CN112129775B - 一种匀光棒条形光源及基于该光源的光学元件损伤检测装置 - Google Patents

Abstract

一种匀光棒条形光源及基于该光源的光学元件损伤检测装置，属于光学元件损伤检测技术领域。解决了现有大口径光学元件检测存在检测光源均匀性差影响检测结果准确性的问题。本发明括玻璃棒和激光器，所述玻璃棒由一圆弧面和一平面组成，圆弧面的弧度大于180度，平面为等腰梯形，所述平面为粗糙散射面；圆形玻璃棒的一端设置有激光器，所述激光器的光束从圆形玻璃棒的一个端面沿轴向射入，另一端的端面上贴设有反光条或涂有反光层；所述激光器的光束经弧形面或另一端贴设的反光条或反光层反射后经粗糙散射面射出。采用相机成像即可实现对器件的损伤进行检测。采用相机成像即可实现对器件的损伤进行检测。适用于光学元件损伤检测使用。

Description

一种匀光棒条形光源及基于该光源的光学元件损伤检测装置

技术领域

本发明属于光学领域。

背景技术

在高能量激光装置中，大口径光学元件的损伤检测对装置的安全健康运行有着重要的意义。在大口径光学元件的损伤检测中，照明的均匀性、杂散光的多少，对损伤识别的精度、准确性有着直接的影响。但是现有光学元件检测通常采用点光源并行设置构成线性光源的方式实现，如图1和图2所示，但是该种方式的光源均匀性差，直接影响测量结果，造成测量的准确性差的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有大口径光学元件检测存在检测光源均匀性差影响检测结果准确性的问题，提出了一种匀光棒条形光源及基于该光源的光学元件损伤检测装置。

本发明所述一种匀光棒条形光源，包括玻璃棒和激光器，所述玻璃棒由一圆弧面和一平面组成，圆弧面的弧度大于180度，平面为等腰梯形，所述平面为粗糙散射面；

圆形玻璃棒的一端设置有激光器，所述激光器的光束从圆形玻璃棒的一个端面沿轴向射入，另一端的端面上贴设有反光条或涂有反光层；所述激光器的光束经弧形面或另一端贴设的反光条或反光层反射后经粗糙散射面射出。

进一步地，激光器设置在梯形面短边侧。

进一步地，还包括矩形底板、两块矩形压板和遮光罩；

矩形底板的侧面沿长度方向开有矩形槽，所述矩形槽沿矩形底板的中线开设，所述矩形槽用于安装圆形玻璃棒，两块矩形压板平行扣设在矩形底板上，且两块矩形压板之间留有缝隙，所述两块矩形压板之间的缝隙与矩形槽中心线对应，圆形玻璃棒的散射面与两块矩形压板之间的缝隙对应，激光器安装在矩形底板的一端，遮光罩套设在激光器的外侧。

进一步地，遮光罩的一端与两块矩形压板的一端密闭连接。

进一步地，激光器采用LD激光器。

基于上述光源的光学元件损伤检测装置，该装置包括相机，两个匀光棒条形光源分别沿待测器件的上端面和下端面设置，且匀光棒条形光源的粗糙散射面贴设在待测器件上，所述两个匀光棒条形光源的激光器位于待测器件纵向中心轴的两侧；相机的图像采集面朝向待测元件设置。

发明采用圆形玻璃棒的在内部射入光束后全反射的性质，在一侧开设散射粗糙面，且通过对散射粗糙面尺寸的调整实现对光源的均匀性再次调整，有效的保证了对大口径光学器件的检测的需要，同时保证了光源的均匀性。采用本发明所述光源进行器件损伤检测时，无需多次进行光信号处理，只需要将本发明所述光源贴设在待测器件的两侧即可通过相机采集到器件损伤图像。有效的提高了器件损伤检测的准确性和效果。

附图说明

图1是现有采用光源成像检测光学元件的损伤，无损伤情况的示意图

图2是现有采用光源成像检测光学元件的损伤，有损伤情况的示意图；

图3是宽度渐变发光面匀光棒原理图；

图4是条形光源光能传播示意图；

图5是粗糙散射面的光传播原理图；

图6是矩形底板与圆形玻璃棒安装结构示意图；

图7是条形光源整体结构示意图；

图8是条形光源结构裂解图；

图9(a)为h1＝0.1mm，h2＝0mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(b)为h1＝0.1mm，h2＝0.0125mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(c)为h1＝0.1mm，h2＝0.025mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(d)为h1＝0.1mm，h2＝0.0375mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(e)为h1＝0.1mm，h2＝0.05mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(f)为h1＝0.1mm，h2＝0.0625mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(g)为h1＝0.1mm，h2＝0.075mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(h)为h1＝0.1mm，h2＝0.0875mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图9(i)为h1＝0.1mm，h2＝0.1mm时的匀光棒内全反射光场分布图；

图10是匀光棒照明均匀性与研磨参数的关系图；

图11是照明杂散光分析三维模型图；

图12(a)是无遮挡时终端光学组件中光线传播仿真图；

图12(b)是有遮挡时终端光学组件中光线传播仿真图；

图13(a)是无遮挡时左侧光学元件外表面杂散光光照度分布图；

图13(b)是有遮挡时左侧光学元件外表面杂散光光照度分布图；

图14(a)是无遮挡时右侧光学元件外表面杂散光光照度分布图；

图14(b)是无遮挡时右侧光学元件外表面杂散光光照度分布图；

图15是光栅刻蚀方向与照明方向垂直示意图；

图16是光栅刻蚀方向与照明方向平行示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种匀光棒条形光源，包括玻璃棒1和激光器2，所述玻璃棒1由一圆弧面和一平面组成，圆弧面的弧度大于180度，平面为等腰梯形，所述平面为粗糙散射面；

圆形玻璃棒1的一端设置有激光器2，所述激光器2的光束从圆形玻璃棒1的一个端面沿轴向射入，另一端的端面上贴设有反光条或涂有反光层；所述激光器2的光束经弧形面或另一端贴设的反光条或反光层反射后经粗糙散射面射出。

进一步地，激光器2设置在梯形面短边侧。

为了实现光学元件的损伤识别，目前通常采用暗场内全反射照明的方法，原理如图1所示。照明光源以小于等于α的角度入射到待测光学元件，折射角为β，折射的光线再次到达元件表面的入射角为θ，若θ角度较大，满足全反射条件，则不会有光从元件表面出射。此时相机不会对元件成像。当元件表面存在损伤时，元件表面全反射的条件将不再满足，因此存在损伤的地方将会有光漏出，如图2所示，该部分光将在相机上成像，实现损伤检测的目的。此过程中，照明光源的均匀性对实验结果有着重要的影响，因此，我们设计了一种基于匀光棒的条形光源，如图3所示，匀光棒采用石英玻璃圆棒，沿着轴向磨去一部分制作成粗糙的散射发光面(P2)，散射发光面平行于匀光棒的中心轴线。在匀光棒一端(P1)注入LD发出的激光，另一端粘贴小反射镜(或镀反射膜)。光从P1处入射，从P2面出射。匀光棒中，弧形面满足内全反射条件，不会有光漏出。P2面为散射界面，光发生反射、漫反射、透射、漫透射、界面吸收，如图4和图5所示。匀光棒的散射面紧贴在待测元件上。

进一步地，结合图6、图7和图8进行说明，还包括矩形底板3、两块矩形压板5和遮光罩4；

矩形底板3的侧面沿长度方向开有矩形槽，所述矩形槽沿矩形底板3的中线开设，所述矩形槽用于安装圆形玻璃棒1，两块矩形压板5平行扣设在矩形底板3上，且两块矩形压板5之间留有缝隙，所述两块矩形压板5之间的缝隙与矩形槽中心线对应，圆形玻璃棒1的散射面与两块矩形压板5之间的缝隙对应，激光器2安装在矩形底板3的一端，遮光罩4套设在激光器2的外侧。

进一步地，遮光罩4的一端与两块矩形压板5的一端密闭连接。

本实施方式中采用遮光罩4将激光光源与圆形玻璃棒1之间进行固定，减少了漏光的情况。

进一步地，激光器2采用LD激光器。

具体实施方式二、本实施方式所述一种基于光学元件损伤检测装置，所述光学元件损伤检测装置基于具体实施方式一所述匀光棒条形光源实现，该装置包括相机，两个匀光棒条形光源分别沿待测器件的上端面和下端面设置，且匀光棒条形光源的粗糙散射面贴设在待测器件上，所述两个匀光棒条形光源的激光器2位于待测器件纵向中心轴的两侧；相机的图像采集面朝向待测元件设置。

本发明所述的匀光棒发光面尺寸与光源在光学元件中照明的均匀性、光能的充分利用有着重要联系，为了提高上述两项指标，对其参数进行优化。

由于靠近光注入端的粗糙面向外散射出较多的光能量，随着与光注入端距离的增加，粗糙面散射出的能量逐渐减少。为了使得匀光棒形成一个较为均匀的光场，可以减小光注入端发光面宽度，加大另一端发光面宽度，两端之间形成一个宽度渐变的发光面，如下图所示，在d1端放置一个小反射镜或者镀一层反射膜，在d2端注入照明光。设置发光面光散射特性为漫反射率(RTS):漫透射率(TTS)＝50％:50％。对以下3种情况下的斜坡面进行仿真：第一种情况的斜坡面(等腰梯形的平面)d1端磨削厚度h1＝0.1mm，d2端磨削厚度等间距地取0～0.1mm之间的9个数据；第二种情况的斜坡面等腰梯形的平面)d1端磨削厚度h1＝0.2mm，d2端磨削厚度等间距地取0～0.2mm之间的9个数据；第三种情况的斜坡面等腰梯形的平面)为d1端磨削厚度h1＝0.4mm，d2端磨削厚度等间距地取0～0.4mm之间的9个数据。在双匀光棒照明情况下，仿真求出对应的内全反射光场分布。r如图9(a)～9(i)。获得匀光棒照明均匀性与研磨参数的关系如图10所示，综合前面分析结果可以看出，d1端磨削厚度h1＝0.1mm，d2端磨削厚度h2＝0.05mm对应最优照明均匀性。

1、对采用匀光棒条形光源的杂散光分析

实验中发现，光源的漏光问题会为了造成严重的杂散光。为控制元件照明杂散光的影响，采用仿真和实验的方法对其进行分析。

(1)仿真条件：双根匀光棒照明，匀光棒光注入端磨去0.05mm，匀光棒反射面端磨去0.1mm，匀光棒光注入功率P＝2*1.579W＝3.158W；

(2)仿真方法：蒙特卡洛光线追迹法(Monte Carlo Ray Tracing,MCRT)，能量衰减到1％，停止追迹。

(3)仿真软件：TracePro7.3.4(Lambda Research Corporation,Littleton,America)仿真的模型如图11所示，光束追迹结果如图12所示，其中，图12(a)为无遮挡光束追迹结果，图12(b)为有遮挡光束追迹结果，可见主要的漏光出现在LD激光器与光棒的贴合处，终端光学组件中光线传播仿真如图12(a)和12(b)所示(显示总光线数量的10％)

仿真结果：

a)光源无遮挡时，左侧光学元件外表面接收到的杂散光功率为：Pleft＝0.010W，功率占比ηleft＝(Pleft/P)×100％＝0.3167％≈0.32％；右侧光学元件外表面接收杂散光功率为：Pright＝0.035W，占比ηright＝(Pright/P)×100％＝1.1083％≈1.11％；

b)光源有遮挡时，左侧光学元件外表面接收到的杂散光功率为：Pleft＝0.003W，功率占比ηleft＝(Pleft/P)×100％＝0.095％≈0.10％；右侧光学元件外表面接收杂散光功率为：Pright＝0.021W，占比ηright＝(Pright/P)×100％＝0.6650％≈0.67％。

表1两侧光学元件收到的杂散光功率与光源总功率比值

表2光源泄露杂散光功率与光源总功率比值

	左	右	上	下	前	后	总泄露	泄露比
									无遮挡	0.010	0.035	0.022	0.022	0.275	0.278	0.642	20.33％
有遮挡	0.003	0.021	0.010	0.010	0.018	0.017	0.079	2.49％

仿真分析结论：根据本方案的挡光设计，通过把LD、光棒及终端组件镜框进行一体化封闭遮光设计、可以有效控制杂散光。

除光源自身漏光外，还存在一些因素引入杂散光，例如：光源出光面与元件之间、元件的边界处等都会出现漏光现象，漏出的光会在不同元件间反射，从而影响检测结果；若元件中存在光栅元件，受到衍射的影响，同样会带来杂散光。

如下图所示，由于元件边界处不满足全反射条件，因此会存在漏光，同时漏出的光会在不同元件中反射，如下图左图红色方框中所示。若条形杂散光处存在损伤，则无法被识别，影响损伤检测准确性。若在元件边框处进行遮挡，则可以有效消除该类杂散光，如下图右图所示，此时遮挡了安装光源的镜框处的下半部，元件中央的杂散光下半部被消除了。当元件为光栅元件时，同样可能存在严重的杂散光。当照明光源照明方向与光栅刻蚀方向垂直时，照明光源出射光照射到A点，此时不再满足内全反射条件，照明光会出现从该点出射，出射光形成杂散光，影响损伤识别结果。光栅刻蚀方向与照明方向垂直示意图，如图15所示。

若改变照明方向，令照明方向与光栅刻蚀方向平行，如下图所示，此时照明光照射到刻划光栅的地方，其入射角不变，因此依然满足内全反射条件，不会有光漏出。光栅刻蚀方向与照明方向平行示意图，如图16所示

考虑上述因素，我们设计了如下内全反射照明方法，来实现均匀的照明：

1、设计基于匀光棒的条形光源，光源结构如下图所示，LD激光器2发出激光，出光口对准匀光棒。匀光棒采用石英玻璃圆棒，沿着轴向磨去一部分制作成粗糙的散射发光面，散射发光面平行于匀光棒的中心轴线,散射发光面采用宽度渐变发光面设计。在匀光棒一端注入LD发出的激光，另一端粘贴小反射镜(或镀反射膜)。LD激光器2和匀光棒都固定在底板上，压板用于固定匀光棒。遮光罩4将LD激光器2以及与匀光棒的连接处罩上，用于减小光源的漏光。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (4)

1.一种匀光棒条形光源，其特征在于，包括玻璃棒(1)和激光器(2)，所述玻璃棒(1)由一圆弧面和一平面组成，圆弧面的弧度大于180度，平面为等腰梯形，所述平面为粗糙散射面；

圆形玻璃棒(1)的一端设置有激光器(2)，所述激光器(2)的光束从圆形玻璃棒(1)的一个端面沿轴向射入，另一端的端面上贴设有反光条或涂有反光层；所述激光器(2)的光束经弧形面或另一端贴设的反光条或反光层反射后经粗糙散射面射出，激光器(2)设置在梯形面短边侧；

还包括矩形底板(3)、两块矩形压板(5)和遮光罩(4)；

矩形底板(3)的侧面沿长度方向开有矩形槽，所述矩形槽沿矩形底板(3)的中线开设，所述矩形槽用于安装圆形玻璃棒(1)，两块矩形压板(5)平行扣设在矩形底板(3)上，且两块矩形压板(5)之间留有缝隙，所述两块矩形压板(5)之间的缝隙与矩形槽中心线对应，圆形玻璃棒(1)的散射面与两块矩形压板(5)之间的缝隙对应，激光器(2)安装在矩形底板(3)的一端，遮光罩(4)套设在激光器(2)的外侧；

圆形玻璃棒(1)梯形面长边端d1磨削厚度h1＝0.1mm，梯形面短边端d2磨削厚度h2＝0.05mm。

2.根据权利要求1所述的一种匀光棒条形光源，其特征在于，遮光罩(4)的一端与两块矩形压板(5)的一端密闭连接。

3.根据权利要求2所述的一种匀光棒条形光源，其特征在于，激光器(2)采用LD激光器。

4.基于权利要求1至3中任意一种匀光棒条形光源的光学元件损伤检测装置，其特征在于，该装置包括相机，两个匀光棒条形光源分别沿待测器件的上端面和下端面设置，且匀光棒条形光源的粗糙散射面贴设在待测器件上，所述两个匀光棒条形光源的激光器(2)位于待测器件纵向中心轴的两侧；相机的图像采集面朝向待测元件设置。

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