CN117293627A - 一体化动态监测指向和功率的小型化装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一体化动态监测指向和功率的小型化装置及其应用方法。本申请包括指向监测和功率监测；对同一束待测激光，所述装置获取待测激光的中心光用于所述功率监测；所述装置获取除中心光外的同一束待测激光的外环光用于所述指向监测。本申请用近场光斑的中心光的功率监测替代传统的对整个光斑的功率监测，可以更好地监测出激光器光学通道上光学元件性能蜕化或者损伤引起的异常变化，在问题发生的早期即可察觉进行安全联锁，更好地提前避免激光器发生器件损坏；通过设计具有复合功能的光学元件，实现兼具反射、光斑中心区和外环区的分离、通过汇聚减小光路长度多种功能的目的，进而实现装置的小型化。

Description

一体化动态监测指向和功率的小型化装置及其应用方法

技术领域

本申请涉及一体化光学监测装置及其应用方法，具体涉及一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置及其应用方法。

背景技术

高功率激光器及其相关系统在长时间的使用过程中，由于振动、冲击、温度变化可能导致输出激光指向出现偏差，如果偏差过大，则存在较大的安全隐患。高功率激光器及其相关系统在长时间使用后，光学元件可能出现性能蜕化或者损伤，导致近场光斑的中心区功率占比出现明显变化，严重时甚至会导致输出的总功率出现明显下降。

激光输出指向监测是一种关键的安全措施，确保高功率激光器及其相关系统的输出方向在预定目标范围内，避免对人员和设备造成潜在的危害。激光输出总功率稳定性是一个重要的性能指标，需要高速实时获取高功率激光器的输出功率，当光学元件出现损坏的第一时间，迅速及时启动安全联锁进行关断，防止发生更为严重的次生损坏。

传统方法对指向和输出总功率的同时监测需采用取样反射镜将激光分为透射光和反射光，分别进行指向监测和功率监测。指向监测需要采用长焦透镜来保证测试系统的分辨率达到指向监测的精度需求，光路长占用空间体积大，不利于装置的小型化、轻量化。功率监测可以采用光热型功率探测器或光电型功率探测器（如PD传感器）。光热型功率探测器的功率探测面积大、可探测功率大但是体积大响应慢；光电型功率探测器响应快但是探测面积有限。为了对较大面积的激光总功率变化实现快速响应，通常会在PD传感器前放置聚焦镜，PD传感器放置在光线汇聚的焦点处，这种结构实际上是对取样后的激光的远场功率进行探测。

传统方法如果要监测激光近场的功率分布变化，需要搭建光学成像系统进行光斑比例缩放并采用图像传感器（如CCD传感器或CMOS传感器）进行近场分布的获取。这种方式可以获取近场的细节信息，但是由于图像传感器占用空间体积大、响应速度慢、成本高等原因，在很多场合并未实际采用。从实际核心需求出发，近场监控的最主要目的是通过观察激光器光斑的近场能量分布是否出现异常来监测激光通道上的光学元件是否出现性能蜕化或者损伤，相较于传统方法中的功率监控只能反映已既成事实的光元件损坏，近场能量分布监控可以在损坏的更早期发现问题，更早地进行管控更换存在健康风险的光学元件，避免这些光学元件发生严重损坏后造成次生损坏。要实现这个目的并非只能通过监测整个光斑近场的具体分布来实现，面向小型化的需要，需要采用新的方式解决。

因此，亟需一体化动态监测指向和功率的小型化装置来解决上述问题。

发明内容

本申请一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置及其应用方法，将待测激光近场光斑分为中心光和外环光，分别用于功率监测和指向监测；用近场光斑的中心光的功率监测替代传统的对整个光斑的功率监测，可以更好地监测出激光器光学通道上光学元件性能蜕化或者损伤引起的异常变化，在问题发生的早期即可察觉进行安全联锁，更好地提前避免激光器发生器件损坏；通过设计具有复合功能的光学元件，实现兼具反射、光斑中心区和外环区的分离、通过汇聚减小光路长度多种功能的目的，进而实现装置的小型化；通过插入反射和压缩光程的镜组，在更短的光路上实现高度集成的等效长焦汇聚效果，有利于提高指向监测的精度。通过本申请，可以解决现有技术光路复杂，占用空间体积大，成本高，小型化、轻量化困难的问题，更好更早的避免对光学元件异常导致的损失发生。

第一方面，本申请提供一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，包括：

包括指向监测和功率监测；

对同一束待测激光，所述装置获取待测激光的中心光用于所述功率监测；

所述装置获取除中心光外的同一束待测激光的外环光用于所述指向监测。

进一步的，顺序设置的聚焦待测激光的物镜，对聚焦待测激光中心光进行获取、分离中心光和外环光的s1镜面，聚焦s1镜面反射光的聚焦镜，在光线汇聚点检测聚焦镜射出激光功率的PD传感器；

用于反射和压缩光程的镜组，所述镜组反射由物镜出射并经过s1镜面外侧的环形光束，并入射到用于监测指向变化的图像传感器；

物镜与所述镜组构成等效长焦汇聚镜，图像传感器的感光面放置在等效长焦汇聚镜的焦点位置，用于获取待测激光的远场分布。

进一步的，所述用于反射和压缩光程的镜组，具体包括：

顺序设置的s2镜面、环形镜；

其中，s2镜面上设置有凹面反射镜；

所述环形镜中心位置上设置有用于穿过光线的通孔；

所述环形镜反射所述环形光束至所述凹面反射镜；

凹面反射镜反射聚焦环形光束穿过通孔至图像传感器。

进一步的，所述s2镜面与s1镜面沿物镜光轴的投影均为圆形；

所述物镜的光轴与凹面反射镜的光轴、环形镜的中心轴重合；

所述通孔的外沿介于环形镜反射光与凹面反射镜反射光之间；

凹面反射镜沿物镜光轴的投影的半径小于s2镜面沿物镜光轴的投影的半径。

进一步的，当待测激光为高功率激光时，还包括在物镜之前设置有衰减镜A，或/和，在聚焦镜与s1镜面之间设置有衰减镜B。

进一步的，还包括在聚焦镜与s1镜面之间设置改变光路的导光镜。

第二方面，基于第一方面任一所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置的应用方法，包括监测待测激光动态功率的步骤如下：

步骤a1，发多组已知驱动电流及输出功率的样本激光至所述装置；

步骤a2，读取对应PD传感器数值；

步骤a2.1，选取多组已知驱动电流及输出功率的样本激光，重复步骤a1和步骤a2；

步骤a3，基于多组驱动电流及输出激光功率值与PD传感器数值的对应关系表，建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器数值间函数或者插值参数；

步骤a4，发射待测激光至所述装置；

步骤a5，根据步骤a3得到的PD传感器数值与步骤a3所述函数或者插值参数，计算待测激光功率；

对于未建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器数值间函数或者插值参数的情况，执行步骤a1-a5；对于已建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器数值间函数或者插值参数的情况，执行步骤a4-a5。

第三方面，基于第一方面任一所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置的应用方法，调用图像传感器的单元尺寸参数、所述装置的有效焦距，计算角度分辨率，角度分辨率=图像传感器的单元尺寸参数/所述装置的有效焦距；

监测待测激光动态指向的步骤如下：

步骤c1，读取图像传感器的光斑；

步骤c2，计算图像传感器的光斑的质心位置，以及相对与参考位置的变化量；

步骤c3，计算待测激光的指向角度变化：

。

其中 θ表示指向角度变化，/> x为待测激光的光斑质心相对于参考位置在水平方向的变化量，/> y为待测激光的光斑质心相对于参考位置在竖直方向的变化量，f为所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中物镜、s2镜面、环形镜构成的汇聚镜组的有效焦距。

本申请的有益效果：

本申请通过同一束待测激光不同空间部分进行取样的光路设计，将待测激光近场光斑分为中心光和外环光，分别用于功率监测和指向监测。

本申请用近场光斑的中心光的功率监测替代传统的对整个光斑的功率监测，可以更好地监测出激光器光学通道上光学元件性能蜕化或者损伤引起的异常变化，在问题发生的早期即可察觉进行安全联锁，更好地提前避免激光器发生器件损坏。

本申请通过设计具有复合功能的光学元件，实现兼具反射、光斑中心区和外环区的分离、通过汇聚减小光路长度多种功能的目的，进而实现装置的小型化。

本申请采用镜组和s1镜面的设计，实现小型化、轻量化的优异技术效果，具体效果如下：

本申请通过导光镜折叠光路设计，将装置占据空间集中在一个方向上，实现更好的空间利用。

本申请通过s2镜面、环形镜、凹面反射镜、通孔的设计，实现光路多次折叠、减少单个装置的体积占用，提高空间利用率。

本申请由于体积小，可以密集阵列排布，监测多路光束，节约空间。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：

图1为本申请示例性实施例提供的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置示意图。

图2为本申请示例性实施例提供的又一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置示意图。

图3为本申请示例性实施例提供的还一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置示意图。

图4为本申请示例性实施例提供的另一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置示意图。

图5为本申请示例性实施例提供的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中沿光路投影示意图。

图6为本申请示例性实施例提供的又一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中沿光路投影示意图。

图7为本申请示例性实施例提供的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中局部立体示意图。

图8为本申请示例性实施例提供的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中局部投影示意图。

图中：

1、衰减镜A；2、物镜；3、导光镜；4、衰减镜B；5、聚焦镜；6、PD传感器；7、s1镜面；8、s2镜面；9、环形镜；10、图像传感器；11、通孔；12、凹面反射镜。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

首先对本申请所涉及的名词进行解释：

a)PD传感器：PD传感器是一种光电型的功率探测器，应用于微弱、快速光信号探测方面。PD为photodiode光电二极管的缩写。

b)CMOS传感器：CMOS传感器是使用CMOS将光学影像转化为数字信号的传感器。CMOS是Complementary Metal Oxide Semiconductor的缩写，互补金属氧化物半导体。

c)CCD传感器：CCD传感器是使用CCD将光学影像转化为数字信号的传感器。CCD为Charge Coupled Device电荷耦合器件的缩写。

传统的激光针对指向监测和功率监测两种功能监测要分别2次取样，光路复杂，占用空间体积大；如果要监测激光近场的功率分布变化，系统占用空间体积大、响应速度慢、成本高。

因此，亟需一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置及其应用方法。

该装置可应用于多场景下的激光指向监测和功率监测。用近场光斑的中心光的功率监测替代传统的对整个光斑的功率监测，可以更好地监测出激光器光学通道上光学元件性能蜕化或者损伤引起的异常变化，在问题发生的早期即可察觉进行安全联锁，更好地提前避免激光器发生器件损坏。

该装置可用于单个实现待测激光的两种功能监测实现，也可以依据需求阵列排布多个装置，能够实时且同步进行多束激光的两种功能监测。

实施例1：

本申请提供一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，包括：

包括指向监测和功率监测；

对同一束待测激光，所述装置获取待测激光的中心光用于所述功率监测；

所述装置获取除中心光外的同一束待测激光的外环光用于所述指向监测。

具体可以为：

如图2所示，顺序设置的聚焦待测激光的物镜2，对聚焦待测激光中心光进行获取、分离中心光和外环光的s1镜面7，聚焦s1镜面7反射光的聚焦镜5，在光线汇聚点检测聚焦镜5射出激光功率的PD传感器6；

用于反射和压缩光程的镜组，所述镜组反射由物镜2出射并经过s1镜面7外侧的环形光束，并入射到用于监测指向变化的图像传感器10；

物镜2与所述镜组构成等效长焦汇聚镜，图像传感器10的感光面放置在等效长焦汇聚镜的焦点位置，用于获取待测激光的远场分布。

图5为本申请示例性实施例提供的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中沿光路投影示意图。图6为本申请示例性实施例提供的又一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中沿光路投影示意图。图7为本申请示例性实施例提供的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中局部立体示意图。图8为本申请示例性实施例提供的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中局部投影示意图。参照图5、图6、图7、图8所示，所述用于反射和压缩光程的镜组，具体包括：

顺序设置的s2镜面8、环形镜9；其中，s2镜面8上设置有凹面反射镜12；所述环形镜9中心位置上设置有用于穿过光线的通孔11；所述环形镜9反射所述环形光束至所述凹面反射镜12；凹面反射镜12反射聚焦环形光束穿过通孔11至图像传感器10。所述s2镜面8与s1镜面7沿物镜2光轴的投影均为圆形；所述物镜2的光轴与凹面反射镜12的光轴、环形镜9的中心轴重合；所述通孔11的外沿介于环形镜9反射光与凹面反射镜12反射光之间；凹面反射镜12沿物镜2光轴的投影的半径小于s2镜面8沿物镜2光轴的投影的半径。

还包括在聚焦镜5与s1镜面7之间设置改变光路的导光镜3。

实施例2：

如图3所示，在实施例1的基础上，当待测激光为高功率激光时，还包括在在聚焦镜5与s1镜面7之间设置有衰减镜B4。

实施例3：

如图1所示，在实施例2的基础上，当待测激光为高功率激光时，还包括在物镜2之前设置有衰减镜A1。

实施例4：

如图4所示，在实施例3的基础上，取消在聚焦镜5与s1镜面7之间设置的改变光路的导光镜3。

实施例5：

基于实施例1-4的装置，本申请提供一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置的应用方法，基于实施例1-4的装置，实现监测待测激光动态功率的步骤如下：

步骤a1，发多组已知驱动电流及输出功率的样本激光至所述装置；

步骤a2，读取PD传感器6数据；

步骤a2.1，选取多组已知驱动电流及输出功率的样本激光，重复步骤a1和步骤a2；

步骤a3，基于多组驱动电流及输出激光功率值与PD传感器6数值的对应关系表，建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器6数值间函数或者插值参数；

步骤a4，发射待测激光至所述装置；

步骤a5，根据步骤a3得到的PD传感器6数值与步骤a3所述函数或者插值参数，计算待测激光功率；

对于未建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器6数值间函数或者插值参数的情况，执行步骤a1-a5；对于已建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器6数值间函数或者插值参数的情况，执行步骤a4-a5。

实施例6：

本申请提供另一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置的应用方法，基于实施例 1-4的装置，调用图像传感器的单元尺寸参数、所述装置的有效焦距，计算角度分辨率，角度分辨率=图像传感器的单元尺寸参数/所述装置的有效焦距；

实现监测待测激光动态指向的步骤如下：

步骤c1，读取图像传感器10的光斑；

步骤c2，计算图像传感器10的光斑的质心位置，以及相对与参考位置的变化量；

步骤c3，计算待测激光的指向角度变化：

。

其中 θ表示指向角度变化，/> x为待测激光的光斑质心相对于参考位置在水平方向的变化量，/> y为待测激光的光斑质心相对于参考位置在竖直方向的变化量，f为所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中物镜2、s2镜面8、环形镜9构成的汇聚镜组的有效焦距，本实施例中f=1000mm，图像传感器水平方向上和垂直方向上的像素单元尺寸均为3.45μm，则装置在水平方向上和垂直方向上的角度分辨率为3.45μrad。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或一些特征可以忽略，或不执行。

所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法或装置。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由上面的权利要求书指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (8)

1.一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，其特征在于：

包括指向监测和功率监测；

对同一束待测激光，所述装置获取待测激光的中心光用于所述功率监测；

所述装置获取除中心光外的同一束待测激光的外环光用于所述指向监测。

2.根据权利要求1所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，其特征在于，包括：

顺序设置的聚焦待测激光的物镜（2），对聚焦待测激光中心光进行获取、分离中心光和外环光的s1镜面（7），聚焦s1镜面（7）反射光的聚焦镜（5），在光线汇聚点检测聚焦镜（5）射出激光功率的PD传感器（6）；

用于反射和压缩光程的镜组，所述镜组反射由物镜（2）出射并经过s1镜面（7）外侧的环形光束，并入射到用于监测指向变化的图像传感器（10）；

物镜（2）与所述镜组构成等效长焦汇聚镜，图像传感器（10）的感光面放置在等效长焦汇聚镜的焦点位置，用于获取待测激光的远场分布。

3.根据权利要求2所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，其特征在于，所述用于反射和压缩光程的镜组，具体包括：

顺序设置的s2镜面（8）、环形镜（9）；

其中，s2镜面（8）上设置有凹面反射镜（12）；

所述环形镜（9）中心位置上设置有用于穿过光线的通孔（11）；

所述环形镜（9）反射所述环形光束至所述凹面反射镜（12）；

凹面反射镜（12）反射聚焦环形光束穿过通孔（11）至图像传感器（10）。

4.根据权利要求3所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，其特征在于，所述s2镜面（8）与s1镜面（7）沿物镜（2）光轴的投影均为圆形；

所述物镜（2）的光轴与凹面反射镜（12）的光轴、环形镜（9）的中心轴重合；

所述通孔（11）的外沿介于环形镜（9）反射光与凹面反射镜（12）反射光之间；

凹面反射镜（12）沿物镜（2）光轴的投影的半径小于s2镜面（8）沿物镜（2）光轴的投影的半径。

5.根据权利要求4所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，其特征在于，当待测激光为高功率激光时，还包括在物镜（2）之前设置有衰减镜A（1），或/和，在聚焦镜（5）与s1镜面（7）之间设置有衰减镜B（4）。

6.根据权利要求5所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置，其特征在于，还包括在聚焦镜（5）与s1镜面（7）之间设置改变光路的导光镜（3）。

7.基于权利要求2-6任一所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置的应用方法，其特征在于，包括监测待测激光动态功率的步骤如下：

步骤a1，发多组已知驱动电流及输出功率的样本激光至所述装置；

步骤a2，读取对应PD传感器（6）数值；

步骤a2.1，选取多组已知驱动电流及输出功率的样本激光，重复步骤a1和步骤a2；

步骤a3，基于多组驱动电流及输出激光功率值与PD传感器（6）数值的对应关系表，建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器（6）数值间函数或者插值参数；

步骤a4，发射待测激光至所述装置；

步骤a5，根据步骤a3得到的PD传感器（6）数值与步骤a3所述函数或者插值参数，计算待测激光功率；

对于未建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器（6）数值间函数或者插值参数的情况，执行步骤a1-a5；对于已建立驱动电流、输出激光功率值与PD传感器（6）数值间函数或者插值参数的情况，执行步骤a4-a5。

8.基于权利要求2-5任一所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置的应用方法，其特征在于，调用图像传感器（10）的单元尺寸参数、所述装置的有效焦距，计算角度分辨率，角度分辨率=图像传感器（10）的单元尺寸参数/所述装置的有效焦距；

监测待测激光动态指向的步骤如下：

步骤c1，读取图像传感器（10）的光斑；

步骤c2，计算图像传感器（10）的光斑的质心位置，以及相对与参考位置的变化量；

步骤c3，计算待测激光的指向角度变化：

其中 θ表示指向角度变化，/> x为待测激光的光斑质心相对于参考位置在水平方向的变化量，/> y为待测激光的光斑质心相对于参考位置在竖直方向的变化量，f为所述的一种一体化动态监测指向和功率的小型化装置中物镜（2）、s2镜面（8）、环形镜（9）构成的汇聚镜组的有效焦距。