CN108731650A - 一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置及方法。该发明特别适用于具备自检功能的激光发射***,也适用于各种主被动结合的光电***同轴检测等领域。该发明基于分光镜(Beam Splitter)的分光功能，将光束分析仪与光纤端面等距离的固定到分光镜(Beam Splitter)两侧，从而组合成一个固定收发一体的焦面模块，利用角锥棱镜的自准功能将光纤端面所对应的光轴转移至光束分析仪的某一个像素点；通过光束分析仪所对应的像素点将激光发射***的主光轴转移至光纤端面所对应的光轴，最后通过光纤反向发射激光来测试及标定激光发射***光轴与自检光光轴之间的关系。该发明适用于具备自检功能的激光发射***的高精度光轴测量与标定，定标方法简单、价格低廉。
Description
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，尤其涉及一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置及方法，装置结构简单，操作简单，特别适用于各种情况下自检***的自检误差标定。
背景技术
航空航天遥感上，激光以其高空间分辨率、高灵敏度、单色性好、全天候等优良特性而备受青睐，在地球科学和行星科学领域有着广泛的应用。国内外发展的激光遥感***主要包括激光高度计、激光测距机、激光雷达等。由于所用探测波长的缩短和方向性的加强,***的空间、时间分辨能力都得到了很大的提高，在军事、航天、大地测绘、工程建筑等方面都有着广泛的应用和深入的研究。
对激光遥感***来说，激光光轴的内部自检***是用于检测激光遥感***的光轴变化关键，而激光光轴的变化将直接影响到***的探测能力，这就要求能有标准的仪器或设备能对自检***进行测试，并能标定具体偏差量及变化量的情况。而随着各种光学仪器应用范围的扩大和应用需求的提高，对光学仪器的稳定性、自检精度的要求也越来越高，准确的自检才能够保证更加准确的进行***补偿。而在实际工程应用中，平行光管因其测量方便且测量精度高等特点，所以受到光学检测者的青睐，而角锥棱镜作为一种依据临界角原理制造的内部全反射棱镜，它不受入射角大小的影响，将任意进入通光孔径内的入射光线高效的按方向返回。本发明基于分光镜(Beam Splitter)的分光功能，将光束分析仪与光纤端面等距离的固定到分光镜(Beam Splitter)两侧，从而组合成一个固定收发一体的焦面模块，利用角锥棱镜的自准功能将光纤端面所对应的光轴转移至光束分析仪的某一个像素点；通过光束分析仪所对应的像素点将激光发射***的主光轴转移至光纤端面所对应的光轴，最后通过光纤反向发射激光来测试及标定激光发射***光轴与自检光光轴之间的关系。发明适用于具备自检功能的激光发射***的高精度光轴测量与标定，定标方法简单、价格低廉。
发明内容
本发明的目的是提供了一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置及方法。发明基于分光镜(Beam Splitter)的分光功能，将光束分析仪与光纤端面等距离的固定到分光镜(Beam Splitter)两侧，从而组合成一个固定收发一体的焦面模块，利用角锥棱镜的自准功能将光纤端面所对应的光轴转移至光束分析仪的某一个像素点；再利用两个平行光管来贯穿光轴，通过被测自检***自检光与贯穿光轴的偏差来标定、调节自检***，此方法适用于精度高的自检***的检测。
本发明方法的检测装置如附图1所示：该装置由光轴转移平行光管1、光轴测试平行光管2、收发同轴装置3、角锥棱镜4、光轴检测CCD 5、具备自检功能的激光发射***6组成，其中：
光轴转移平行光管1与收发同轴装置3需配合使用，收发同轴装置3处于光轴转移平行光管1焦面附近，同时收发同轴装置3中光束分析仪3-2的光敏面处于光轴转移平行光管1焦面处；收发同轴装置3通过分光镜3-1的分光功能，将用于接收信号的光束分析仪3-2光敏面与光纤激光器3-3的光纤端面等距离固定于其两侧，最终形成收发同轴装置3；利用角锥棱镜4的自准功能将光纤激光器3-3的光纤端面所对应的光轴转移至光束分析仪3-2的收发同轴像素点；调节具备自检功能的激光发射***6，使得主发射激光经过光轴转移平行光管1会聚于光束分析仪3-2的光斑与收发同轴像素点重合；然后利用光纤激光器3-3反向发射激光，该反向发射的激光经过光轴转移平行光管1准直后进入光轴测试平行光管2，并会聚于光轴测试平行光管2焦面处的光轴检测CCD 5上，同时具备自检功能的激光发射***6的自检光经自检棱镜6-3反射后也进入光轴测试平行光管2，并成像于光轴测试平行光管2焦面处的光轴检测CCD 5上，两成像点之间的偏差即为发射光与自检光之间的偏差。
一种基于所述的标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置的检测方法，具体方法步骤如下：
1)收发同轴装置3装配
1-1)利用设计好的结构将用于接收信号的光束分析仪3-2的光敏面与光纤激光器3-3的单模光纤端面初步固定于分光镜3-1两侧，初步完成收发同轴装置3的调节；
1-2)将初步完成的收发同轴装置3放置于平行光管1焦面附近,开光纤激光器3-3，光纤激光器3-3通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管1后产生平行光,将角锥棱镜4放在平行光管1前方,角锥棱镜4的自准光返回至光束分析仪3-2上，通过光束分析仪3-2观察角锥棱镜4的回转光斑位置；
1-3)将角锥棱镜4放在光轴转移平行光管1前方的不同位置,观察角锥棱镜4的回转光斑位置是否变化,如果位置发生变化,则调整光纤激光器***3-3中单模光纤的光纤端面到分光镜3-1中心的距离；
1-4)通过反复调节,最终使得角锥棱镜4在光轴转移平行光管1的不同出口位置时回波光斑位置不变,该不变的位置即为收发同轴像素点，此时光纤激光器3-3的单模光纤端面与光束分析仪3-2的光敏面等距的分布于分光镜3-1两侧,完成收发同轴装置3的调节；
2)激光器与激光扩束***光轴匹配
2-1)调节具备自检功能的激光发射***6中激光器6-1的方向，使得激光经过光轴转移平行光管1会聚于光束分析仪3-2的收发同轴像素点上，固定激光器6-1的位置；
2-2)将自检棱镜6-3固定初步于激光扩束***6-2上；
2-3)将具备自检功能的激光发射***6中激光扩束***6-2固定于相应位置，调节激光扩束***6-2的方向，使得激光器6-1的出射激光经过激光扩束***6-2、光轴转移平行光管1后,仍然会聚于光束分析仪3-2的收发同轴像素点上，完成激光器与激光扩束***光轴的匹配；
3)激光光轴的转移
3-1)将调节完成的收发同轴装置3放置于光轴转移平行光管1的焦面位置；
3-2)再将角锥棱镜4放置在光轴转移平行光管1前，使得光纤激光器3-3中单模光纤出射光经过光轴转移平行光管1准直后，再经过角锥棱镜4自准至光束分析仪3-2的收发同轴像素点上；
3-3)开启具备自检功能的激光发射***6的激光器6-1，主激光光束经过自检棱镜6-3透射、激光扩束***6-2反射后，进入光轴转移平行光管1，通过调节具备自检功能的激光发射***6的整体，使得激光器6-1出射的主激光光束会聚于光束分析仪3-2的收发同轴像素点上，固定具备自检功能的激光发射***6的位置；
3-4)光纤激光器3-3通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管1后产生平行光，该平行光的方向与具备自检功能的激光发射***6出射的主激光光束互成180度，完成激光光轴的转移；
4)激光发射与自检光光轴的配准及检测
4-1)光纤激光器3-3通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管1后产生平行光，该平行光进入光轴测试平行光管2后成像于焦面处的光轴检测CCD 5上，并记录该成像点；
4-2)开启具备自检功能的激光发射***6的激光器6-1，部分激光经过自检棱镜6-3反射，该部分自检激光光束同样进入光轴测试平行光管2，自检***处于调节阶段时，通过调节自检棱镜6-3，使得自检激光光束进入焦面处的光轴检测CCD 5上，并进行固定，并记录该光斑的位置；
4-3)两成像光斑的位置偏差即表示了具备自检功能的激光发射***6中自检激光光束与主激光光束的偏差，其相应的角度偏差为：
其中：参数u为两像点在光轴检测CCD 5相对位置，单位um，f为平行光管的焦距，单位m。
本发明的优点在于：
1)本发明的收发同轴装置自检方法简单、测量精度高、成本低廉。
2)本发明的***光轴穿轴制作方法操作简单。
3)本发明的检测***都是用反射式的检测方式，可以适用不同波长的激光***的检测，其波长选择主要取决于光束分析仪的光谱波长范围。
附图说明
图1为本发明的示意图。
图2为收发同轴装置3的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。本发明中所采用的主要器件描述如下：
1)光轴转移平行光管1、光轴测试平行光管2：采用普通加工的反射式平行光管，望远镜口径为400mm，望远镜焦距为4m，***面型要求RMS优于1/20λ@632.8nm，平行光管传光面镀Al膜。
2)收发同轴装置3:收发同轴装置3由分光镜3-1、光束分析仪3-2和光纤激光器3-3组成。分光镜3-1采用Thorlabs公司带结构的型号为BS017的非偏振分光棱镜，其主要性能参数：工作波段为700-1100nm，分光比为50：50，通光口径为20mm；光束分析仪***3-2采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200；光纤激光器***3-3以单模光纤输出，光纤采用Thorlabs公司型号为SM600的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为600-900nm，光纤模场直径为4.6um@680nm，包层芯径125±1um，截至波长为550±50nm,光纤激光器采用Thorlabs公司型号为LPS-PM635-FC的激光二极管，其主要性能参数：激光波长为635nm，光功率可调范围1uw-10mw。
3)角锥棱镜4：采用Thorlabs公司型号为PS971的角锥棱镜，其主要性能参数：透光面表面面型优于λ/[email protected]；回转精度小于3″，通光口径为25.4mm，透光范围为400-1100nm。
4)光轴检测CCD 5：光轴检测CCD 5也采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200；
5)具备自检功能的激光发射***6：具备自检功能的激光发射***6为待测***，由激光器6-1、激光扩束***6-2和自检棱镜6-3组成，其中激光器6-1为自研的1064nm脉冲激光器，脉冲能量为180mj，能量稳定性优于10％；激光扩束***6-2为5倍反射式扩束***，面型要求RMS优于1/20λ@632.8nm，主次镜镀Ag膜；自检棱镜6-3为取光平片，平行度要求小于3″。
具体实施方式中，本发明装置的装校示意图如图1所示，具体步骤如下
1)收发同轴装置3装配
利用设计好的结构将用于接收信号的光束分析仪3-2的光敏面与光纤激光器3-3的单模光纤端面初步固定于分光镜3-1两侧，初步完成收发同轴装置3的调节；
将初步完成的收发同轴装置3放置于平行光管1焦面附近,开光纤激光器3-3，光纤激光器3-3通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管1后产生平行光,将角锥棱镜4放在平行光管(1)前方,角锥棱镜4的自准光返回至光束分析仪3-2上，通过光束分析仪3-2观察角锥棱镜4的回转光斑位置；
将角锥棱镜4放在光轴转移平行光管1前方的不同位置,观察角锥棱镜4的回转光斑位置是否变化,如果位置发生变化,则调整光纤激光器***3-3中单模光纤的光纤端面到分光镜3-1中心的距离；
通过反复调节,最终使得角锥棱镜4在光轴转移平行光管1的不同出口位置时回波光斑位置不变,该不变的位置即为收发同轴像素点，此时光纤激光器3-3的单模光纤端面与光束分析仪3-2的光敏面等距的分布于分光镜3-1两侧,完成收发同轴装置3的调节。
2)激光器与激光扩束***光轴匹配
调节具备自检功能的激光发射***6中激光器6-1的方向，使得激光经过光轴转移平行光管1会聚于光束分析仪3-2的收发同轴像素点上，固定激光器6-1的位置；
将自检棱镜6-3固定初步于激光扩束***6-2上；
将具备自检功能的激光发射***6中激光扩束***6-2固定于相应位置，调节激光扩束***6-2的方向，使得激光器6-1的出射激光经过激光扩束***6-2、光轴转移平行光管1后,仍然会聚于光束分析仪3-2的收发同轴像素点上，完成激光器与激光扩束***光轴的匹配。
3)激光光轴的转移
将调节完成的收发同轴装置3放置于光轴转移平行光管1的焦面位置；
再将角锥棱镜4放置在光轴转移平行光管1前，使得光纤激光器3-3中单模光纤出射光经过光轴转移平行光管1准直后，再经过角锥棱镜4自准至光束分析仪3-2的收发同轴像素点上；
开启具备自检功能的激光发射***6的激光器6-1，主激光光束经过自检棱镜6-3透射、激光扩束***6-2反射后，进入光轴转移平行光管1，通过调节具备自检功能的激光发射***6的整体，使得激光器6-1出射的主激光光束会聚于光束分析仪3-2的收发同轴像素点上，固定具备自检功能的激光发射***6的位置；
光纤激光器3-3通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管1后产生平行光，该平行光的方向与具备自检功能的激光发射***6出射的主激光光束互成180度，完成激光光轴的转移。
4)激光发射与自检光光轴的配准及检测
光纤激光器3-3通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管1后产生平行光，该平行光进入光轴测试平行光管2后成像于焦面处的光轴检测CCD5上，并记录该成像点；
开启具备自检功能的激光发射***6的激光器6-1，部分激光经过自检棱镜6-3反射，该部分自检激光光束同样进入光轴测试平行光管2，自检***处于调节阶段时，通过调节自检棱镜6-3，使得自检激光光束进入焦面处的光轴检测CCD5上，并进行固定，并记录该光斑的位置；
两成像光斑的位置偏差即表示了具备自检功能的激光发射***6中自检激光光束与主激光光束的偏差，其相应的角度偏差为：
其中：参数u为两像点在光轴检测CCD 5相对位置(单位um)，f为平行光管的焦距(单位m)。
Claims (7)
1.一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置，由光轴转移平行光管(1)、光轴测试平行光管(2)、收发同轴装置(3)、角锥棱镜(4)、光轴检测CCD(5)、具备自检功能的激光发射***(6)组成，其特征在于：
所述的光轴转移平行光管(1)与收发同轴装置(3)需配合使用，收发同轴装置(3)处于光轴转移平行光管(1)焦面附近，同时收发同轴装置(3)中光束分析仪(3-2)的光敏面处于光轴转移平行光管(1)焦面处；收发同轴装置(3)通过分光镜(3-1)的分光功能，将用于接收信号的光束分析仪(3-2)光敏面与光纤激光器(3-3)的光纤端面等距离固定于其两侧，最终形成收发同轴装置(3)；利用角锥棱镜(4)的自准功能将光纤激光器(3-3)的光纤端面所对应的光轴转移至光束分析仪(3-2)的收发同轴像素点；调节具备自检功能的激光发射***(6)，使得主发射激光经过光轴转移平行光管(1)会聚于光束分析仪(3-2)的光斑与收发同轴像素点重合；然后利用光纤激光器(3-3)反向发射激光，该反向发射的激光经过光轴转移平行光管(1)准直后进入光轴测试平行光管(2)，并会聚于光轴测试平行光管(2)焦面处的光轴检测CCD(5)上，同时具备自检功能的激光发射***(6)的自检光经自检棱镜(6-3)反射后也进入光轴测试平行光管(2)，并成像于光轴测试平行光管(2)焦面处的光轴检测CCD(5)上，两成像点之间的偏差即为发射光与自检光之间的偏差。
2.根据权利要求1所述的一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置，其特征在于：所述的光轴转移平行光管(1)和光轴测试平行光管(2)为常规的平行光管，平行光管的面形偏差RMS值小于λ/[email protected]，平行光管通光面与激光波长相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置，其特征在于：所述的收发同轴装置(3)由分光镜(3-1)、光束分析仪(3-2)和光纤激光器(3-3)组成；
所述的光束分析仪(3-2)的光敏面与光纤激光器(3-3)中单模光纤的光纤端面等距离固定于分光镜(3-1)的两侧，所述的分光镜(3-1)对使用波长的分光比介于4：6与6：4之间，通光面面形偏差RMS值小于λ/[email protected]；所述的光束分析仪(3-2)光敏面与所述的光纤激光器(3-3)均处于光轴转移平行光管(1)的焦面处；所述的光纤激光器(3-3)引入光信号经过光轴转移平行光管(1)后产生平行光,利用角锥棱镜(4)的自准功能将自准返回至光束分析仪(3-2)上，返回光所对应的像素即为收发同轴像素点。
4.根据权利要求1所述的一种标定带自检激光发射***自检光轴的装置，其特征在于：所述的角锥棱镜(4)的回转精度小于3″。
5.根据权利要求1所述的一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置，其特征在于：所述的光束分析仪(3-2)和光轴检测CCD(5)的光谱响应范围均需要覆盖光纤激光器的波长。
6.根据权利要求1所述的一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置，其特征在于：所述的具备自检功能的激光发射***(6)为待测***，由激光器(6-1)、激光扩束***(6-2)和自检棱镜(6-3)组成。
7.一种基于权利要求1所述的一种标定具备自检功能的激光发射***光轴的装置的检测方法，其特征在于方法步骤如下：
1)收发同轴装置(3)装配
1-1)利用设计好的结构将用于接收信号的光束分析仪(3-2)的光敏面与光纤激光器(3-3)的单模光纤端面初步固定于分光镜(3-1)两侧，初步完成收发同轴装置(3)的调节；
1-2)将初步完成的收发同轴装置(3)放置于平行光管(1)焦面附近,开光纤激光器(3-3)，光纤激光器(3-3)通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管(1)后产生平行光,将角锥棱镜(4)放在平行光管(1)前方,角锥棱镜(4)的自准光返回至光束分析仪(3-2)上，通过光束分析仪(3-2)观察角锥棱镜(4)的回转光斑位置；
1-3)将角锥棱镜(4)放在光轴转移平行光管(1)前方的不同位置,观察角锥棱镜(4)的回转光斑位置是否变化,如果位置发生变化,则调整光纤激光器***(3-3)中单模光纤的光纤端面到分光镜(3-1)中心的距离；
1-4)通过反复调节,最终使得角锥棱镜(4)在光轴转移平行光管(1)的不同出口位置时回波光斑位置不变,该不变的位置即为收发同轴像素点，此时光纤激光器(3-3)的单模光纤端面与光束分析仪(3-2)的光敏面等距的分布于分光镜(3-1)两侧,完成收发同轴装置(3)的调节；
2)激光器与激光扩束***光轴匹配
2-1)调节具备自检功能的激光发射***(6)中激光器(6-1)的方向，使得激光经过光轴转移平行光管(1)会聚于光束分析仪(3-2)的收发同轴像素点上，固定激光器(6-1)的位置；
2-2)将自检棱镜(6-3)固定初步于激光扩束***(6-2)上；
2-3)将具备自检功能的激光发射***(6)中激光扩束***(6-2)固定于相应位置，调节激光扩束***(6-2)的方向，使得激光器(6-1)的出射激光经过激光扩束***(6-2)、光轴转移平行光管(1)后,仍然会聚于光束分析仪(3-2)的收发同轴像素点上，完成激光器与激光扩束***光轴的匹配；
3)激光光轴的转移
3-1)将调节完成的收发同轴装置(3)放置于光轴转移平行光管(1)的焦面位置；
3-2)再将角锥棱镜(4)放置在光轴转移平行光管(1)前，使得光纤激光器(3-3)中单模光纤出射光经过光轴转移平行光管(1)准直后，再经过角锥棱镜(4)自准至光束分析仪(3-2)的收发同轴像素点上；
3-3)开启具备自检功能的激光发射***(6)的激光器(6-1)，主激光光束经过自检棱镜(6-3)透射、激光扩束***(6-2)反射后，进入光轴转移平行光管(1)，通过调节具备自检功能的激光发射***(6)的整体，使得激光器(6-1)出射的主激光光束会聚于光束分析仪(3-2)的收发同轴像素点上，固定具备自检功能的激光发射***(6)的位置；
3-4)光纤激光器(3-3)通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管(1)后产生平行光，该平行光的方向与具备自检功能的激光发射***(6)出射的主激光光束互成180度，完成激光光轴的转移；
4)激光发射与自检光光轴的配准及检测
4-1)光纤激光器(3-3)通过单模光纤引入的光信号经过光轴转移平行光管(1)后产生平行光，该平行光进入光轴测试平行光管(2)后成像于焦面处的光轴检测CCD(5)上，并记录该成像点；
4-2)开启具备自检功能的激光发射***(6)的激光器(6-1)，部分激光经过自检棱镜(6-3)反射，该部分自检激光光束同样进入光轴测试平行光管(2)，自检***处于调节阶段时，通过调节自检棱镜(6-3)，使得自检激光光束进入焦面处的光轴检测CCD(5)上，并进行固定，并记录该光斑的位置；
4-3)两成像光斑的位置偏差即表示了具备自检功能的激光发射***(6)中自检激光光束与主激光光束的偏差，其相应的角度偏差为：
其中：参数u为两像点在光轴检测CCD(5)相对位置，单位um，f为平行光管的焦距，单位m。
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2018
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