光學鬼像的檢測裝置及其檢測方法

2023-10-27 00:37:47

專利名稱：光學鬼像的檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
本發明涉及光學系統的光學鬼像，所述的光學鬼像是指由光學元件的表面的殘餘反射匯聚而形成的小光斑。特別是一種用於光學系統的位於近光軸的光學鬼像的檢測裝置及其檢測方法。
背景技術：
高功率雷射裝置中的鬼像是指由光學元件內表面的殘餘反射匯聚而形成的小光斑，在高功率雷射裝置中由於鬼像光斑可能具有較高的局部峰值功率，極易在光路中產生破壞，因此高功率雷射裝置中的鬼像一直是光學工程設計中不可忽視的重要問題。由於在高功率雷射裝置中，鬼像的分布與系統光學元件的選擇和排布密切相關， 不同系統間鬼像的差異很大；加之系統具有較高的光強，不易直接測量，因此實際中難以形成一種廣泛的、行之有效的直接測量方法。而傳統的鬼像分析僅限於從理論上分析確定系統下鬼像的具體分布，並通過調整光學元件參數來避開鬼像的損傷，以確保系統安全有效地運行。但是實際中存在加工、安裝誤差等因素，極易引起系統中鬼像偏離理論設定的區域，從而產生意外的損傷。因此，實踐中急需一種簡單易行的光學鬼像檢測裝置來驗證光學系統中鬼像，以增加高功率雷射系統的安全性。

發明內容
針對以上存在的問題，本發明的目的在於提供一種用於光學系統的位於近光軸的光學鬼像的檢測裝置及其檢測方法，以驗證光學系統中鬼像，提高高功率雷射系統設計和安裝的安全性。本發明的技術解決方案如下—種用於光學系統的位於近光軸的光學鬼像的檢測裝置，特點在於其構成包括雷射器，在該雷射器的雷射束輸出方向依次是準直鏡、半透半反鏡和全反鏡，在所述的半透半反鏡和全反鏡的反射光方向依次設置帶小孔的光闌和裝有可調衰減片的面陣CCD探測器， 該面陣CCD探測器置於具有位置刻度標記的直線型導軌上，該面陣CCD探測器在所述的導軌上的移動由驅動器驅動，該驅動器的輸入端與計算機的輸出端相連，所述的面陣CCD探測器的輸出端與所述的計算機的輸入端相連，所述的半透半反鏡和全反鏡平行並與所述的雷射束成45°角放置，以所述的半透半反鏡和全反鏡入射光束的中心連線的中垂線為中軸同光軸地設置所述的帶小孔的光闌、裝有可調衰減片的面陣CCD探測器和待測光學系統， 在所述的中軸的下方並平行地設置所述的直線型導軌。所述的帶小孔的光闌的口徑大於待測光學系統的口徑，其上有一個中心針孔，在過該中心針孔的一條直徑上具有1對以上的不同半徑的對稱的光闌小孔對。所述的面陣CXD探測器是置於所述的待測光學系統的一邊或兩邊的光軸上的一個或2個面陣CXD探測器。
所述的半透半反鏡、全反鏡和帶小孔的光闌分別置於光學調整架上。所述的驅動器為步進馬達。所述的待測光學系統包括透鏡、透鏡組或透鏡與平面鏡的組合。利用上述的光學鬼像的檢測裝置進行光學鬼像的檢測方法，特點在於該方法包括下列步驟①按權利要求1所述的光學鬼像的檢測裝置的結構設置各元部件和待測光學系統；②開啟所述雷射器，雷射器發出的光束經準直鏡照射在半透半反鏡上，通過半透半反鏡的調整使其反射光束通過所述的帶小孔的光闌的中心針孔並與所述的面陣CCD探測器和所述的待測光學系統的光軸重合，調整所述的直線型導軌，使所述的面陣CCD探測器在所述的驅動器的驅動下在所述的直線型導軌上運動，所述的面陣CCD探測器始終保持光軸不變，所述的面陣CCD探測器的接收面正對所述的待測光學系統的表面；③調整所述的半透半反鏡和全反鏡的位置，使經半透半反鏡和全反鏡反射的光束完全平行，經所述的帶小孔的光闌對稱的小孔形成兩束平行的細光束垂直入射到待測光學系統的表面上；④開啟所述的面陣CCD探測器和計算機，所述的面陣CCD探測器探測的信息或圖像通過傳輸線輸入所述的計算機；⑤在所述的計算機的控制下，所述的驅動器驅動所述的面陣CCD探測器在所述的直線型導軌上移動掃描光軸，當所述的面陣CCD探測器探測到匯聚的光斑時，調整所述的衰減片，再仔細控制驅動器，調整所述的面陣CCD探測器的位置，在獲得最小最清晰最完整的光斑時，即鬼像，將所述的面陣CCD探測器的衰減倍率和面陣CCD探測器在直線型導軌上的位置輸入計算機，該計算機將鬼像相應的衰減倍率、位置和光斑存儲在資料庫中；⑥重複步驟⑤，以獲得待測光學系統一邊光軸上的所有鬼像的相應的衰減倍率、 位置和光斑存儲在資料庫中；⑦利用所述的待測光學系統的另一邊所述的面陣CCD探測器重複步驟⑤和⑥，完成待測光學系統所有鬼像的探測。所述的雷射器採用氦氖(He-Ne)雷射器，或者其他的連續性較好的Iw以上的雷射
ο根據實際測量需要，所述的面陣CCD探測器可以是一臺或者兩臺，分別安裝在待測光學系統的一側或者兩側；本發明的技術效果本發明用兩束平行的細光束代替大口徑光束，垂直入射待測光學系統表面，在光軸上移動面陣C⑶探測器來檢測鬼像點。本發明結構簡單，便於操作，適合透鏡或透鏡組的特徵鬼像點檢測。使用細光束，一方面提高了鬼像檢測的精度(光斑較小，避免了像差的影響)，另一方面避免了光路中主光束或其他鬼光束對檢測的幹擾。1、通過調整所述的半透半反鏡、反射鏡和光闌的高度來產生不同入射高度的細光束，可以實現對透鏡整個面型的掃描，便於多次測量，提高精度。2、所述可調衰減的面陣CCD探測器，開始測量前，衰減片加至最大，根據掃描到的待測鬼像光強的差異，逐步降低衰減，以便獲得較全面的光斑信息。
3、所述面陣CCD探測器根據待測元件的數量和實際測量結果的需要，隨意增加或者減少所述的面陣CCD探測器的數量；兩臺面陣CCD探測器分別從透鏡組的兩側軸上測量； 或一臺面陣CCD探測器分別移動到透鏡兩側多次測量，根據實際情況靈活掌握。4、所述的檢測裝置，對於確定的待測光學系統，通過對軸上鬼像位置的檢測，定性地反應待測光學系統的參數的變化範圍。特別是對於大口徑長焦距的透鏡，直接測量焦距， 一方面硬體條件難以達到，另一方面由於焦深較大，測量準確性不高。通過鬼像的檢測可以間接定性地表徵透鏡參數的範圍。5、通過調整所述半透半反鏡和全反鏡的位置，改變所述光束高度，改變所述CCD 的測量位置，多次掃描，監測光斑的具體形貌，來監測透鏡組的安裝，提高安裝精度。實驗表明，本發明裝置適用於大口徑透鏡(組)軸上鬼像的檢測，具有結構簡單， 便於移動，易於實現等優勢，彌補了寬光束鬼像難以測量的缺點。且通過鬼像的檢測，可以間接檢測透鏡加工、安裝的誤差，定性的反映待測元件的參數範圍。


圖1為本發明光學鬼像的檢測裝置光路結構示意圖。圖2為帶小孔的光闌的結構示意圖。圖3是加衰減片面陣CCD探測器與刻度標記的直線型導軌的連接結構示意圖。圖4是本發明實例2的光路示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖1，圖1為本發明光學鬼像的檢測裝置光路結構示意圖。是本發明實施例1用於單個透鏡軸上鬼像的測量裝置示意圖，由圖可見，本發明光學鬼像的檢測裝置，其構成包括雷射器1，在該雷射器1的雷射束輸出方向依次是準直鏡2、半透半反鏡3和全反鏡4，在所述的半透半反鏡3和全反鏡4的反射光方向依次設置帶小孔的光闌5和裝有可調衰減片的面陣CCD探測器6，該面陣CCD探測器6置於具有位置刻度標記的直線型導軌603 上，該面陣CCD探測器6在所述的導軌上的移動由驅動器7驅動，該驅動器7的輸入端與計算機8的輸出端相連，所述的面陣CCD探測器6的輸出端與所述的計算機8的輸入端相連， 所述的半透半反鏡3和全反鏡4平行並與所述的雷射束成45°角放置，以所述的半透半反鏡3和全反鏡4入射光束的中心連線的中垂線為中軸同光軸地設置所述的帶小孔的光闌5、 裝有可調衰減片的面陣CCD探測器6和待測光學系統9，在所述的中軸的下方並平行地設置所述的直線型導軌603。圖2為帶小孔的光闌的結構示意圖。圖中表示的是所述的帶小孔的光闌5的口徑大於待測光學系統的口徑的一個特例，該帶小孔的光闌5有一個中心針孔53，在過該中心針孔53的一條直徑上有兩對具有不同半徑的對稱的光闌小孔對51、52、M、55。圖3是加衰減片面陣CCD探測器與具有刻度標記的直線型導軌的連接結構示意圖。圖中601為C⑶探測器，602是衰減片，603為具有刻度標記的直線型導軌。所述的半透半反鏡3、全反鏡4和帶小孔的光闌5分布置於光學調整架上，便於測試調節。所述的驅動器7為步進馬達。所述的雷射器為He-Ne雷射器。利用上述的光學鬼像的檢測裝置進行光學鬼像的檢測方法，該方法包括下列步驟①按上述的光學鬼像的檢測裝置的結構設置各元部件和待測透鏡9 ；②開啟所述雷射器1，雷射器1發出的光束經準直鏡2照射在半透半反鏡3上，通過半透半反鏡3的調整使其反射光束通過所述的帶小孔的光闌5的中心針孔53並與所述的面陣CCD探測器6和所述的待測透鏡9的光軸重合，調整所述的直線型導軌603，使所述的面陣CCD探測器6在所述的驅動器7的驅動下在所述的直線型導軌603上運動，所述的面陣CCD探測器6始終保持光軸不變，所述的面陣CCD探測器6的接收面正對所述的待測透鏡9的表面；③調整所述的半透半反鏡3和全反鏡4的位置，使經半透半反鏡3和全反鏡4反射的光束完全平行，經所述的帶小孔的光闌5對稱的小孔51、55形成兩束平行的細光束垂直入射到待測透鏡9的表面上；④開啟所述的面陣CCD探測器6和計算機8，所述的面陣CCD探測器6探測的信息或圖像通過傳輸線輸入所述的計算機8 ；⑤在所述的計算機8的控制下，所述的驅動器7驅動所述的面陣CCD探測器6在所述的直線型導軌603上移動掃描光軸，當所述的面陣CCD探測器6探測到匯聚的光斑時， 調整所述的衰減片602，再仔細控制驅動器7，調整所述的面陣CCD探測器6的位置，在獲得最小最清晰最完整的光斑時，即鬼像，將所述的面陣CCD探測器6的衰減倍率和面陣CCD探測器6在直線型導軌603上的位置輸入計算機8，該計算機8將鬼像相應的衰減倍率、位置和光斑存儲在資料庫中；⑥重複步驟⑤，以獲得待測透鏡9 一邊光軸上的所有鬼像的相應的衰減倍率、位置和光斑存儲在資料庫中；⑦利用所述的待測透鏡9的另一邊所述的面陣CXD探測器6重複步驟⑤和⑥，完成待測透鏡9所有鬼像的探測。所述的面陣CXD探測器6的初始位置在遠離在待測透鏡9表面的光軸上並記錄當前的位置(通常為小於焦距的距離內)，其衰減片602加至最大衰減。根據需要，調整所述的半透半反鏡3和全反鏡4的位置，重複上述檢測過程，獲得更多的數據，以增加測量精度。請參閱圖4，本發明用以檢測多個元件組成的光學系統的鬼像裝置示意圖。圖4和圖1不同在於這裡的光學系統由待測透鏡9-1，待測平板9-2組成，具有兩個面陣CXD探測器6-1、6-2。光學鬼像的檢測方法相同。不足贅述。根據實際檢測需要，調整所述入射光束和面陣CXD探測器6-1、面陣CXD探測器 6-2的位置，重複掃描，以便獲得更多的鬼像光斑。實驗表明，本發明裝置適用於大口徑透鏡(組)軸上鬼像的檢測，具有結構簡單， 便於移動，易於實現等優勢，彌補了寬光束鬼像難以測量的缺點。且通過鬼像的檢測，可以間接檢測透鏡加工、安裝的誤差，定性的反映待測元件的參數範圍。
權利要求
1.一種用於光學系統的位於近光軸的光學鬼像的檢測裝置，特徵在於其構成包括雷射器(1)，在該雷射器(1)的雷射束輸出方向依次是準直鏡O)、半透半反鏡C3)和全反鏡 G)，在所述的半透半反鏡(3)和全反鏡(4)的反射光方向依次設置帶小孔的光闌(5)和裝有可調衰減片的面陣CCD探測器(6)，該面陣CCD探測器(6)置於具有位置刻度標記的直線型導軌(60 上，該面陣CCD探測器(6)在所述的導軌上的移動由驅動器(7)驅動，該驅動器⑵的輸入端與計算機⑶的輸出端相連，所述的面陣CCD探測器(6)的輸出端與所述的計算機(8)的輸入端相連，所述的半透半反鏡C3)和全反鏡(4)平行並與所述的雷射束成45°角放置，以所述的半透半反鏡(3)和全反鏡(4)入射光束的中心連線的中垂線為中軸同光軸地設置所述的帶小孔的光闌(5)、裝有可調衰減片的面陣CCD探測器(6)和待測光學系統(9)，在所述的中軸的下方並平行地設置所述的直線型導軌(603)。
2.根據權利要求1所述的光學鬼像的檢測裝置，其特徵在於所述的帶小孔的光闌(5) 的口徑大於待測光學系統的口徑，其上有一個中心針孔(53)，在過該中心針孔(5 的一條直徑上具有1對以上的不同半徑的對稱的光闌小孔對(51、52、M、55)。
3.根據權利要求1所述的光學鬼像的檢測裝置，其特徵在於所述的面陣CCD探測器 (6)是置於所述的待測光學系統(9)的一邊或兩邊的光軸上的一個或2個面陣CCD探測器。
4.根據權利要求1所述的光學鬼像的檢測裝置，其特徵在於所述的半透半反鏡(3)、全反鏡(4)和帶小孔的光闌(5)分布置於光學調整架上。
5.根據權利要求1所述的光學鬼像的檢測裝置，其特徵在於所述的驅動器(7)為步進馬達。
6.根據權利要求1所述的光學鬼像的檢測裝置，其特徵在於所述的待測光學系統包括透鏡、透鏡組、或透鏡與平面鏡的組合。
7.一種利用所述的光學鬼像的檢測裝置進行光學鬼像的檢測方法，特徵在於該方法包括下列步驟①按權利要求1所述的光學鬼像的檢測裝置的結構設置各元部件和待測光學系統(9)；②開啟所述雷射器(1)，雷射器(1)發出的光束經準直鏡(2)照射在半透半反鏡(3) 上，通過半透半反鏡(3)的調整使其反射光束通過所述的帶小孔的光闌(5)的中心針孔 (53)並與所述的面陣CCD探測器(6)和所述的待測光學系統(9)的光軸重合，調整所述的直線型導軌(603)，使所述的面陣CCD探測器(6)在所述的驅動器(7)的驅動下在所述的直線型導軌(60 上運動，所述的面陣CCD探測器(6)始終保持光軸不變，所述的面陣CCD探測器(6)的接收面正對所述的待測光學系統(9)的表面；③調整所述的半透半反鏡(3)和全反鏡(4)的位置，使經半透半反鏡(3)和全反鏡(4) 反射的光束完全平行，經所述的帶小孔的光闌( 對稱的小孔(51、5254、5幻形成兩束平行的細光束垂直入射到待測光學系統(9)的表面上；④開啟所述的面陣CCD探測器(6)和計算機(8)，所述的面陣CCD探測器(6)探測的信息或圖像通過傳輸線輸入所述的計算機(8)；⑤在所述的計算機(8)的控制下，所述的驅動器(7)驅動所述的面陣CCD探測器(6) 在所述的直線型導軌(60 上移動掃描光軸，當所述的面陣CCD探測器(6)探測到匯聚的光斑時，調整所述的衰減片(602)，再仔細控制驅動器(7)，調整所述的面陣CCD探測器(6)的位置，在獲得最小最清晰最完整的光斑時，即鬼像，將所述的面陣CCD探測器(6)的衰減倍率和面陣CCD探測器(6)在直線型導軌(60 上的位置輸入計算機(8)，該計算機(8)將鬼像相應的衰減倍率、位置和光斑圖像以數組的形式存儲在資料庫中；⑥重複步驟⑤，以獲得待測光學系統(9)一邊光軸上的所有鬼像的相應的衰減倍率、 位置和光斑並存儲在資料庫中；⑦設置並利用所述的待測光學系統(9)的另一邊所述的面陣CCD探測器(6)重複步驟 ⑤和⑥，完成待測光學系統(9)所有鬼像的探測。
全文摘要
一種用於光學系統的位於近光軸的光學鬼像的檢測裝置，其構成包括雷射器，在該雷射器的雷射束輸出方向依次是準直鏡、半透半反鏡和全反鏡，在所述的半透半反鏡和全反鏡的反射光方向依次設置帶小孔的光闌和裝有可調衰減片的面陣CCD探測器，該面陣CCD探測器置於具有位置刻度標記的直線型導軌上，該面陣CCD探測器在所述的導軌上的移動由驅動器驅動，該驅動器的輸入端與計算機的輸出端相連，所述的面陣CCD探測器的輸出端與所述的計算機的輸入端相連，本發明可驗證光學系統中鬼像，增加了高功率雷射系統的安全性。裝置適用於大口徑透鏡軸上光學鬼像的檢測，具有結構簡單，便於移動，易於實現的優勢，彌補了寬光束鬼像難以檢測的缺點。
文檔編號G01M11/02GK102252830SQ20111011221
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月29日 優先權日2011年4月29日
發明者劉芳, 孫平平, 張燕, 張豔麗, 朱健強 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所