一种实现激光束远距离精确聚焦的装置

摘要

本发明提供了一种实现激光束远距离精确聚焦的装置，所述装置包括调焦装置、检焦装置两个部分。利用由检焦缩束器、哈特曼微透镜阵列与CCD相机组成的检焦装置能实时精确检测发射激光束的离焦量，通过检测的离焦量控制平移台搭载调焦扩束器次镜沿调焦扩束器光轴移动，达到控制激光束远距离精确聚焦的目的。本发明的装置结构简单，聚焦精度高，无需事先计算调焦曲线，使用方便，适合在远距离高精度激光调焦系统中应用。

说明书

技术领域

本发明属于激光系统光束控制领域，具体涉及一种实现激光束远距离精确聚焦的装置。用于激光系统中，实时精确改变激光束远距离聚焦位置。

背景技术

在激光导星发射系统中，需根据指定的导星高度改变发射激光束聚焦高度，使激光束精确聚焦到指定高度，提高激光的功率密度，便于激光导星接收系统在指定高度获得最强回光信号。目前，公知的激光束远距离聚焦调整装置采用平移台搭载激光扩束器次镜或主镜在精密导轨上移动，通过改变扩束器主次镜间隔改变激光束聚焦位置。调节前，需要利用输入激光束以及扩束器参数计算调焦曲线。调节时，利用调焦曲线根据指定的聚焦位置确定扩束器主次镜的间隔距离，然后移动扩束器次镜或主镜使扩束器主次镜的间隔距离满足设定值。由于透镜的加工误差、装调误差以及精密导轨的定位误差，激光束的实际聚焦位置与设定聚焦位置存在偏差，不能满足远距离高精度聚焦的应用需求。

发明内容

为了克服采用移动激光扩束器次镜或主镜实时改变激光束远距离聚焦位置过程中，由透镜的加工误差、装调误差以及精密导轨的定位误差引起激光束远距离聚焦位置的偏离，本发明提供一种实现激光束远距离精确聚焦的装置。

本发明的激光束远距离精确聚焦装置，其特点是：所述装置包括调焦扩束器、平面分光镜、检焦缩束器、哈特曼波前传感器、基座、平移台和导轨。调焦扩束器由调焦扩束器主镜和调焦扩束器次镜组成。检焦缩束器由检焦缩束器主镜和检焦缩束器次镜组成。哈特曼波前传感器由哈特曼微透镜阵列和CCD相机组成，哈特曼微透镜阵列包括多个处于同一平面的微透镜。调焦扩束器主镜安装在基座上，调焦扩束器次镜安装在平移台上，平移台通过导轨可沿调焦扩束器光轴平移。平面分光镜与调焦扩束器光轴为45°角安装在基座上。检焦缩束器主镜和次镜安装在基座上，检焦缩束器主镜与检焦缩束器次镜共焦。哈特曼微透镜阵列和CCD相机安装在基座上，CCD相机靶面位于哈特曼微透镜阵列的焦面上。激光依次通过调焦扩束器次镜、调焦扩束器主镜，然后经平面分光镜分光，反射光发射出去，透射光依次通过检焦缩束器主镜、检焦缩束器次镜，最后经哈特曼微透镜阵列聚焦于CCD相机靶面。

所述的平移台的分辨率范围为0.01 mm～0.1mm。

所述的调焦扩束器和检焦缩束器同轴设置。

需要改变激光束远距离聚焦位置时，平移台搭载调焦扩束器次镜沿调焦扩束器光轴移动，通过CCD相机接收到的哈特曼光斑图像实时计算激光束的离焦量，根据离焦量的变化实时控制调焦扩束器次镜的移动方向和速度，当监控的离焦量与设定离焦量的偏差在允许范围内时，调焦扩束器次镜停止移动，达到精确控制激光束远距离聚焦位置的目的。

本发明的激光束远距离精确聚焦装置的检焦方法，其基本原理是：平行光经哈特曼微透镜阵列后，其焦面上CCD相机获得的哈特曼图像上点阵间的距离正好为哈特曼微透镜阵列的间距。如果是离焦的球面波入射，则CCD相机接收到的哈特曼图像上点阵间的距离就会发生改变。汇聚的球面波会使哈特曼图像上点阵间的距离减小，发散的球面波会使哈特曼图像上点阵间的距离增大。通过计算哈特曼图像上点阵间的平均距离与哈特曼微透镜阵列的间距之差，便可以精确获得激光束的离焦量。检焦缩束器的目的是缩小光斑尺寸，增大光斑发散角，一方面便于哈特曼微透镜阵列接收激光，另一方面可以提高离焦量的检测精度。

在激光导星发射系统中，采用本发明的激光束远距离精确聚焦装置，利用检焦缩束器、哈特曼微透镜阵列与CCD相机组成的检焦装置能实时检测发射激光束的离焦量，通过检测的离焦量控制平移台搭载调焦扩束器次镜沿调焦扩束器光轴移动，达到控制激光束远距离精确聚焦的目的。由于可以实时精确检测激光束的离焦量，因此使用本发明的激光束远距离精确聚焦装置改变激光束聚焦位置时，无需事先计算调焦曲线，而且能实现远距离精确聚焦。本发明的装置结构简单、使用方便，适合在远距离高精度激光调焦系统中应用。

附图说明

图1是本发明的激光束远距离精确聚焦装置结构示意图；

图2是本发明的激光束远距离精确聚焦装置中哈特曼波前传感器检焦原理示意图；

图3是本发明的激光束远距离精确聚焦装置中检焦缩束器改变发射激光束焦距示意图；

图中：1.调焦扩束器次镜    2.调焦扩束器主镜     3.平面分光镜     4.检焦缩束器主镜     5.检焦缩束器次镜     6.哈特曼微透镜阵列     7.CCD相机     8.平移台     9.导轨     10.基座。

具体实施方式   

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的激光束远距离精确聚焦装置结构示意图，在图1中，本发明的激光束远距离精确聚焦装置包括调焦扩束器次镜1、调焦扩束器主镜2、平面分光镜3、检焦缩束器主镜4、检焦缩束器次镜5、哈特曼微透镜阵列6、CCD相机7、平移台8、导轨9和基座10。调焦扩束器由调焦扩束器主镜2和调焦扩束器次镜1组成。检焦缩束器由检焦缩束器主镜4和检焦缩束器次镜5组成。哈特曼波前传感器由哈特曼微透镜阵列6和CCD相机7组成，哈特曼微透镜阵列6包括多个处于同一平面的微透镜。调焦扩束器主镜2、平面分光镜3、检焦缩束器主镜4、检焦缩束器次镜5、哈特曼微透镜阵列6、CCD相机7依次安装在基座10上，调焦扩束器次镜1安装在平移台8上，平移台8设置在导轨9上，导轨9同调焦扩束器的光轴平行设置。平面分光镜3与调焦扩束器光轴为45°角设置。检焦缩束器主镜4与检焦缩束器次镜5共焦。CCD相机7的靶面位于哈特曼微透镜阵列6的焦面上。调焦扩束器的光轴与检焦缩束器的光轴同轴设置。利用CCD相机7实时采集的哈特曼图像精确计算发射激光束的离焦量，根据离焦量的变化控制平移台8搭载调焦扩束器次镜1沿调焦扩束器光轴移动，改变调焦扩束器次镜1和调焦扩束器主镜2之间的距离来精确调整激光束聚焦位置。

图2是本发明的激光束远距离精确聚焦装置中哈特曼波前传感器检焦原理示意图，在图2中，CCD靶面位于微透镜阵列的焦面上，微透镜阵列的焦距为                                                ，微透镜阵列的间距为，假设入射的激光束为汇聚的球面波，为焦距。选取了任意两个相邻微透镜Ⅰ601和微透镜Ⅱ602作为分析对象，过微透镜Ⅰ601、微透镜Ⅱ602中心的光束分别在CCD靶面上形成像点。经微透镜Ⅰ601中心作过微透镜Ⅱ602中心光束的平行线，容易看到图中的表示微透镜Ⅰ601、微透镜Ⅱ602像点的距离与微透镜阵列间距之差。考虑远距离聚焦情况，很小，所以角很小，式成立，近似有。通过计算CCD相机获得的哈特曼图像上点阵间的平均间距与微透镜阵列间距之差来精确检测发射激光束的离焦量。通过实时检测的离焦量控制调焦扩束器次镜的移动，实现激光束的远距离精确聚焦。

图3是本发明的激光束远距离精确聚焦装置中检焦缩束器改变发射激光束焦距示意图，在图3中，入射激光束在检焦缩束器主镜4前的光斑半径为，发散角为。激光束经过检焦缩束器在检焦缩束器次镜5后的光斑半径为，发散角为。设为检焦缩束器的缩束倍率，则有式，，从图中容易看到，检焦缩束器前入射激光束的焦距，检焦缩束器后出射激光束的焦距，发散角很小，近似有，可以看到激光束通过检焦缩束器后焦距变为原来的。