用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统

摘要

用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统，属于光学领域，本发明为解决目前国内对于光学元件损伤采用的检测方式大多为离线检测，难以满足检测要求的问题。本发明所述用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统，它包括前镜组、后镜组和CCD，前镜组的光轴、后镜组的光轴和CCD的光接收面的中心法线重合，前镜组由3块透镜组成，后镜组由3块胶合透镜组成，后镜组能够沿其光轴前后移动，CCD能够沿光轴前后移动，前镜组将入射光透射后出射至后镜组，后镜组的透射光入射至CCD的光接收面。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统，属于光学领域。

背景技术

随着高功率固体激光驱动器的建设光学元件损伤成为了人们必须面临的棘手间题。光 学元件损伤带来的危害引起了人们的极大程度上的重视，将光学元件损伤在线检测出来， 对改进光学元件的加工工艺、优化元件使用策略具有非常重要的意义。

研究表明，初始光学元件损伤尺寸较小、损伤点的面积份额较小，损伤增长的阈值和 速度较小，随着光学元件上高通量激光辐照的增多，损伤也逐渐增加，当损伤达到一定尺 寸和数量后，光学元件的损伤将急剧增长，最终将导致光学元件的彻底损坏。如果能够将 光学元件的损伤在早期检测出来，在元件损伤达到不可修复的程度前对其进行更换或修 复，将大大增加元件的实用寿命，节约大量的运行成本，并提高运行效率。

根据光学元件的使用状态，可分为离线检测和在线检测。离线检测需要将待检测的光 学元件从系统中卸载下来，进行测量和分析。离线方法检测效率低下、限制条件多等缺点。 在大型光学系统中，由于光学元件的数目巨大，传统的离线检测方法已经难以满足检测要 求。目前国内对于光学元件损伤采用的检测方式大多为离线检测。

发明内容

本发明目的是为了解决目前国内对于光学元件损伤采用的检测方式大多为离线检测， 难以满足检测要求的间题，提供了一种用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统。

本发明所述用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统，它包括前镜组、后镜组和 CCD，

前镜组的光轴、后镜组的光轴和CCD的光接收面的中心法线重合，

前镜组由3块透镜组成，后镜组由3块胶合透镜组成，后镜组能够沿其光轴前后移动， CCD能够沿光轴前后移动，

前镜组将入射光透射后出射至后镜组，后镜组的透射光入射至CCD的光接收面。

本发明的优点：本发明采用在线检测的方法对光学元件进行损伤检测，待检测的光学 元件不需要从系统中移出，可以通过在线检测系统对全部光学元件进行在线的检测及跟踪 监控。当某个元件的损伤达到极限尺寸时，将该元件替换下来并修复，从而可以减少光学 系统的损坏扩散的危险，可以提高元件的使用寿命，节约大量成本。

附图说明

图1是实施方式一所述用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统的结构示意图；

图2是采用本发明所述用于在线检测光学元件损伤的变焦距光学系统进行在线检测 的仿真图；

图3是实施方式二的结构示意图；

图4是图3剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于在线检 测光学元件损伤的变焦距光学系统，它包括前镜组1、后镜组2和CCD3，

前镜组1的光轴、后镜组2的光轴和CCD3的光接收面的中心法线重合，

前镜组1由3块透镜组成，后镜组2由3块胶合透镜组成，后镜组2能够沿其光轴前 后移动，CCD3能够沿光轴前后移动，

前镜组1将入射光透射后出射至后镜组2，后镜组2的透射光入射至CCD3的光接收 面，获取被测光学元件图像，CCD3获取的被测光学元件图像发送给计算机进行损伤分析。

该系统检测目标的范围1.5m-2.8m，可以检测光学元件的通光口径为310×310mm²， 检测出的损伤区域尺寸大小为60μm，学系统的分辨率优于180μm。

本发明的光学系统组成原理如图1所示，主要由两部分组成，分别为前镜组1和后镜 组2，其中前镜组1由3块透镜组成，工作时前镜组固定不动。后镜组2由3组胶合透镜 组成，工作时后针对不同工作距离(丛1.8m-80m)的检测目标后镜组2前后移动调焦， 实现对不同位置的光学元件的检测，后镜组2运动的同时，CCD3前后移动实现对焦使被 测目标成像清晰。

根据设计指标的要求，我们完成了光学系统的仿真设计，光路的仿真设计的结果如图 2所示。

传统的变焦距光学系统，焦距改变，必然使物像之间的倍率发生变化，同时还要求保 持像面位置不变，即物像之间的共轭距不变。

本检测光学系统设计要求不同，本系统要求被测目标的工作距变化，物像间共轭距发 生变化，但要求放大倍率基本保持不变。所以本系统与传统的变焦光学系统设计完全不同。 这是因为被测目标的成像口径基本一致，成像的接受面CCD3的像面大小确定，被测量 光学元件工作距从1.8m变化到2.8m，为保证成像表面大小不变，必须保证光学系统的放 大倍率基本不变，通过CCD3的调整，使被测量光学元件清晰成像在CCD3上。

在光学系统中，放大倍率β，焦距f′有如下关系，

$\beta =\frac{f^{\prime }}{x}$

其中x为光学系统前焦点到物体间的距离，由该公式可知，在物距发生变化的情况下， 可以通过调整焦距来保证系统放大倍率的恒定。在焦距的变化过程中，像距不可避免的随 着焦距的变化而发生变化，一般通过光学补偿或机械补偿的方法来减少或消除相面的移 动，两种补偿方法都将大大的增加光学系统的复杂度以及调焦的运动环节。因此，本发明 不对像面的移动进行补偿，而是通过一个精密的一维位移平台将CCD3的相面移动到相 对像面，从而实现对像距的调节。满足测量的要求。

整个光学系统照明波长有两种，分别是1050nm和808nm，可以实现对7块大口径 光学元件共14个位置面清晰成像，入射光线在进入被测光学元件之前是平行光，经过被 测光学元件之后变为会聚光，最终会聚到CCD3像面上。光学系统的横向分辨率：被测 量光学元件在2m处的光学分辨率优于180μm，1.8m～2.8m内尽量保持恒定倍率。

在测量过程中被测量光学元件的工作距从28mm变化到1.8mm，整个光学系统的等 效焦距从1700mm变化到90mm，放大倍率基本保持不变，放大倍率保持在0.03至0.045 之间。成像系统分辨率从170μm到80μm，CCD3选用日本AVT公司的PIKE 421B，该 相机像元尺寸7.4x7.4μm，像面尺寸为15mmx15mm，可以保证全像面进入检测市场，通 过改善照明的手段，可以实现60μm的分辨率。

具体实施方式二：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作 进一步说明，它还包括对焦平台4、调焦平台5和成像平台底座6，

CCD3固定设置在对焦平台4上，后镜组2和对焦平台4固定设置在调焦平台5上， 前镜组1和调焦平台5固定设置在成像平台底座6上。

根据光学系统仿真结果，完成了系统的光机系统的结构设计，设计结果如图3所示， 整个系统主要由前镜组1、后镜组2和CCD3、对焦平台4、调焦平台5和成像平台底座 6组成。前镜组1的光轴轴心线与后镜组2的光轴轴心线重合并与CCD3像面垂直并过其 中心。CCD3通过对焦平台4与后镜组2安装在调焦平台5上，调焦平台5与前镜组1固 定在成像平台底座6上。成像系统进行拍摄时，前镜组1固定，CCD3与后镜组2通过对 焦平台4进行相对运动，并作为一个整体通过调焦平台5与前镜组1进行相对运动，实现 对不同位置光学元件的在线检测。CCD3通过图像卡与总控计算机连接，将拍摄的光学元 件图像存储到短期数据库中，以便于进行后期图像处理，完成光学元件的在线损伤检测。

具体实施方式三：本实施方式对实施方式一作进一步说明，前镜组1由第一块透镜、 第二块透镜和第三块透镜组成，所述第一块透镜、第二块透镜和第三块透镜沿前镜组1 的光轴顺次排列，并且第三块透镜临近后镜组2，

第一块透镜为正弯月透镜，第二块透镜为负弯月透镜，第三块透镜为负弯月透镜，

前镜组1的总长为150mm～180mm，第一块透镜与第二块透镜之间的距离为 120mm～140mm，第二块透镜与第三块透镜之间的距离为8mm～30mm；

第一块透镜的口径为80mm～120mm，第二块透镜的口径为35mm～50mm，第三块透 镜的口径为35mm～50mm。

具体实施方式四：本实施方式对实施方式三作进一步说明，第一块透镜为采用K9材 质制成的透镜，第二块透镜为采用LAF3材质制成的透镜，第三块透镜为采用ZF6材质 制成的透镜。

具体实施方式五：本实施方式对实施方式一作进一步说明，后镜组2由第一块胶合透 镜、第二块胶合透镜和第三块胶合透镜组成，第一块胶合透镜、第二块胶合透镜和第三块 胶合透镜沿后镜组2的光轴顺次排列，并且第一块胶合透镜临近前镜组1，

后镜组2的总长为100mm～130mm，

第一块胶合透镜、第二块胶合透镜和第三块胶合透镜均为采用冷杉树脂胶将两块透镜 胶合固定制成的胶合透镜，

第一块胶合透镜和第二块胶合透镜之间的距离为5mm-20mm，

第二块胶合透镜和第三块胶合透镜之间的距离为5mm-20mm，

第一块胶合透镜和第二块胶合透镜的口径相同，均为22mm～30mm，

第三块胶合透镜的口径为15mm～20mm。

具体实施方式六：本实施方式对实施方式五作进一步说明，组成第一块胶合透镜、第 二块胶合透镜和第三块胶合透镜的六块透镜沿光轴依次为ZF6、ZF6、LAF5、ZF2、ZF3 和ZK6材质制成的透镜。

具体实施方式七：本实施方式对实施方式一作进一步说明，后镜组2沿光轴轴心线前 后移动，后镜组2的移动范围为60mm～180mm。

具体实施方式八：本实施方式对实施方式一作进一步说明，CCD3的移动范围为 15mm～28mm。