CN112197940B - 一种单光路精确测量近远场基准与准直装置 - Google Patents

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Abstract

一种单光路精确测量近远场基准与准直装置。在本发明中光路采用镀膜不同的双透镜，通过第一透镜内光的透射与反射，之后的光再通过第二透镜，分别可以在光路后的高分辨率CCD中呈现精确的近场(经过双透镜后缩小的图像)和远场(无穷远处聚焦)的光斑图像。而此时的近场和远场图像呈现在了同一幅图像之中。该装置较传统准直基准装置来说，结构简单，且准直结果同样精确，并且易于实现。通过此方法准直激光的光路，可以简化准直***的设计方案，通过单一CCD便可以同时采集光路中精确的近远场图像，以此来达到快速准直光路的目的。

Description

一种单光路精确测量近远场基准与准直装置
技术领域
本发明涉及激光光路的自动准直以及近远场的精确测量，特别是一种单光路精确测量近远场基准与准直装置。
背景技术
在激光***中，往往需要输出的激光光束方向指向性较好，因此相应采用高精度计算机来控制的大型光路准直***应运而生。在使用前我们需要对光路进行准直，又因***的整体空间是固定的，随着元器件的数量的不断增多，留给准直***的空间便相对减少，由于传统的近远场分离式准直***，结构复杂，器件要求多，以往的复杂多器件自动准直***不再满足需求，因此迫切的需要模块化和复杂度较低的准直***来提高大型激光***的准直速度和效率。
发明内容
本发明的目的是基于现有技术中存在的上述问题，提供一种单光路精确测量近远场基准与准直装置，该装置为大型激光光路准直***提供了一种复杂度较低，准直效率较高的理想选择。
本发明的技术解决方案如下：
一种单光路精确测量近远场基准与准直装置，其特征在于包括下列步骤：
①该装置包括沿待准直光输入方向依次排列的，第一透镜(在透镜两侧镀半透半反膜)、第二透镜(在透镜两侧镀高透膜)、CCD。
②所述的第二透镜位于第一透镜像方焦点之后，且两透镜共焦(第一透镜的焦距大于第二透镜的焦距)，即第一透镜的像方焦点与第二透镜的物方焦点重合，所述的第二透镜的像方焦点位于CCD的像面之上，所述的第一透镜和第二透镜的光轴与CCD像面的法线平行。
③所述的第一透镜与第二透镜共光轴，且所述的CCD的像面中心位置位于第一透镜与第二透镜的光轴之上。
本发明单光路精确测量近远场基准与准直装置的双透镜共光轴，其光轴所确定的直线即为装置的基准。当光束的近场光斑图像和远场光斑图像的质心点与基准点重合，再通过半径对比和椭圆拟合后的长短轴插值法微调即可实现光路的自动准直。
对与激光***准直过程中光束近场中心的识别，可以通过轮廓边缘检测并求取质心位置与基准的插值来识别与调节光路；对于光束的远场中心来说，其位于近场光斑图像内，由于在此区域同时内叠加了近场光斑与远场光斑，此时远场光斑的图像强度会很高，易于探测，通过图像处理，过滤近场边缘提取远场图像，检测其边缘轮廓并通过质心位置与基准的偏差来达到远场光路的准直。
本发明的优点：
1、本发明能够通过单一CCD同时精确测量激光光斑的近远场图像并以此来准直。
2、本发明相比较传统的准直***来说能够快速有效的实现光路的自动准直。
3、本发明相比较传统准***来说采用元器件数较少，结构更简单，更适合大型激光装置的基准检测与准直。
附图说明
图1为本发明一种单光路精确测量近远场基准与准直装置原理图。
图中：
1-第一透镜(在透镜两侧镀半透半反膜)；
2-第二透镜(在透镜两侧镀高透膜)；
3-CCD；
4-计算机
图2:第一透镜(在透镜两侧镀半透半反膜)参数详解
图3：为探测到同时含有近场与远场光斑的图像示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明一种单光路精确测量近远场基准与准直装置示意图，由图所示，本发明由沿待准直光输入方向依次排列的，第一透镜(在透镜两侧镀半透半反膜)、第二透镜(在透镜两侧镀高透膜)、CCD构成。图2是CCD探测到待准直的同时含有近场(XN，YN)与远场光斑(XF，YF)的图像示意图。我们以此例分析。
对于近场光斑来说，第一透镜的焦距为f1，第二透镜的焦距为f2；且f1>f2，成近场像的平行光束沿图中实线先经过第一透镜汇聚于第一透镜的像方焦点F1，因为第一透镜与第二透镜共焦，所以F1同时又为第二透镜的物方焦点，所以从光束F1点发出的光，经过第二透镜会平行射出，此时呈现在CCD上的像即为近场光斑的图像。
对于远场光斑来说，待准直的光束通过第一透镜时，部分光会在出射面反射再次通过第一透镜，并在入射面再次反射，最后折射射出透镜成为平行光束，此步相当于通过两个相同的透镜；在此之后，通过第二透镜将平行光束汇聚的CCD像面上，此时第二透镜汇聚的焦点图像即为远场光斑图像。
根据几何光学传输矩阵知识，先预设第一透镜的待准直光入射侧曲率半径为R1，出射侧折射率为R2，透镜1的折射率为n2，空气折射率为n1。
近场光束传输矩阵：
Figure BDA0002681980910000031
化简后得：
Figure BDA0002681980910000032
根据光线的
Figure BDA0002681980910000033
传输矩阵来说当B＝0时满足像传递，可以认为此时的像即为近场光斑的图像。
远场光束传输矩阵：
Figure BDA0002681980910000034
化简后得：
Figure BDA0002681980910000035
根据光学的几何关系和光学的
Figure BDA0002681980910000036
传输矩阵来分析，远场光斑是会聚到焦点成像，其在CCD相机中心点即焦点成像的像高为0，因此需要满足A＝0，即
Figure BDA0002681980910000037
此时，设参数
Figure BDA0002681980910000038
化简后得，需要满足
Figure BDA0002681980910000039
所以将其带入得远场传输矩阵为
Figure BDA00026819809100000310
设入射的光束矩阵为
Figure BDA00026819809100000311
CCD探测到待准直的图像中，近场光斑中心坐标为(XN，YN)，远场中心坐标光斑为(XF，YF)，CCD的中心基准坐标为(0，0),通过带入近远场传输矩阵计算可以得到：
Figure BDA0002681980910000041
Figure BDA0002681980910000042
通过上面两式，可以反解出入射光束矩阵
Figure BDA0002681980910000043
Figure BDA0002681980910000044
Figure BDA0002681980910000045
以此参数为根据，可以通过控制准直电镜来将待准直光束调整目标方向
Figure BDA0002681980910000046
即CCD中心基准坐标为(0，0)位置，使得近场光束与远场光束与基准重合实现准直。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单光路精确测量近远场基准与准直装置，其特征在于，包括沿待准直光输入方向依次放置的第一透镜(1)、第二透镜(2)和CCD(3)；所述的第二透镜(2)位于第一透镜(1)像方焦点之后，且两透镜共焦，所述的第二透镜(2)的焦点位于CCD(3)的像面之上，所述的第一透镜(1)和第二透镜(2)的光轴与CCD(3)像面的法线平行；
所述的第一透镜(1)的两侧镀有半透半反膜，所述的第二透镜(2)的两侧镀有高透膜。
2.根据权利要求1所述的单光路精确测量近远场基准与准直装置，其特征在于，所述的第一透镜(1)的焦距大于第二透镜(2)的焦距，即所述的第一透镜(1)的像方焦点与第二透镜(2)的物方焦点重合。
3.根据权利要求1所述的单光路精确测量近远场基准与准直装置，其特征在于，所述的半透半反膜其折射率T与反射率R均为50％，所述的高透膜是透过率R>98.5％的透射膜。
4.根据权利要求1-3任一所述的单光路精确测量近远场基准与准直装置，其特征在于，所述的第一透镜(1)的待准直光入射侧曲率半径为R1，折射率为n2，空气折射率为n1，该第一透镜(1)的出射侧折射率为R2满足如下公式：
Figure FDA0002681980900000011
式中，
Figure FDA0002681980900000012
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