	∞	363.8	12.0	140	ZF7L	1.0
4	359.2	-412.4	17.9	140	H-LAK1	-

注：表中，序号1至4分别为保护玻璃21、第一透镜22、第二透镜23、第三透镜24；球心在左侧半径数值为负，球心在右侧半径数值为正；

该集光镜筒2针对激光波长为532mm的集光性好。

基于上述光轴可标定的集光镜头，本实施例提供了一种集光镜头的光轴标定方法，包括以下步骤：

1)将反射棱镜对8置于集光镜筒2外，通过机械臂将集光镜头抵近目标靶1位置；

2)反射棱镜对8通过电机切入集光镜筒2内，且反射棱镜对8的反射镜安装杆83中心线与集光镜筒2轴线垂直；

3)激光器5发出一束激光束，该激光束经反射棱镜对8的第一反射镜81反射至第二反射镜82，再经第二反射镜82反射出集光镜筒2，该第二反射镜82出射光的光轴为集光镜头的光轴。第二反射镜82出射的细激光束指示出集光镜头的光轴，后继光路可根据该光轴指示方向进行位置安装，保证光学诊断设备的集光镜头和后继光路同轴。

为了便于精准安装激光器5，如图3所示，本实施例提供了集光镜头的装配方法，具体包括以下步骤：

a)将反射棱镜对8通过电机安装在集光镜筒2上，并置于集光镜筒2外；

b)在集光镜筒2的两端分别安装盖板14，在盖板14上加工中心孔15；

c)在集光镜筒2一端外侧架设一个调试细光束激光器13，调试细光束激光器13的出射方向为水平方向，调试集光镜筒2两端的高度和位置，使调试细光束激光器13出射光束准确穿过2个盖板14上的中心孔15；

d)通过电机将反射棱镜对8切入集光镜筒2内部，且反射镜安装杆83中心线与集光镜筒2轴线垂直；

e)调试细光束激光器13发出一束激光束，该激光束经第二反射镜82、第一反射镜81反射；

f)依据第一反射镜81的出射光束方向，在集光镜筒2上安装定位件6，且定位件6位于第一反射镜81的出射光轴上，且定位件6上的基准孔7中心线与第一反射镜81出射光束的光轴重合；

g)根据定位件6的位置，在集光镜筒2上安装激光器5，且激光器5的出射光束穿过基准孔7中心。

根据光路可逆原理，利用上述装配方法，可以使得激光器5的出射细激光束经过两次反射后的出射光束与集光镜筒2光轴重合。

同时，对于安装完成后的集光镜头，也可采用装配过程对集光镜头上的激光器5位置进行细微调试，提高光轴指示光束12的精度。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (10)

1.一种光轴可标定的集光镜头，包括集光镜筒(2)，其特征在于：还包括激光器(5)、沿激光器(5)出射光路依次设置的可旋转反射棱镜对(8)和电机；

所述激光器(5)为点状激光器，安装在集光镜筒(2)外壁上，激光器(5)的出射光束平行于集光镜筒(2)母线且指向目标靶(1)方向；

所述反射棱镜对(8)包括反射镜安装杆(83)、分别设置在反射镜安装杆(83)两端的第一反射镜(81)和第二反射镜(82)；所述第一反射镜(81)和第二反射镜(82)的反射面相向设置且镜面夹角为90°；

所述电机设置在集光镜筒(2)上，且电机的输出轴(9)轴线垂直于激光器(5)出射光束方向与集光镜筒(2)轴线方向所形成的平面；

所述输出轴(9)与反射镜安装杆(83)连接，电机用于驱动反射棱镜对(8)绕输出轴(9)转动；

所述集光镜筒(2)上设有供反射棱镜对(8)转动时通过的过孔(25)；

当反射棱镜对(8)转动到反射镜安装杆(83)中心线与集光镜筒(2)轴线垂直时，第一反射镜(81)的反射面与激光器(5)的出射光束夹角为45°，且第二反射镜(82)出射光的光轴与集光镜筒(2)的轴线重合。

2.根据权利要求1所述光轴可标定的集光镜头，其特征在于：还包括第一限位块(10)和第二限位块(11)；

所述第一限位块(10)用于反射镜安装杆(83)中心线与集光镜筒(2)轴线垂直时，对反射镜安装杆(83)的限位；

所述第二限位块(11)用于反射镜安装杆(83)中心线与集光镜筒(2)轴线平行时对反射镜安装杆(83)的限位。

3.根据权利要求1或2所述光轴可标定的集光镜头，其特征在于：还包括设置在集光镜筒(2)外壁且位于激光器(5)和反射棱镜对(8)之间的定位件(6)；

所述定位件(6)上设有供激光器(5)出射光束穿过的基准孔(7)，所述基准孔(7)的中心线与激光器(5)出射光束的光轴重合。

4.根据权利要求3所述光轴可标定的集光镜头，其特征在于：所述定位件(6)为间隔设置的至少2个。

5.根据权利要求4所述光轴可标定的集光镜头，其特征在于：所述过孔(25)为与反射镜安装杆(83)相适配的长条孔。

6.根据权利要求5所述光轴可标定的集光镜头，其特征在于：所述第一反射镜(81)和第二反射镜(82)均为直角棱镜，斜面为反射面；

所述反射镜安装杆(83)包括直杆(831)和设置在直杆(831)上的2个直角三角形安装块(832)，且2个直角三角形安装块(832)的斜面相对设置；

2个直角三角形安装块(832)的斜面上均设有用于放置直角棱镜的凹槽(833)；

所述第一反射镜(81)和第二反射镜(82)分别设置在2个直角三角形安装块(832)斜面的凹槽(833)内；

所述直杆(831)上设有与输出轴(9)连接的转轴孔(834)。

7.根据权利要求6所述光轴可标定的集光镜头，其特征在于：所述转轴孔(834)位于直杆(831)的长边上；

所述直杆(831)上设有与转轴孔(834)连通的顶丝孔(836)；

所述顶丝孔(836)内安装有顶丝，用于对转轴孔(834)内输出轴(9)进行固定。

8.根据权利要求1所述光轴可标定的集光镜头，其特征在于：所述集光镜筒(2)靠近目标靶(1)的一端内侧安装有透镜组，所述透镜组包括4个光学镜片，分别为沿目标靶(1)出射光束方向依次设置的保护玻璃(21)、第一透镜(22)、第二透镜(23)、第三透镜(24)；

所述保护玻璃(21)前表面与目标靶(1)的距离为318.4mm，保护玻璃(21)的厚度为15mm，直径为130mm，材料为石英；

所述第一透镜(22)前表面与保护玻璃(21)后表面的距离为20mm，第一透镜(22)的厚度为17.9mm，直径为140mm，材料为H-ZLAF2A，其前表面曲率半径为-560.5，后表面曲率半径为-282.0；

所述第二透镜(23)前表面与第一透镜(22)后表面的距离为1mm，第二透镜(23)的厚度为12.0mm，直径为140mm，材料为ZF7L，其后表面曲率半径为363.8；

所述第三透镜(24)前表面与第二透镜(23)后表面的距离为为1mm，第三透镜(24)的厚度为17.9mm，直径为140mm，材料为H-LAK1，其前表面曲率半径为359.2，后表面曲率半径为-412.4。

9.一种基于权利要求1至8任一所述光轴可标定的集光镜头的光轴标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过机械臂将集光镜头抵近目标靶(1)位置；

2)通过电机驱动反射棱镜对(8)转动，使得反射棱镜对(8)的反射镜安装杆(83)中心线与集光镜筒(2)轴线垂直；

3)激光器(5)发出一束激光束，该激光束依次经第一反射镜(81)反射、第二反射镜(82)反射后，出射光的光轴为集光镜头的光轴。

10.根据权利要求9所述光轴可标定的集光镜头的光轴标定方法，其特征在于，在步骤1)之前还包括步骤a)集光镜头的装配过程：

a.1)将反射棱镜对(8)安装在集光镜筒(2)上，并置于集光镜筒(2)外；

a.2)在集光镜筒(2)的两端分别安装盖板(14)，所述盖板(14)上加工中心孔(15)；

a.3)在集光镜筒(2)一端外侧架设一个调试细光束激光器(13)，并调试集光镜筒(2)两端的高度和位置，使调试细光束激光器(13)出射光束准确穿过2个盖板(14)上的中心孔(15)；

a.4)通过电机将反射棱镜对(8)切入集光镜筒(2)内部，且反射镜安装杆(83)中心线与集光镜筒(2)轴线垂直；

a.5)调试细光束激光器(13)发出一束激光束，该激光束经第二反射镜(82)、第一反射镜(81)反射；

a.6)依据第一反射镜(81)的出射光束位置，在集光镜筒(2)上安装定位件(6)，并使定位件(6)上基准孔(7)的中心线与第一反射镜(81)出射光束的光轴重合；

a.7)依据定位件(6)的位置，在集光镜筒(2)上安装激光器(5)，使激光器(5)的出射光束穿过基准孔(7)中心。

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