CN112903248A - 可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法 - Google Patents

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袁索超
董晓娜
达争尚
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Abstract

本发明涉及一种激光测量用单光路光学系统，具体涉及一种可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法。本发明的目的是解决现有激光远近场测量中存在需要分光元件、两套成像镜头以及两台相机，成本昂贵，经济性差的技术问题，提供一种可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法。本发明将透射过近场成像镜头中最靠近CCD探测器的透镜的激光采集作为近场，将经该透镜二次反射再到CCD探测器探测面的光束采集作为远场，实现了利用单一光路和单CCD探测器同时测量激光远近场参数的目的。不再需要分光元件，只利用单一光路、单一镜头和单探测器实现了以往需要双光路、双镜头和双探测器才能实现的远近场参数测量，节省了一半的成本，经济性良好。

Description

可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法
技术领域
本发明涉及一种激光测量用单光路光学系统，具体涉及一种可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法。
背景技术
高能激光系统由于需要经常调试和维护，需要利用激光的远场和近场测量数据实现光路迅速自动准直，从而使激光装置工作在设计状态。现有的激光远近场同时测量光学系统，如图1所示，对于激光的远近场测量是利用分光元件01将待测激光分为两路，分别由近场成像镜头02成像至近场相机03和由远场成像镜头04成像至远场相机05，从而实现激光位置及其指向参数的获取。该方法虽然能够实现激光准直，但测量中需要分光元件和两套成像镜头以及两台相机，成本比较昂贵，经济性较差，不利于市场化应用。
发明内容
本发明的目的是解决现有激光远近场测量中存在需要分光元件、两套成像镜头以及两台相机，成本昂贵，经济性较差的技术问题，提供一种可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明还提供一种可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，其特殊之处在于：
包括沿激光传输方向依次同轴设置的光阑、近场成像镜头和CCD探测器；
所述光阑中心设置有十字形遮挡条，用于提供远近场参考位置基准；
所述近场成像镜头为望远镜头结构，包括沿激光传输方向依次同轴设置的多片透镜；
所述CCD探测器的探测面相对光阑共轭成像，且近场成像镜头中最靠近CCD探测器一侧的透镜的二阶鬼光焦点位于CCD探测器的探测面上。
进一步地，所述光阑的通光孔径为方形或圆形。
本发明还提供一种可实现激光远近场同时测量的方法，其特殊之处在于：
基于上述的可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，包括以下步骤：
1)将所述可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，对准待测激光光路；
2)使待测激光依次经光阑、近场成像镜头和CCD探测器，在CCD探测器的探测面上相对光阑共轭成像，实现近场a的参数采集，同时CCD探测器将待测激光近场a的参数数据反馈给待测激光的激光准直系统；
3)利用近场成像镜头中最靠近CCD探测器一侧透镜的二阶剩余反射鬼光进行远场参数测量，实现远场b的参数采集，同时CCD探测器将待测激光远场b的参数数据反馈给待测激光的激光准直系统；
4)初调激光系统，标记调试好的激光系统对应的待测激光近场和远场，分别作为近场基准位置a0和远场基准位置b0；
5)继续采集待测激光的近场参数an和远场参数bn数据，激光准直系统根据待测激光的近场参数an和远场参数bn数据，对激光系统运行状态进行实时监控，若待测激光的近场参数an和远场参数bn分别与近场基准位置a0和激光远场基准位置b0出现偏差，则激光准直系统根据反馈的偏差值调节激光系统；
6)重复步骤5)相同的操作，直至待测激光的近场参数an和远场参数bn与基准位置一致，实现激光光路自动准直。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法，将透射过近场成像镜头中最靠近CCD探测器的透镜的激光采集作为近场，将经该透镜二次反射再到CCD探测器探测面的光束(即二次剩余反射鬼光)采集作为远场，实现了利用单一光路和单CCD探测器同时测量激光远近场参数的目的。本发明不再需要分光元件，只利用单一光路、单一镜头和单探测器实现了以往需要双光路、双镜头和双探测器才能实现的远近场参数测量，节省了一半的成本，具有良好的经济性。
2、光阑中心设置有十字形遮挡条，使远场测量为暗背景，同时也给近场、远场测量提供参考位置基准。
3、根据具体场景需要，光阑的通光孔径为方形或圆形。
附图说明
图1为现有的激光远近场同时测量光学系统；
图2为本发明可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统；
图3为图2的右半部分放大图；
图4为本发明可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统的近场透射成像光路图；
图5为本发明可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统的远场二次反射成像光路图；
图6为本发明可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统的方形孔径光阑的示意图；
图7为本发明可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统的圆形孔径光阑的示意图；
图8为本发明可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统采集到的远近场图像分布图，图中a为近场，b为远场；
附图标记说明：
图1中(现有技术)：
01-分光元件、02-近场成像镜头、03-近场相机、04-远场成像镜头、05-远场相机；
图2至图8中(本发明)：
1-光阑、2-第一透镜、3-第二透镜、4-第三透镜、5-第四透镜、6-第五透镜、7-CCD探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，如图2和图3所示，包括沿激光传输方向依次同轴设置的光阑1、近场成像镜头和CCD探测器7；为了使远场测量为暗背景，同时也为了给近场测量提供参考位置基准，所述光阑1中心设置有十字形遮挡条，用于提供近场参考位置基准；所述近场成像镜头为望远镜头结构，包括沿激光传输方向依次同轴设置的多片透镜(包括第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5和第五透镜6)；所述CCD探测器7的探测面相对光阑1共轭成像，且通过光学系统优化设计，使近场成像镜头中最靠近CCD探测器7一侧的透镜(即第五透镜6)的二阶鬼光焦点位于CCD探测器7的探测面上。采用这种结构，第五透镜的光束采集为近场，经第五透镜二次反射再到探测面的光束采集为远场，从而实现将远近场同时成像到探测面，实现单一光路下远近场参数的同时测量。图4为近场透射成像光路图；图5为远场二次反射成像光路图。
所述光阑1的通光孔径根据需要可以设计为方形或圆形，图6和图7分别为方形和圆形孔径光阑1的示意图；以采用方形孔径光阑1为例，CCD探测器7上光斑分布如图8所示。
共光路激光远近场同时测量光学系统能够通过单一光路和单一探测器实现对激光远近场参数的同时测量，基于上述的可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，包括以下步骤：
1)将所述可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，对准待测激光光路；
2)使待测激光依次经光阑1、近场成像镜头和CCD探测器7，在CCD探测器7的探测面上相对光阑1共轭成像，实现近场a的参数采集，同时CCD探测器7将待测激光近场a的参数数据反馈给待测激光的激光准直系统；
3)利用近场成像镜头中最靠近CCD探测器7一侧透镜的二阶剩余反射鬼光进行远场参数测量，实现远场b的参数采集，同时CCD探测器7将待测激光远场b的参数数据反馈给待测激光的激光准直系统；
4)初调激光系统，标记调试好的激光系统对应的待测激光近场和远场，分别作为近场基准位置a0和远场基准位置b0；
5)继续采集待测激光的近场参数an和远场参数bn数据，激光准直系统根据待测激光的近场参数an和远场参数bn数据，对激光系统运行状态进行实时监控，若待测激光的近场参数an和远场参数bn分别与近场基准位置a0和激光远场基准位置b0出现偏差，则激光准直系统根据反馈的偏差值调节激光系统；
6)重复步骤5)相同的操作，直至待测激光的近场参数an和远场参数bn与基准位置一致，实现激光光路自动准直。
上述可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统及方法，不再需要分光元件，只需要一套镜头和一台CCD探测器7，即能实现激光远近场参数同时测量，节省了光学元件和探测器件，大大节约了成本，具有良好的经济性。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，其特征在于：
包括沿激光传输方向依次同轴设置的光阑(1)、近场成像镜头和CCD探测器(7)；
所述光阑(1)中心设置有十字形遮挡条，用于提供近场参考位置基准；
所述近场成像镜头为望远镜头结构，包括沿激光传输方向依次同轴设置的多片透镜；
所述CCD探测器(7)的探测面相对光阑(1)共轭成像，且近场成像镜头中最靠近CCD探测器(7)一侧的透镜的二阶鬼光焦点位于CCD探测器(7)的探测面上。
2.根据权利要求1所述的可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，其特征在于：
所述光阑(1)的通光孔径为方形或圆形。
3.一种可实现激光远近场同时测量的方法，其特征在于：
基于权利要求1或2所述的可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，包括以下步骤：
1)将所述可实现激光远近场同时测量的单光路光学系统，对准待测激光光路；
2)使待测激光依次经光阑(1)、近场成像镜头和CCD探测器(7)，在CCD探测器(7)的探测面上相对光阑(1)共轭成像，实现近场a的参数采集，同时CCD探测器(7)将待测激光近场a的参数数据反馈给待测激光的激光准直系统；
3)利用近场成像镜头中最靠近CCD探测器(7)一侧透镜的二阶剩余反射鬼光进行远场参数测量，实现远场b的参数采集，同时CCD探测器(7)将待测激光远场b的参数数据反馈给待测激光的激光准直系统；
4)初调激光系统，标记调试好的激光系统对应的待测激光近场和远场，分别作为近场基准位置a0和远场基准位置b0；
5)继续采集待测激光的近场参数an和远场参数bn数据，激光准直系统根据待测激光的近场参数an和远场参数bn数据，对激光系统运行状态进行实时监控，若待测激光的近场参数an和远场参数bn分别与近场基准位置a0和激光远场基准位置b0出现偏差，则激光准直系统根据反馈的偏差值调节激光系统；
6)重复步骤5)相同的操作，直至待测激光的近场参数an和远场参数bn与基准位置一致，实现激光光路自动准直。
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