專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光系統(tǒng)光束控制領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的裝置。用于激光系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)精確改變激光束遠(yuǎn)距離聚焦位置。
背景技術(shù)：
在激光導(dǎo)星發(fā)射系統(tǒng)中，需根據(jù)指定的導(dǎo)星高度改變發(fā)射激光束聚焦高度，使激光束精確聚焦到指定高度，提高激光的功率密度，便于激光導(dǎo)星接收系統(tǒng)在指定高度獲得最強(qiáng)回光信號(hào)。目前，公知的激光束遠(yuǎn)距離聚焦調(diào)整裝置采用平移臺(tái)搭載激光擴(kuò)束器次鏡或主鏡在精密導(dǎo)軌上移動(dòng)，通過(guò)改變擴(kuò)束器主次鏡間隔改變激光束聚焦位置。調(diào)節(jié)前，需要利用輸入激光束以及擴(kuò)束器參數(shù)計(jì)算調(diào)焦曲線。調(diào)節(jié)時(shí)，利用調(diào)焦曲線根據(jù)指定的聚焦位置確定擴(kuò)束器主次鏡的間隔距離，然后移動(dòng)擴(kuò)束器次鏡或主鏡使擴(kuò)束器主次鏡的間隔距離滿足設(shè)定值。由于透鏡的加工誤差、裝調(diào)誤差以及精密導(dǎo)軌的定位誤差，激光束的實(shí)際聚焦位置與設(shè)定聚焦位置存在偏差，不能滿足遠(yuǎn)距離高精度聚焦的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服采用移動(dòng)激光擴(kuò)束器次鏡或主鏡實(shí)時(shí)改變激光束遠(yuǎn)距離聚焦位置過(guò)程中，由透鏡的加工誤差、裝調(diào)誤差以及精密導(dǎo)軌的定位誤差引起激光束遠(yuǎn)距離聚焦位置的偏離，本發(fā)明提供一種實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的裝置。本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置，其特點(diǎn)是:所述裝置包括調(diào)焦擴(kuò)束器、平面分光鏡、檢焦縮束器、哈特曼波前傳感器、基座、平移臺(tái)和導(dǎo)軌。調(diào)焦擴(kuò)束器由調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡和調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡組成。檢焦縮束器由檢焦縮束器主鏡和檢焦縮束器次鏡組成。哈特曼波前傳感器由哈特曼微透鏡陣列和CXD相機(jī)組成，哈特曼微透鏡陣列包括多個(gè)處于同一平面的微透鏡。調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡安裝在基座上，調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡安裝在平移臺(tái)上，平移臺(tái)通過(guò)導(dǎo)軌可沿調(diào)焦擴(kuò)束器光軸平移。平面分光鏡與調(diào)焦擴(kuò)束器光軸為45°角安裝在基座上。檢焦縮束器主鏡和次鏡安裝在基座上，檢焦縮束器主鏡與檢焦縮束器次鏡共焦。哈特曼微透鏡陣列和CCD相機(jī)安裝在基座上，CCD相機(jī)靶面位于哈特曼微透鏡陣列的焦面上。激光依次通過(guò)調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡、調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡，然后經(jīng)平面分光鏡分光，反射光發(fā)射出去，透射光依次通過(guò)檢焦縮束器主鏡、檢焦縮束器次鏡，最后經(jīng)哈特曼微透鏡陣列聚焦于CXD相機(jī)靶面。所述的平移臺(tái)的分辨率范圍為0.01 mm 0.1mm。所述的調(diào)焦擴(kuò)束器和檢焦縮束器同軸設(shè)置。需要改變激光束遠(yuǎn)距離聚焦位置時(shí)，平移臺(tái)搭載調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡沿調(diào)焦擴(kuò)束器光軸移動(dòng)，通過(guò)CCD相機(jī)接收到的哈特曼光斑圖像實(shí)時(shí)計(jì)算激光束的離焦量，根據(jù)離焦量的變化實(shí)時(shí)控制調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡的移動(dòng)方向和速度，當(dāng)監(jiān)控的離焦量與設(shè)定離焦量的偏差在允許范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡停止移動(dòng)，達(dá)到精確控制激光束遠(yuǎn)距離聚焦位置的目的。

本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置的檢焦方法，其基本原理是:平行光經(jīng)哈特曼微透鏡陣列后，其焦面上CCD相機(jī)獲得的哈特曼圖像上點(diǎn)陣間的距離正好為哈特曼微透鏡陣列的間距。如果是離焦的球面波入射，則CCD相機(jī)接收到的哈特曼圖像上點(diǎn)陣間的距離就會(huì)發(fā)生改變。匯聚的球面波會(huì)使哈特曼圖像上點(diǎn)陣間的距離減小，發(fā)散的球面波會(huì)使哈特曼圖像上點(diǎn)陣間的距離增大。通過(guò)計(jì)算哈特曼圖像上點(diǎn)陣間的平均距離與哈特曼微透鏡陣列的間距之差，便可以精確獲得激光束的離焦量。檢焦縮束器的目的是縮小光斑尺寸，增大光斑發(fā)散角，一方面便于哈特曼微透鏡陣列接收激光，另一方面可以提高離焦量的檢測(cè)精度。在激光導(dǎo)星發(fā)射系統(tǒng)中，采用本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置，利用檢焦縮束器、哈特曼微透鏡陣列與CCD相機(jī)組成的檢焦裝置能實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)射激光束的離焦量，通過(guò)檢測(cè)的離焦量控制平移臺(tái)搭載調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡沿調(diào)焦擴(kuò)束器光軸移動(dòng)，達(dá)到控制激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的目的。由于可以實(shí)時(shí)精確檢測(cè)激光束的離焦量，因此使用本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置改變激光束聚焦位置時(shí)，無(wú)需事先計(jì)算調(diào)焦曲線，而且能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離精確聚焦。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，適合在遠(yuǎn)距離高精度激光調(diào)焦系統(tǒng)中應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置中哈特曼波前傳感器檢焦原理示意 圖3是本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置中檢焦縮束器改變發(fā)射激光束焦距示意
圖中:1.調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡 2.調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡 3.平面分光鏡 4.檢焦縮束器主鏡 5.檢焦縮束器 次鏡 6.哈特曼微透鏡陣列 7.CCD相機(jī) 8.平移臺(tái) 9.導(dǎo)軌 10.基座。
具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1是本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置結(jié)構(gòu)示意圖，在圖1中，本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置包括調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡1、調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡2、平面分光鏡3、檢焦縮束器主鏡4、檢焦縮束器次鏡5、哈特曼微透鏡陣列6、(XD相機(jī)7、平移臺(tái)8、導(dǎo)軌9和基座10。調(diào)焦擴(kuò)束器由調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡2和調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡I組成。檢焦縮束器由檢焦縮束器主鏡4和檢焦縮束器次鏡5組成。哈特曼波前傳感器由哈特曼微透鏡陣列6和CXD相機(jī)7組成，哈特曼微透鏡陣列6包括多個(gè)處于同一平面的微透鏡。調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡2、平面分光鏡3、檢焦縮束器主鏡4、檢焦縮束器次鏡5、哈特曼微透鏡陣列6、CCD相機(jī)7依次安裝在基座10上，調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡I安裝在平移臺(tái)8上，平移臺(tái)8設(shè)置在導(dǎo)軌9上，導(dǎo)軌9同調(diào)焦擴(kuò)束器的光軸平行設(shè)置。平面分光鏡3與調(diào)焦擴(kuò)束器光軸為45°角設(shè)置。檢焦縮束器主鏡4與檢焦縮束器次鏡5共焦。CCD相機(jī)7的靶面位于哈特曼微透鏡陣列6的焦面上。調(diào)焦擴(kuò)束器的光軸與檢焦縮束器的光軸同軸設(shè)置。利用CCD相機(jī)7實(shí)時(shí)采集的哈特曼圖像精確計(jì)算發(fā)射激光束的離焦量，根據(jù)離焦量的變化控制平移臺(tái)8搭載調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡I沿調(diào)焦擴(kuò)束器光軸移動(dòng)，改變調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡I和調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡2之間的距離來(lái)精確調(diào)整激光束聚焦位置。
圖2是本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置中哈特曼波前傳感器檢焦原理示意圖，在圖2中，CXD靶面位于微透鏡陣列的焦面上，微透鏡陣列的焦距為/ ,微透鏡陣列的間距為D ,假設(shè)入射的激光束為匯聚的球面波，B.為焦距。選取了任意兩個(gè)相鄰微透鏡I 601和微透鏡II 602作為分析對(duì)象，過(guò)微透鏡I 601、微透鏡II 602中心的光束分別在C⑶靶面上形成像點(diǎn)。經(jīng)微透鏡I 601中心作過(guò)微透鏡II 602中心光束的平行線，容易看到圖中的表示微透鏡I 601、微透鏡II 602像點(diǎn)的距離與微透鏡陣列間距之差。考慮遠(yuǎn)距離聚焦情況，D/i 很小，所以P角很小，式成立，近似有R=J-DiM。通過(guò)計(jì)算CXD相機(jī)獲得的哈特曼圖像上點(diǎn)陣間的平均間距與微透鏡陣列間距之差來(lái)精確檢測(cè)發(fā)射激光束的離焦量。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)的離焦量控制調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)激光束的遠(yuǎn)距離精確聚焦。圖3是本發(fā)明的激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦裝置中檢焦縮束器改變發(fā)射激光束焦距示意圖，在圖3中，入射激光束在檢焦縮束器主鏡4前的光斑半徑為i，發(fā)散角為“。激光束經(jīng)過(guò)檢焦縮束器在檢焦縮束器次鏡5后的光斑半徑為_:發(fā)散角為P。設(shè)M為檢焦縮束器的縮束倍率，則有式B^AiM , β=Μ.α,從圖中容易看到，檢焦縮束器前入射激光束的焦距F1 = Afiga，檢焦縮束器后出射激光束的焦距F2 = Bitgp ,發(fā)散角很小，近似有F1 =巧/M2,可以看到激光·束通過(guò)檢焦縮束器后焦距變?yōu)樵瓉?lái)的1/Μ2。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的裝置，其特征在于:所述裝置包括調(diào)焦擴(kuò)束器、平面分光鏡(3)、檢焦縮束器、哈特曼波前傳感器、基座(10)、平移臺(tái)(8)、導(dǎo)軌(9);調(diào)焦擴(kuò)束器由調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡(2 )和調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡(I)組成；檢焦縮束器由檢焦縮束器主鏡(4 )和檢焦縮束器次鏡(5)組成；哈特曼波前傳感器由哈特曼微透鏡陣列(6)和CXD相機(jī)(7)組成，哈特曼微透鏡陣列包括多個(gè)處于同一平面的微透鏡；調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡(I)安裝在平移臺(tái)(8)上，平移臺(tái)(8)通過(guò)導(dǎo)軌(9)沿調(diào)焦擴(kuò)束器光軸平移；調(diào)焦擴(kuò)束器主鏡(2)、平面分光鏡(3)、檢焦縮束器主鏡(4)、檢焦縮束器次鏡(5)、哈特曼微透鏡陣列(6)、C⑶相機(jī)(7)依次安裝在基座(10)上；平面分光鏡(3)與調(diào)焦擴(kuò)束器光軸為45°角設(shè)置；檢焦縮束器主鏡(4)與檢焦縮束器次鏡(5)共焦設(shè)置；C⑶相機(jī)(7)的靶面位于哈特曼微透鏡陣列(6)的焦面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的裝置，其特征在于:所述的調(diào)焦擴(kuò)束器和檢焦縮束器同光軸設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的裝置，其特征在于:所述的平移臺(tái)(8)的分辨率小于0.01 mm· 0.1mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的裝置，所述裝置包括調(diào)焦裝置、檢焦裝置兩個(gè)部分。利用由檢焦縮束器、哈特曼微透鏡陣列與CCD相機(jī)組成的檢焦裝置能實(shí)時(shí)精確檢測(cè)發(fā)射激光束的離焦量，通過(guò)檢測(cè)的離焦量控制平移臺(tái)搭載調(diào)焦擴(kuò)束器次鏡沿調(diào)焦擴(kuò)束器光軸移動(dòng)，達(dá)到控制激光束遠(yuǎn)距離精確聚焦的目的。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聚焦精度高，無(wú)需事先計(jì)算調(diào)焦曲線，使用方便，適合在遠(yuǎn)距離高精度激光調(diào)焦系統(tǒng)中應(yīng)用。
文檔編號(hào)G02B7/28GK103246065SQ20131018364
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月17日
發(fā)明者彭博, 陳天江, 顏洪, 雒仲祥, 王 鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所