一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置的製作方法

2023-12-11 17:00:37 1

本實用新型涉及的是光束參數測量技術領域，尤其是一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置。

背景技術：

雷射應用領域中，雷射束傳輸過程的全程監測與控制對保證雷射系統實現相應功能至關重要。雷射束在線監測內容涵蓋光軸、光瞳、能量、重頻、功率等多個方面，對光瞳的測量可確定雷射束傳輸至某一位置處的光束截面位置。在工業生產涉及高功率雷射的應用領域中，雷射束光瞳位置的偏離，可導致雷射束傳輸至中繼光學元件時由「切邊」引起的光學、機械件損傷，增大複雜光學系統的像差。為防止傳輸過程光能損失、充分保證雷射束光束質量和系統安全性，需精確掌握雷射束傳輸全過程的參數，在線高精度測量光瞳位置信息對雷射束傳輸的監測和控制具有重要意義。

已有專利「一種基於子孔徑分割的光路耦合對準裝置及對準方法」(授權公告號：CN 102768411 B)針對兩個及兩個以上光學平臺間的光路耦合，巧妙利用原有功能系統中多子孔徑的附帶有光瞳、光軸信息的特點，提出採用基於子孔徑分割的光路耦合對準裝置及對準方法。該實用新型採用縮束系統實現光束口徑變換，用於匹配微透鏡陣列和CCD探測器的尺寸，縮束後的光束經過微透鏡陣列成像於CCD探測器，即光瞳測量位置為微透鏡陣列位置。該實用新型的缺點是僅能測量微透鏡陣列位置的光瞳信息，不能在線實現其他位置的多點測量。且該實用新型側重於解決波前探測過程中光瞳、光軸的控制，其中涉及到的光瞳測量功能單一、適應性較差。

技術實現要素：

本實用新型的目的，就是針對現有技術所存在的不足，而提供一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置，該方案光學系統成像共軛的原理，採用輔助校準楔鏡偏轉雷射束光軸、輔助校準光闌限定雷射束光瞳測量位置的校準方法，測得光瞳位置與CCD相機成像位置的共軛關係。利用電控平移臺改變CCD相機與共軛成像鏡頭目鏡的距離S，實現對不同位置雷射束光瞳的在線高精度掃描測量。

本方案是通過如下技術措施來實現的：

一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置，包括有輔助校準楔鏡、輔助校準光闌、分光鏡、共軛成像鏡頭、CCD相機、電控平移臺；裝置在校準狀態下，輔助校準楔鏡、輔助校準光闌依次放入雷射束中繼光路中；分光鏡放置於光瞳測量位置後；共軛成像鏡頭、CCD相機依次放置於分光鏡後的光路；CCD相機固定於電控平移臺上；裝置在測試狀態下，移除光路中的輔助校準楔鏡和輔助校準光闌；電控平移臺位於CCD相機下方，作為CCD相機的支撐件，能夠帶動CCD相機沿光路傳輸方向前後移動。

作為本方案的優選：輔助校準楔鏡具備光路偏轉的功能，其楔角、材料、厚度等參數需與後續光路綜合設計，滿足大角度光路偏轉的同時，還保持校準過程中輔助校準光闌的像位於CCD相機感光區域內。

作為本方案的優選：輔助校準光闌具備光束遮攔的功能，通光尺寸小於實際被測量光束的光斑尺寸。

作為本方案的優選：分光鏡正常中繼光路的同時，透射部分雷射束至後續共軛成像鏡頭。

作為本方案的優選：共軛成像鏡頭包括沿光路傳輸方向依次放置的物鏡、場鏡、目鏡，使雷射束光瞳測量位置與CCD相機感光面位置滿足成像共軛關係。

一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置的校準方法，包括有以下步驟：

a、在擬測量光瞳位置信息的範圍內選取n個離散的光瞳測量校準位置，各校準位置與分光鏡距離為D(D1、D2...Di...Dn)；

b、將輔助校準光闌移入光路中第i個光瞳測量校準位置，並對正光路，相應校準位置與分光鏡的距離為Di；

c、觀察CCD相機所成光瞳像，記錄光瞳成像位置作為第i個光瞳校準零點位置；

d、將輔助校準楔鏡移入光路中輔助校準光闌前方，移入位置儘量遠離輔助校準光闌，以偏折後光束完全充滿輔助校準光闌通光區域為邊界條件，相應位置即為輔助校準楔鏡安放的最遠位置；

e、觀察CCD相機所成光瞳像，記錄光瞳成像位置並計算與光瞳校準零點位置的距離誤差ΔL；

f、以CCD相機的一個像素尺寸作為判斷依據，若ΔL大於此尺寸，操控電控平移臺改變CCD相機與共軛成像鏡頭目鏡的距離S，調整直至ΔL不大於一個像素，執行步驟g；若ΔL不大於此尺寸，表明CCD相機感光面位置Si與擬測量光瞳位置Di滿足共軛關係，單個光瞳測量校準位置的校準完畢，移除輔助校準楔鏡和輔助校準光闌，記錄Si和Di，執行步驟h；

g、移除輔助校準楔鏡，重複步驟c～步驟f；

h、重複步驟b～步驟g，直至完成全部n個校準位置的校準測量，根據所得數據D(D1、D2...Di...Dn)與S(S1、S2...Si...Sn)的共軛關係擬合得到光瞳共軛測量關係曲線，基於成像共軛的光瞳在線測量裝置校準完畢。

本實用新型的基於成像共軛的光瞳在線測量裝置及校準方法，利用了光學系統成像共軛的原理，採用輔助校準楔鏡偏轉雷射束光軸、輔助校準光闌限定雷射束光瞳測量位置的校準方法，測得光瞳位置與CCD相機成像位置的共軛關係。利用電控平移臺改變CCD相機與共軛成像鏡頭目鏡的距離S，實現對不同位置雷射束光瞳的在線高精度掃描測量。

本實用新型的基於成像共軛的光瞳在線測量裝置及校準方法的有益效果是，採用輔助校準楔鏡偏轉雷射束光軸、輔助校準光闌限定雷射束光瞳測量位置的校準方法，測得光瞳位置與CCD相機成像位置的共軛關係，測量原理簡單、精準度高(若縮束倍率β、CCD相機像原尺寸為d時，測量精度優於βd，可達μm量級)；此外，根據校準得到的光瞳共軛測量關係曲線，通過平移CCD相機位置實現了不同位置雷射束光瞳的在線高精度掃描測量，且無需再次校準，適應性強。本實用新型測量全過程不影響雷射束正常的中繼傳輸，與其他控制裝置結合，可在雷射束中繼傳輸的應用場景下有效防控雷射束「切光」和偏心傳輸，對充分保證系統的安全性和雷射束光束質量具有重要意義。

由此可見，本實用新型與現有技術相比，具有實質性特點和進步，其實施的有益效果也是顯而易見的。

附圖說明

圖1是本實用新型的基於成像共軛的光瞳在線測量裝置測量狀態下的示意圖。

圖2是本實用新型的基於成像共軛的光瞳在線測量裝置校準狀態下的示意圖。

圖3是本實用新型的基於成像共軛的光瞳在線測量裝置中的共軛成像鏡頭的示意圖。

圖中，1為輔助校準楔鏡，2為輔助校準光闌，3為分光鏡，4為共軛成像鏡頭，5為CDD相機，6為電控平移臺，7為物鏡，8為場鏡，9為目鏡。

具體實施方式

本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。

實施例1：

如圖1-3所示，本實用新型的一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置，包括輔助校準楔鏡1、輔助校準光闌2、分光鏡3、共軛成像鏡頭4、CCD相機5、電控平移臺6；校準狀態下，輔助校準楔鏡1、輔助校準光闌2依次放入雷射束中繼光路中；測量狀態下，雷射束中繼光路中不引入輔助校準楔鏡1、輔助校準光闌2；分光鏡3放置於光瞳測量位置後相距為D處；共軛成像鏡頭4、CCD相機5依次放置於分光鏡後的光路；CCD相機5固定於電控平移臺6。

輔助校準楔鏡1具備光路偏轉的功能，其楔角、材料、厚度等參數需與後續光路綜合設計，滿足大角度光路偏轉的同時，必須保持校準過程中輔助校準光闌2的像位於CCD相機5感光區域內。

輔助校準光闌2具備光束遮攔的功能，設計通光尺寸小於實際被測量光束的光斑尺寸。

分光鏡3正常中繼光路的同時，透射部分雷射束至後續共軛成像鏡頭4。

的共軛成像鏡頭4包括物鏡7、場鏡8、目鏡9，三者沿光路傳輸方向依次放置，各鏡片曲率、間距、材料等參數經過光學優化設計後，雷射束光瞳測量位置應與CCD相機5感光面位置滿足成像共軛關係。

電控平移臺6位於CCD相機5下方，作為CCD相機5的支撐件，能夠接受外部控制帶動CCD相機5沿光路傳輸方向前後移動。

用於本實用新型所述的一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置的校準方法，包含以下步驟：

a)在擬測量光瞳位置信息的範圍內選取n個離散的光瞳測量校準位置，各校準位置與分光鏡3距離為D(D1、D2...Di...Dn)。

b)將輔助校準光闌2移入光路中第i個光瞳測量校準位置，並對正光路，相應校準位置與分光鏡3的距離為Di。

c)觀察CCD相機5所成光瞳像，記錄光瞳成像位置作為第i個光瞳校準零點位置。

d)將輔助校準楔鏡1移入光路中輔助校準光闌2前方，移入位置儘量遠離輔助校準光闌2，以偏折後光束完全充滿輔助校準光闌2通光區域為邊界條件，相應位置即為輔助校準楔鏡1安放的最遠位置。

e)觀察CCD相機5所成光瞳像，記錄光瞳成像位置並計算與光瞳校準零點位置的距離誤差ΔL。

f)以CCD相機5的一個像素尺寸作為判斷依據，若ΔL大於此尺寸，操控電控平移臺6改變CCD相機5與共軛成像鏡頭4目鏡9的距離S，調整直至ΔL不大於一個像素，執行步驟g)。若ΔL不大於此尺寸，表明CCD相機5感光面位置Si與擬測量光瞳位置Di滿足共軛關係，單個光瞳測量校準位置的校準完畢，移除輔助校準楔鏡1和輔助校準光闌2，記錄Si和Di，執行步驟h)。

g)移除輔助校準楔鏡1，重複步驟c)～步驟f)。

h)重複步驟b)～步驟f)，直至完成全部n個校準位置的校準測量，根據所得數據D(D1、D2...Di...Dn)與S(S1、S2...Si...Sn)的共軛關係擬合得到光瞳共軛測量關係曲線，基於成像共軛的光瞳在線測量裝置校準完畢。

實施例2

本實施例與實施例1的結構相同，不同之處是：所述一種基於成像共軛的光瞳在線測量裝置的校準方法中步驟f)可不以CCD相機的一個像素尺寸作為判斷依據，可以與系統具體測量精度要求匹配的尺寸作為判斷依據。

本實用新型並不局限於前述的具體實施方式。本實用新型擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。