CN101144906A - 靶面焦斑监测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于激光打靶的靶面焦斑监测装置，包括平行激光束发射光路、靶面成像光路、光轴对接系统和图像接收系统。所述的平行激光束发射光路用来发射模拟光束，靶面成像光路接收靶面焦斑发出的散射光从而对靶面成像，光轴对接系统实现本发明靶面焦斑监测装置的光轴和打靶光束的光轴的对接，图像接收系统用来接收靶面成像光路所成的靶面像并在监视器上显示出来，通过计算CCD摄像机接收到的靶面焦斑图像尺寸，可以精确测定靶面焦斑的实际尺寸。本发明装置既能够提供与实际打靶激光束口径相同的平行激光束，同时又可以以较高的放大倍率对靶点进行监测，以提高靶镜的调整精度，从而提高激光打靶的效率。

Description

靶面焦斑监测装置

技术领域

本发明涉及一种瞄靶系统，特别是一种为超短超快激光装置提供模拟光束、同时对靶面焦斑进行监测的装置。

背景技术

在超短超快激光装置中，激光束经靶镜聚焦后在靶面上形成一个焦斑，此焦斑的形状、尺寸及其在靶面的位置精度对于激光打靶的效率起着关键的作用，所以对靶镜的调校就显得十分重要。但是由于实际打靶的激光光束的发射时间很短，且功率很高，不能用作调校光学元件的参考光束。因此，打靶前一般都采用连续发射的模拟光束代替实际打靶光束作为参考光束来调校光学元件。

在先技术中，一般采用图1所示的结构的装置为超短超快激光装置提供模拟光束，并对靶面焦斑的尺寸与位置进行监测。由激光光源1发出的一束细的平行光束沿打靶光束的光轴导入靶室2，作为模拟光束，再经靶镜203聚焦到靶204上。由靶204表面所产生的散射光透过窗口玻璃205，由长焦距显微镜3接收成像并显示到监视器12上。

上述在先技术的缺点是：

1.提供的模拟光束口径远小于实际打靶光束，不能真实反映实际打靶光束经靶镜聚焦后的焦斑情况，因此不能以模拟光束来对靶镜相对于靶面的位置进行精密调整。

2.普通长焦距显微镜的放大倍率较小，焦深大，对靶面焦斑的尺寸与位置的测量精度低。

3.需要占用靶室上的观测窗口。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供一种靶面焦斑监测装置，该装置既能够提供与实际打靶激光束口径相同的平行激光束，同时又可以以较高的放大倍率对靶点进行监测，以提高靶镜的调整精度，从而提高激光打靶的效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于激光打靶的靶面焦斑监测装置，其特点是包括：

平行激光束发射光路，包括激光光源及沿该激光光源的出射光方向依次的反射镜、聚焦镜、分光棱镜和主物镜构成，所述的聚焦镜的焦点位于主物镜的焦面上；

靶面成像光路，出依次的主物镜、分光棱镜、由初级显微物镜和次级变倍显微物镜组成，所述的主物镜的焦点位于初级显微物镜9的物面上，初级显微物镜9的像平面与次级变倍显微物镜10的物面重合；

所述的平行激光束发射光路与靶面成像光路通过所述的分光棱镜实现共光路；

光轴对接系统，由第一反射镜和第二反射镜组成，所述的第一反射镜和第二反射镜都具有沿光轴移动、作俯仰与旋转运动的调节机构；

图像接收系统，包括CCD摄像机和监视器，所述的CCD摄像机位于所述的次级变倍显微物镜的像平面，所述的CCD摄像机的输出与所述的监视器相连。

所述的主物镜是一扩束准直透镜，其扩束后的通光口径等于待监测的激光打靶光束的口径。

本发明与在先技术相比，具有以下技术效果：

1、靶镜的调节精度高。该装置可以提供大口径的平行激光束，其口径与实际打靶光束口径相等，能够真实反映出打靶激光束经靶镜聚焦后靶面焦斑的形状、尺寸与位置情况，从而可提高靶镜的调节精度。

2、靶面焦斑形状、尺寸与位置的检测精度高。由于该装置具有较高的放大倍率，可以实现对靶面焦斑参数的精确监测。

3、光轴对接方便。光轴对接系统由第一反射镜和第二反射镜组成，两者的组合调节可以方便地实现模拟光束光轴和打靶光束光轴的对接。

4、结构紧凑。该装置采用一体化的设计，不占用靶室上的观测窗口。

附图说明

图1是在先技术采用细平行光束和长焦距显微镜瞄靶装置的结构示意图。

图2是本发明的靶面监控装置的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图2，图2是本发明的靶面焦斑监测装置的结构示意图。由图可以看出，本发明的靶面焦斑监测装置包括平行激光束发射光路、靶面成像光路、光轴对接系统和图像接收系统。所述的平行激光束发射光路用来发射模拟光束，靶面成像光路接收靶面焦斑发出的散射光从而对靶面成像，光轴对接系统实现本发明靶面焦斑监测装置的光轴和打靶光束的光轴的对接，图像接收系统用来接收靶面成像光路所成的靶面像并在监视器上显示出来，通过计算CCD摄像机接收到的靶面焦斑图像尺寸，可以精确测定靶面焦斑的实际尺寸。

所述的平行激光束发射光路，包括激光光源1及沿该激光光源1的出射光方向依次的反射镜4、聚焦镜5、分光棱镜6和主物镜7构成，所述的聚焦镜5的焦点位于主物镜7的焦面上；

所述的靶面成像光路，由依次的主物镜7、分光棱镜6、由初级显微物镜9和次级变倍显微物镜10组成，所述的主物镜7的焦点位于初级显微物镜9的物面上，初级显微物镜9的像平面与次级变倍显微物镜10的物面重合；

所述的平行激光束发射光路与靶面成像光路通过所述的分光棱镜6实现共光路；

所述的光轴对接系统8由第一反射镜801和第二反射镜802组成，所述的第一反射镜801和第二反射镜802都具有沿光轴移动、作俯仰与旋转运动的调节机构；利用两块反射镜的组合运动可以方便地实现本发明靶面焦斑监测装置的光轴和打靶激光光束的光轴对接。

所述的图像接收系统，包括CCD摄像机11和监视器12，所述的CCD摄像机11位于所述的次级变倍显微物镜10的像平面，所述的CCD摄像机11的输出与所述的监视器12相连。

所述的主物镜7是一扩束准直透镜，其扩束后的通光口径等于待监测的激光打靶光束的口径。

典型的靶室系统2包括窗口玻璃201、45°反射镜202、靶镜203和靶204。平行激光束发射光路发出的模拟光束依次经过窗口玻璃201和45°反射镜202后，由靶镜203聚焦到靶204上。由靶204表面所产生的后向散射光，经靶镜203、45°反射镜202、窗口玻璃201和光轴对接系统8后进入靶面成像光路，所成的靶面像由CCD摄像机11接收并显示在监视器12上。

本发明与在先技术相比，本发明的特点在于：

平行激光束发射光路提供的模拟光束的口径和打靶光束的口径相同；

由第一反射镜801和第二反射镜802组成光轴对接系统8，可以方便的实现模拟光束的光轴和打靶激光光束的光轴对接；

初级显微物镜9和次级变倍显微物镜10组成了两级放大系统；

通过计算CCD摄像机11接收到的靶面焦斑图像尺寸，可以精确测定靶面焦斑的实际尺寸，从而为靶镜203的调节提供依据；

平行激光束发射光路和靶面成像光路共光路。

所述的模拟光束由平行激光束发射光路提供。平行激光束发射光路由激光光源1、反射镜4、聚焦镜5、分光棱镜6和主物镜7等组成。激光光源1发出的细激光束经反射镜4偏转90°后由聚焦镜5聚焦，聚焦点位于主物镜7的焦面上，经主物镜7准直后变为口径和打靶光束口径相当的平行光束。当模拟光束的口径和打靶光束的口径相一致时，可模拟出打靶时的实际情况，提高靶镜的调节精度，从而提高打靶的效率。

所说的光轴对接系统8由第一反射镜801和第二反射镜802组成，两个反射镜可分别沿x轴方向和y轴方向一维移动，并均可作俯仰与旋转运动。通过调节第一反射镜801和第二反射镜802，可以在不整体移动本发明装置的情况下，实现模拟光束的光轴和打靶光束光轴的精确对接，从而大大提高了系统的可靠性和稳定性。

所说的两级放大系统由初级显微物镜9和次级变倍显微物镜10组成。由靶204表面所产生的后向散射光，经聚焦靶镜203、45°反射镜202、窗口玻璃201和光轴对接系统8后进入靶面成像光路，首先由主物镜7聚焦，焦点位于初级显微物镜9的物面上，由初级显微物镜9进行初级放大。经过初级放大后的像点位于次级变倍显微物镜10的物面上，由次级变倍显微物镜10进行二级放大。次级变倍显微物镜10可以在物像共轭距不变的情况下，对物点进行连续变倍率放大。在小放大倍率时，观测的视场较大，可以对靶镜进行粗调；在大放大倍率时，可以对靶镜进行更精确的调节。采用所说的两级放大系统可以在缩小系统体积的同时得到较高的放大倍率，从而获得高的靶面焦斑测量精度；而且由于采用了次级变倍显微物镜10，又可以兼顾视场，从而可提高靶镜的调节效率。

在先技术中，要想实时地观测到靶面焦斑的情况，必须在靶室上预留窗口，采用长焦距显微镜进行观测。本发明靶面焦斑监控装置的平行激光束发射光路和靶面成像光路实现了一体化，可以对靶面焦斑进行实时监控，同时又不占用其它资源。

本发明的靶面焦斑监测装置的工作过程为：激光光源1发出的细激光束经反射镜4后由聚焦镜5聚焦，再经主物镜7扩束准直，变为口径和打靶光束相当的平行光，然后由光轴对接系统8导入靶室系统2，经过窗口玻璃201和45°反射镜202后，由靶镜203聚焦到靶204上。由靶204表面所产生的后向散射光，经靶镜203、45°反射镜202、窗口玻璃201和光轴对接系统8后，首先由主物镜7聚焦，再由初级显微物镜9和次级变倍显微物镜10进行两级放大，所成的靶面像由CCD摄像机11接收并显示在监视器12上。如果靶镜的位置处在理想状态，则监视器12上的靶面焦斑图像为圆形或椭圆形，且其尺寸为最小。如果靶镜的位置与理想位置有偏差，则看到的靶面像为其它不规则形状，且其尺寸较大，这时可对靶镜进行调节，直到靶面焦斑像的形状为最好且尺寸为最小。由于靶镜203、主物镜7、初级显微物镜9和次级变倍显微物镜10的参数是已知的，通过计算CCD摄像机11接收到的靶面焦斑图像尺寸，可以精确测定靶面焦斑的实际尺寸，从而为靶镜203的调节提供依据。

靶203表面焦斑尺寸的测量方法是：设靶镜203的焦距为f₁’，主物镜7的焦距为f₂’，初级显微物镜9的放大倍率为β₁，次级变倍显微物镜10的放大倍率为β₂，则从靶204表面到CCD摄像机11的光学成像倍率为β＝(f₂’/f₁’)×β₁×β₂。如果CCD摄像机11接收到的靶面焦斑图像直径为D，则靶203表面焦斑的实际直径d可计算如下，d＝D/β。

本发明的最佳实施例的具体结构和参数如下：

实际打靶光束的波长为800nm。

靶镜203为离轴抛物面反射镜，其焦距f₁’＝480mm，通光口径为φ160mm。

激光光源1采用He-Ne激光器，波长为632.8nm，输出功率为5mW，光束口径为2mm。

主物镜7的焦距f₂’＝903.1mm，通光口径为φ160mm，设计时对波长632.8nm和800nm消色差。

分光棱镜6的透射面对632.8 nm波长镀增透膜，分光面对632.8nm波长镀半反半透膜。

第一反射镜801和第二反射镜802的工作面对632.8nm和800nm波长镀全反射膜，反射率大于98％。

窗口玻璃201对632.8nm波长镀增透膜。

45°反射镜202的反射面对800nm波长镀全反射膜，同时对632.8nm波长的透过率为90％；背面对632.8nm波长镀增透膜。

初级显微物镜9采用4x显微物镜头，即初级显微物镜9的放大倍率β₁＝4倍。

次级变倍显微物镜10的放大倍率β₂＝0.7x～4.5x，连续可调。

CCD摄像机11为1/3″黑白CCD摄像机，其靶面尺寸为4.8mm×3.6mm，像素尺寸为6.51μm×6.36μm。

由上述参数计算可知，从靶204表面到CCD摄像机11的光学成像倍率β＝5.26倍～33.86倍，所以对于靶204表面的视场范围为(0.14～0.91)mm×(0.11～0.68)mm，对于焦斑尺寸的测量分辨率为1.24μm～0.27μm。

采用本发明靶面焦斑监测装置作为调校工具，对通光口径为φ160mm、焦距为480mm的离轴抛物面靶镜进行了调节，在调节过程中，所接收到的靶面像能够非常精确地反映出实际打靶光束经靶镜聚焦后在靶面形成的焦斑的位置偏差，远高于在先技术的检测精度。

Claims (2)

1.一种用于激光打靶的靶面焦斑监测装置，其特征在于包括：

平行激光束发射光路，包括激光光源(1)及沿该激光光源(1)的出射光方向依次的反射镜(4)、聚焦镜(5)、分光棱镜(6)和主物镜(7)构成，所述的聚焦镜(5)的焦点位于主物镜(7)的焦面上；

靶面成像光路，由依次的主物镜(7)、分光棱镜(6)、由初级显微物镜(9)和次级变倍显微物镜(10)组成，所述的主物镜(7)的焦点位于初级显微物镜(9)的物面上，初级显微物镜(9)的像平面与次级变倍显微物镜(10)的物面重合；

所述的平行激光束发射光路与靶面成像光路通过所述的分光棱镜(6)实现共光路；

光轴对接系统(8)，由第一反射镜(801)和第二反射镜(802)组成，所述的第一反射镜(801)和第二反射镜(802)都具有沿光轴移动、作俯仰与旋转运动的调节机构；

图像接收系统，包括CCD摄像机(11)和监视器(12)，所述的CCD摄像机(11)位于所述的次级变倍显微物镜(10)的像平面，所述的CCD摄像机(11)的输出与所述的监视器(12)相连。

2.根据权利要求1所述的靶面焦斑监测装置，其特征在于所述的主物镜(7)是一扩束准直透镜，其扩束后的通光口径等于待监测的激光打靶光束的口径。

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