CN115166903A - 多光束小角度入射束靶耦合瞄准定位装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置和方法，包括目标物、照明光源、分光镜、成像镜头、反射镜、A相机、B相机、目标光束、A定位棱镜、B定位棱镜。照明光照亮目标物，反射光经过分光镜进入成像镜头，由反射镜反射后，再经过成像镜头和分光镜成像在A相机，目标光经分光镜反射进入A相机，在A相机表面实现目标光与目标物上表面的对准。B相机用来观测目标物侧面的位姿状态。本发明装置结构简单，成像精度高，适用于多光束、小角度入射、目标物不可以预加热情况下目标光与目标物的高精度对准。

Description

多光束小角度入射束靶耦合瞄准定位装置和方法
技术领域
本发明涉及高功率激光装置束靶耦合领域，特别是一种多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置和方法。
背景技术
在大型激光装置上研究激光与物质的相互作用时，需要对激光和靶进行严格的对准，但是很多靶不能提前预热，即在正式打靶前激光不能照射在靶上，为了实现精确的束靶耦合，典型的装置如美国国家点火装置(NIF)中使用的靶对准传感器(TAS)[P.Di Nicola,D.Kalantar,et al.“Beam and target alignment at the National Ignition Facilityusing the Target Alignment Sensor(TAS),”Proceedings of SPIE,2012,8505]，结构如图1所示。其工作原理为：正面相机利用成像透镜获得靶的像，像与靶共轭，反射镜和成像透镜在同一平面，打靶光束由反射镜反射进入正面相机，反射光与实际路线共轭，用反射光瞄准靶的共轭像，撤掉TAS后即可实现束靶耦合。其不足之处为：当打靶光束的入射角减小时，TAS的正面相机就会遮挡光束，如果将正面相机向远离靶的方向移动，系统的分辨率就会下降，从而不能满足束靶耦合的瞄准精度；特别的，如果打靶光束接近0°入射时，TAS将完全无法使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有装置对于小角度入射束靶耦合瞄准定位术的不足，提出一种多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置和方法。通过光学设计，将靶的像转90°，正面相机也随之转90°，此时靶和打靶光束之间就没有遮挡物，而且系统的分辨率也可以设计的很高，从而满足多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位的需求。
本发明的技术解决方案如下：
一种多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，包括目标物、照明光源、分光镜、成像镜头、反射镜、A相机、B相机、目标光束、A定位棱镜、B定位棱镜；
所述的照明光源用来照明所述的目标物，所述目标物的反射光经过所述分光镜反射进入所述成像镜头，之后经过所述反射镜反射再次进入所述成像镜头，最后透射过所述分光镜，将所述目标物上表面成像在所述A相机上；所述目标光束经过所述分光镜反射进入所述A相机，在所述A相机表面对所述目标物的像进行瞄准；所述B相机用于检测所述目标物侧面的位姿状态，实现所述目标物侧面的对准；所述A定位棱镜和所述B定位棱镜垂直放置，用于所述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置的定位；
所述的照明光源为窄带光源，环形分布，用于均匀照明所述的目标物。
所述的分光镜对所述照明光源的反射率为50％，对所述目标光束的反射率为95％以上。所述分光镜分光面到所述目标物的距离与所述分光镜分光面到所述A相机的距离相等；
所述的成像镜头与所述的反射镜组成一个成像系统，将所述的目标物的像清晰的呈现在所述的A相机上。
所述的A相机用来承接所述目标物上表面的像，由于所述分光镜对照明光的折射效应，所述目标物在所述A相机上像的位置和实际位置会有偏差，需要将所述A相机上所述目标物像进行平移，标定出所述目标物像的实际位置。
所述的B相机用来监测所述的目标物侧面的位姿状态。
所述的目标光束为小角度入射的打靶光束。
所述的A定位棱镜和B定位棱镜都带有十字叉丝，两者相互垂直放置，用来定位所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置。
利用上述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置对所述目标物和所述目标光进行瞄准定位的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)所述A定位棱镜和所述B定位棱镜与两个带有十字叉丝且正交放置的望远镜进行对准，实现所述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置的定位；
2)所述B相机对所述目标物的侧面进行监测，调整所述目标物的侧面姿态，调整所述目标物与所述分光镜之间的距离；
3)所述的成像镜头与所述的反射镜组成所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置的成像系统，将所述的目标物的像呈现在所述的A相机处；
4)调节所述反射镜到所述成像镜头之间的距离，使所述A相机上呈现清晰的像，消除所述分光镜带来的光程差和轴向偏移；由所述分光镜带来的光程差为：
Figure BDA0003732451880000031
轴向偏移量为：
Figure BDA0003732451880000032
其中n1是真空的折射率，n2是所述分光镜的折射率，α1是照明光在所述分光镜处的入射角，α2照明光在所述分光镜处的折射角，β1是照明光的发散角，β2和β3是β1对应的折射角，
Figure BDA0003732451880000033
L是所述分光镜的厚度；
5)所述分光镜的折射效应会造成所述目标物在所述A相机上的像出现位置偏移，这个横向平移量为：
Figure BDA0003732451880000034
提前计算出这个偏移量，根据所述A相机上像的位置得到所述目标物的准确位置，即激光瞄准区域；
6)调整所述目标光束的参数，将所述目标光束的焦点对准激光瞄准区域的中心；
7)移走所述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，即可进行打靶操作。
本发明的技术效果如下：
本发明多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置将对目标物成像的正面相机转到物的侧面，减少了对入射光的遮挡，并通过矫正横向偏移量、轴向偏移量和光程差，可以适用于多光束小角度入射情况下目标光束与目标物的非接触式精确瞄准。结构简单、操作方便、瞄准精度高。
附图说明
图1是NIF中使用的TAS装置示意图
图中：01-目标物、02-上方反射镜、03-上方目标光束、04-上方相机、05-上方成像透镜、06-上方定位棱镜、07-上方侧方相机、08-下方侧方相机、09-下方成像透镜、010-下方相机、011-下方目标光束、012-下方反射镜、013-下方定位棱镜。
图2是本发明多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置示意图
图中：1-目标物、2-照明光源、3-分光镜、4-成像镜头、5-反射镜、6-A相机、7-B相机、8-目标光束、9-A定位棱镜、10-B定位棱镜。
图3是根据横向平移量确定激光瞄准区域的示意图
图中：6-A相机靶面、11-实际成像区域、12-激光瞄准区域
具体实施方式
参见图2、图3，由图可见，本发明多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，包括目标物1、照明光源2、分光镜3、成像镜头4、反射镜5、A相机6、B相机7、目标光束8、A定位棱镜9、B定位棱镜10；
所述的照明光源2用来照明所述的目标物1，所述目标物1的反射光经过所述分光镜3反射进入所述成像镜头4，之后经过所述反射镜5反射再次进入所述成像镜头4，最后透射过所述分光镜3，将所述目标物1上表面成像在所述A相机6上；所述目标光束8经过所述分光镜3反射进入所述A相机6，在所述A相机6表面对所述目标物1的像进行瞄准；
所述B相机7用于检测所述目标物1侧面的位姿状态，实现所述目标物1侧面的对准；所述A定位棱镜9和所述B定位棱镜10都带有十字叉丝，可以互相固定垂直放置，用两个带有十字叉丝且正交放置的望远镜对其进行对准，实现所述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置的定位。
实施例中：
所述的照明光源2为可见光波段的窄带环形光源，用于均匀照明所述的目标物1。
所述的分光镜3对所述照明光源的反射率为50％，对所述目标光束8的反射率为95％以上。所述分光镜3分光面到所述目标物1的距离与所述分光镜3分光面到所述A相机6的距离相等。
所述的成像镜头4为非球面镜头组，与所述的反射镜5组成一个成像系统，通过调节所述反射镜5与所述成像镜头4的距离，将所述目标物1的像清晰的呈现在所述的A相机6上。
所述的A相机6用来承接所述目标物1上表面的像，由于所述分光镜3对照明光的折射效应，所述目标物1在所述A相机6上像的位置和实际位置会有偏差，所述分光镜3的厚度为100微米至2000微米之间，对所述目标物1像造成的横向平移量为29微米至587微米；根据横向平移量，在所述A相机6上由所述目标物1的像标定出所述目标物1像的实际位置，即激光瞄准区域，如图3所示。
所述的B相机7用来监测所述的目标物1侧面的位姿状态。
所述的目标光束8是一组光束，可以分别调整焦点在所述A相机6上的位置，与Y轴夹角为0°到30°之间。
所述的A定位棱镜9和B定位棱镜10都带有十字叉丝，两者相互垂直放置，用来定位所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置。
利用上述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置对所述目标物1和所述目标光8进行瞄准定位的方法，包括以下步骤：
1)A定位棱镜9和B定位棱镜10与两个带有十字叉丝且正交放置的望远镜进行对准；
2)B相机7对所述目标物1的侧面进行监测，调整所述目标物1的侧面姿态，调整所述目标物1与所述分光镜3之间的距离；
3)所述的成像镜头4与所述的反射镜3组成所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置的成像系统，将所述目标物1的像呈现在所述的A相机6处；
4)调节所述反射镜5到所述成像镜头4之间的距离，使所述A相机6上呈现清晰的像，消除所述分光镜3带来的光程差和轴向偏移；由所述分光镜3带来的光程差为：
Figure BDA0003732451880000051
轴向偏移量为：
Figure BDA0003732451880000052
其中n1是真空的折射率，n2是所述分光镜3的折射率，α1是照明光在所述分光镜3处的入射角，α2照明光在所述分光镜3处的折射角，β1是照明光的发散角，β2和β3是β1对应的折射角，
Figure BDA0003732451880000053
L是所述分光镜3的厚度；
5)所述分光镜3的折射效应会造成所述目标物1在所述A相机6上的像出现位置偏移，这个横向平移量为：
Figure BDA0003732451880000054
提前计算出这个偏移量，根据所述A相机6上像的位置得到所述目标物1的准确位置，即激光瞄准区域；
6)调整所述目标光束7的参数，将所述目标光束7中所有光束的焦点对准激光瞄准区域的中心；
7)移走所述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，即可进行打靶操作。
实验表明，本发明所述的装置可以实现多光束小角度入射情况下的高精度束靶耦合。本发明有结构简单、操作简便的特点。

Claims (9)

1.一种多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，包括照明光源(2)、分光镜(3)、成像镜头(4)、反射镜(5)、A相机(6)、B相机(7)、A定位棱镜(9)、B定位棱镜(10)；
所述照明光源(2)用来照明目标物(1)，经该目标物(1)反射的反射光经所述分光镜(3)反射后，经所述成像镜头(4)入射到所述反射镜(5)，经该反射镜(5)反射后沿原路返回，依次经所述成像镜头(4)和分光镜(3)后，将所述目标物(1)表面成像在所述A相机(6)上；
目标光束(8)经所述分光镜(3)反射后，射入所述A相机(6)，在所述A相机(6)的表面与所述目标物(1)的像瞄准；
所述分光镜(3)分光面到所述目标物(1)的距离与所述分光镜(3)分光面到所述A相机(6)的距离相等；
所述B相机(7)放置于所述目标物(1)侧面，用于检测该目标物(1)侧面的位姿状态
所述A定位棱镜(9)和B定位棱镜(10)互相垂直固定放置，用于实现多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置的定位。
2.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，所述的照明光源(2)为窄带光源，环形分布，用于均匀照明所述的目标物(1)。
3.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，所述的分光镜(3)对所述照明光源(2)的反射率为50％，对所述目标光束(8)的反射率为95％以上。
4.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，所述的成像镜头(4)与所述的反射镜(5)组成一个成像系统，将所述的目标物(1)的像清晰的呈现在所述的A相机(6)上。
5.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，所述的A相机(6)用来承接所述目标物(1)上表面的像，由于所述分光镜(3)对照明光的折射效应，所述目标物(1)在所述A相机(6)上像的位置和实际位置会有偏差，需要将所述A相机(6)上所述目标物(1)像进行平移，标定出所述目标物(1)像的实际位置。
6.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，所述的B相机(7)用来监测所述的目标物(1)侧面的位姿状态。
7.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，所述的目标光束(8)为小角度入射的打靶光束。
8.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，其特征在于，所述的A定位棱镜(9)和B定位棱镜(10)都带有十字叉丝，两者相互垂直放置，用来定位所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置。
9.根据权利要求1所述的多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置对所述目标物(1)和所述目标光(8)进行瞄准定位的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)将A定位棱镜(9)和所述B定位棱镜(10)与两个带有十字叉丝且正交放置的望远镜进行对准；
2)B相机(7)对所述目标物(1)的侧面进行监测，调整所述目标物(1)的侧面姿态，调整所述目标物(1)与所述分光镜(3)之间的距离；
3)将目标物(1)的像呈现在A相机(6)处；
4)调节所述反射镜(5)到所述成像镜头(4)之间的距离，使所述A相机(6)上呈现清晰的像，消除所述分光镜(3)带来的光程差和轴向偏移；
5)分光镜(3)的折射效应会造成所述目标物(1)在所述A相机(6)上的像出现位置偏移，计算横向平移量为：
Figure FDA0003732451870000021
根据所述A相机(6)上像的位置得到所述目标物(1)的准确位置，即目标光束瞄准区；
6)调整所述目标光束(8)的参数，将所述目标光束(8)的焦点对准激光瞄准区域的中心；
7)移走所述多光束小角度入射高精度束靶耦合瞄准定位装置，即可进行打靶操作。
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