专利名称：激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光电检测领域，特别涉及到一种激光合束系统中各激光器装调与合束激光光路中各器件装调中微小位置差与角度差的同步检测系统。
背景技术：
将多束激光通过反射或透射的方式进行合束是当前激光应用领域中一种常见的使用方式。常见的合束技术主要有两种，一种是通过将相同波段、相同功率的激光器模块通过合束技术将总功率提高。另一种是将不同波段、不同功率，甚至不同发散角的激光器输出的激光合成为一束，进行综合应用。不管是哪一种应用形式，在进行光束合束高精度装调时需要通过一定的手段对各束激光的相对偏差进行检测。由于光束的直线传输特性，在合束激光中各光器输出的激光束若存在微小的位置差，在激光发射几米范围内的短程位置和在几十公里的远处的远程位置处不同激光束间的位置偏差造成的激光束光斑位置会保持不变。但是若合束激光中各激光器输出的激光束在出口位置处存在微小角度差，则激光束照射在几十公里的远处由于激光束间角度差造成的激光光斑位置偏差则会存在放大现象，因为角度偏差造成的光斑位置差与光束的传播距离成正比。在激光合束系统装调过程中需要以减少不同激光束之间的角度偏差为主，而各激光束间存在的小位置差由于不存在随传播距离增加而放大的效应可以不进行调整。为了提高本发明的通用性，本发明中将以不同波段激光器进行激光合束为应用背景进行说明。传统的激光合束装调方式为通过远距离实光标校检测激光束的角度差，这种方式的优点是效果直接，由于合束激光束在出口位置处的小位置差不会随距离的增加而增大，远场处激光束角度差造成的光斑位置差比原始激光束位置差形成的光斑位置差要大得多，因此小原始位置差并不能对装调造成干扰，可以直接认为远场处的激光位置偏差全部是由激光束的角度偏差造成的。但这种原始的检测方式需要大量的人力物力进行配合，效率非常低。因此当前出现了一些以激光探测器对激光束位置进行检测的检测手段，这些手段普遍采用的方法是通过在合束激光出口处近距离激光束成像探测的方式进行激光束角差测量，但这种近距离单点测量方式的主要问题是无法区分合束激光中各激光束间存在的微小位置差和角度差。由于系统出光口近距离位置检测各激光束间的角度差和位置差，光程较短激光束间的角度差造成的光斑位置差很微小(无法像远距离实光标校检测方法那样忽略合束激光间的原始位置差)，通过这种方式测得的激光束照射位置偏差将位差与角差混在一起，无法进行有效区分。利用这种检测手段得到的激光束光斑位置差换算得到的激光原始角度差值进行精细装调后激光束仍有可能在几十公里的远处存在较大光斑位置差值(不考虑激光束原始位置差造成的激光光斑位置差时)。因此采用这种近距离单点检测的方式进行光束角度检测，并以此为基准进行装调的方案往往要辅助一定的远距离实光标校进行校验。这种检测方式能够在一定程度上简化这种多激光器合束光路的装调工作，但并不能完全代替传统的实光标校检测方案，所以需要对上述检测方式进行改进。

发明内容
本发明的目的在于提出一种，通过近距离(合束激光束出口位置处)两点检测的方式对激光合束发射光路中不同激光器发出的激光束间微小位置差与角度差进行同步检测的方案，有效区分原始激光束间存在的微小位置差和微小角度差，从而在系统精密装调过程中剔除激光束原始位置差造成的激光束光斑位置差影响，解决现有检测技术中存在的不足。激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统，包括合束激光、激光束整形镜组、衰减片镜组、分光镜、远场激光束、近场激光束、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、反射透射镜、光束分流镜组、激光探测器和安装外壳；合束激光经过激光合束整形镜组，将光束整形成小光斑准直光束，通过衰减片镜组的旋转并根据出射激光的波段与功率密度实时选择具有合适衰减倍率的衰减片进行功率衰减，激光束通过半反半透分光镜分为近场激光束和远场激光束两束，近场激光束直接经过光束分流镜组和反射透射镜入射到激光探测器中，而远场激光束则通过第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜及反射透射镜的反射后在形式上与近场激光合成为一束后入射至激光探测器中。本发明的有益效果是与现有技术相比，本发明采用近距离两点检测的方式确定合束激光中各激光束的小位置差和小角度差。将合束激光I通过分光镜4分成远场5和近场6两束激光，再利用合束的方式将两束激光入射至同一激光探测器13中。本发明极大地减小了系统的体积，同时利用单一激光探测器进行探测能够极大地降低成本与测量误差，并提高检测精度。这种近距离两点测量的方案能够通过对比在近场位置处各束激光照射形成的激光光斑位置图与远场位置处各束激光照射形成的激光光斑位置图确定各激光束间是否存在位置差和角度差，同时能够对其进行计算反演得到各激光束间的位置与角度差值。在精密装调中仅根据角度差进行精密装调，这样由于剔除了原始激光位置差造成的影响在近距离条件下得到的较好装调结果经过远距离放大后效果仍会较好。因此这种检测方案能够完全代替传统的复杂的远场实光标校式检测方式，同时能够弥补近距离单点合束激光检测中无法有效区分各激光束位置差与角度差的不足。与传统的远距离实光标校式检测方式相比这种检测方法能够极大地降低成本、减少人力物力的消耗、提高效率。与单点合束激光近距离检测方案相比这种检测方法则能够一次性将各激光束的微小角度差与位置差检测出来，解决了单点检测方式下需要外场实光标校验证，且验证后若存在偏差则需要做进一步装调再反复验证的问题。这种两点式检测与装调方案完全能够在实验室中进行，极大地方便了设备出厂前精密装调操作。这种方案采用通用接口且具备调焦功能，能够适应中小功率合束型光电系统的合束精度与光路传递精度的精密检测。


图1为本发明中总体光路传递示意图；图2为本发明中总体结构系统的剖面图；图3为本发明中衰减片镜组结构示意图；图4为本发明中光束分流镜组结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。参见附图1、附图2、附图3和附图4，本发明的激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统包括激光束1、整形镜组2、衰减片镜组3、分光镜4、第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10、反射透射镜11、光束分流镜组12、激光探测器13和安装外壳14。合束激光I经过激光合束整形镜组2，将光束整形成小光斑准直光束，通过衰减片镜组3的旋转并根据出射激光的波段与功率密度实时选择对应衰减倍率的衰减片进行功率衰减，激光束通过半反半透分光镜4分为近场激光束6和远场激光束5两束，近场激光束6直接经过光束分流镜组12和反射透射镜11入射到激光探测器13中，而远场激光束5则通过第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10及反射透射镜11的反射后与近场激光6合成为一束后入射至激光探测器13中。由于远场激光束与近场激光束的光程差越大检测后远近两幅图像上各激光束照射形成的光斑位置相对偏差越大，因此为了有效地放大合束激光I中各束激光的原始角差与位差，远场激光束5要经过多重反射后才进入激光探测器13中。在这个过程中通过光束分流镜组12的旋转实现近场激光束6入射时遮挡远场激光束5或远场激光束5入射时遮挡近场激光束6。具体实施过程如下(以红外短、中、长波段三光合束为例进行说明)首先以532nm激光为指示光对本发明所述的检测系统进行精密装调，当532nm激光垂直入射至系统激光整形镜组，调整系统中各反射镜使该激光束以近场光束的方式入射和以远场光束入射时在探测器上形成的光斑为一个点，同时调整各分系统满足系统使用要求。然后将封装好的检测系统架设至三光合束系统的出光口位置上。分别发射红外短、中、长波段的三束激光，通过光束分流镜组12的旋转使各激光束的近场激光通过光路而阻断远场激光，这样在激光探测器上会形成三个波段激光束的光斑位置点，记录具有此三点位置的激光光斑图像，定义此图像为近场激光光斑位置图。然后分别发射红外短、中、长波段的三束激光，通过光束分流镜组12的旋转使各激光束的远场激光通过光路而阻断近场激光，这样在激光探测器上会形成三个波段激光束的光斑位置点，记录具有此三点位置的激光光斑图像，定义此图像为远场激光光斑位置图。在这个过程中若短、中、长三波段激光分别具有各自的发散角和激光功率密度，则在激光发射过程中需要通过激光束整形镜组2的调焦运动实现各激光束均为小光斑准直激光，选同时择各自对应的衰减片镜组3中的衰减片。这样就完成了第一轮激光束角度、位置偏差检测。然后对比近场激光光斑位置图和远场激光光斑位置图上各激光波段自身在远场和近场位置形成的光斑位置相对偏差以及各激光波段之间在远场和近场位置形成的光斑位置相对偏差可以确定该三光合束系统是否存在原始的角度或位置偏差。通过激光探测器输出的光斑位置偏差值以及三光合束系统与本检测系统中各激光束的光程长度可以精确计算三光合束系统中各光束间原始角度差与位置差。最后根据检测值对三光系统中各激光器位置或光路传递过程中各镜组位置进行精密装调。装调过程中进行上述实时检测，最终使本三光合束系统激光束的合束精度达到使用要求。所述的激光束整形镜组2由多片镜子以前后排列的形式组成，通过系统中部分镜片的前后微调运动实现系统焦距调整，将发散角在一定范围内的激光束整形成小光斑准直平行光，从而压缩最终照射到探测器CCD上的光斑尺寸，进而有效分辨各激光束的相对位置；所述的衰减片镜组3包括第一衰减片3-1、第二衰减片3-2、第三衰减片3_3、第四衰减片3-4、大齿轮盘3-5、小齿轮轴3-6、力矩电机3-7、编码器3_8、底座3_9，力矩电机3-7安装在大齿轮盘3-5的中心，大齿轮盘3-5外缘与小齿轮轴3-6外缘啮合，小齿轮轴3_6与角度测量编码器3-8同轴安装，第一衰减片3-1、第二衰减片3-2、第三衰减片3-3、第四衰减片3-4分别采用不同的敏感波段和衰减倍率，并均匀分布在大齿轮盘3-5上，大齿轮盘3-5与小齿轮轴3-6平行安装在底座3-9的同一侧，并实现相互啮合，力矩电机3-7与大齿轮盘3-5同轴安装，并固定在底座3-9的另一侧，而编码器3-8则与小齿轮轴同轴安装，并固定在底座3-9的上与力矩电机安装在同一侧；通过安装在该齿轮盘中心的力矩电机3-7驱动大齿轮盘3-5旋转，按需要将对应衰减倍率和敏感波段的衰减片对准光轴。在这个过程中利用与大齿轮盘3-5啮合的小齿轮轴上的角度测量编码器3-8对大齿轮盘3-5的位置进行反馈，保证该系统多次使用后仍能够使衰减片准确对准光轴，该系统采用将力矩电机3-7与角度测量编码器3-8平行径向放置的格式布置；所述的半反半透分光镜4在激光入射面处镀激光增透膜和高反射膜，所镀膜系兼顾当前主流合束系统中所采用的短、中、长红外激光波段；第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10均镀兼顾多激光波段的高反射膜，同时其反射镜面积需足保证当入射激光相对于光路中心轴有微小角度差或位置差时光束也能够照射至反射镜上；所述的光束分流镜组12包括圆盘12-1、第一通孔12-2、第二通孔12_3、第三通孔12-4、电机12-5、编码器12-6，其中圆盘12_1的两侧分别安装有电机12_5和编码器12-6，且这三个部分为同轴安装，为节省空间圆盘12-1直接安装在电机12-5的转子上，而电机12-5的定子和编码器12-6的固定部分均安装在安装外壳14上。该系统采用圆盘式结构，其周边分布有三个通孔，通孔大小能够保证激光束完全穿过。当电机12-5旋转使第一通孔12-2对准近场激光束6时能够保证只通过近场激光束6而阻断远场激光束5，当旋转至另一角度使第一通孔12-2对准远场激光束5时能够保证远场激光束5通过而阻断近场激光束6，当使第二通孔12-3、第三通孔12-4分别对准远场激光束5和近场激光束6时能够保证两激光束同时通过，而当使圆盘12-1无通孔位置对准远场激光束5和近场激光束6时系统能够同时阻断远近激光束的传播；所述的反射透射镜11在近场激光束6入射面镀增透膜,而在远场激光束5入射面镀高反射膜；所述的激光探测器13具有的探测靶面能够有效接收并探测到具有一定角差或位差的激光束位置；所述的安装外壳14采用轻量化设计的一体化铸造成型的技术方案，在激光束入射端采用通用端口设计以适合多种光电系统的不同激光发射端口。第一反射镜7、第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10装调过程中可利用小光斑单波段激光束作为指示激光进行高精度指示。通过精密装调将入射到激光探测器13中的近场激光束6和远场激光束5合成为一束。本系统装调在室温环境条件下进行，装调完成后的合束激光精度检测也在该环境下进行，从而消除由于环境条件变化带来的系统随机误差。
权利要求
1.激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统，包括激光束(I)、整形镜组(2)、衰减片镜组(3)、半反半透分光镜(4)、第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、第三反射镜(9)、第四反射镜(IO )、反射透射镜(11)、光束分流镜组(12 )、激光探测器(13 )和安装外壳(14 )，激光束(I)经整形镜组(2 )后形成小光斑准直光束，通过衰减片镜组(3 )的旋转并根据出射的激光束(I)的波段与功率密度选择对应的衰减片，激光束(I)通过半反半透分光镜(4)分为近场激光束(6)和远场激光束(5)，近场激光束(6)经过光束分流镜组(12)和反射透射镜(11)入射到激光探测器(13)，远场激光束(5)通过第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、第三反射镜(9)、第四反射镜(10)及反射透射镜(11)反射后与近场激光束(6)合成为一束后入射至激光探测器(13)中。
2.根据权利要求1所述激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统，其特征在于，所述衰减片镜组(3)包括第一衰减片(3-1)、第二衰减片(3-2)、第三衰减片(3-3)、第四衰减片(3-4)、大齿轮盘(3-5)、小齿轮轴(3-6)、力矩电机(3-7)、编码器(3-8)和底座(3-9)，大齿轮盘(3-5)外缘与小齿轮轴(3-6)外缘啮合，小齿轮轴(3-6)与角度测量编码器(3-8)同轴安装，第一衰减片(3-1)、第二衰减片(3-2)、第三衰减片(3-3)、第四衰减片(3-4)均匀分布在大齿轮盘(3-5)上，大齿轮盘(3-5)与小齿轮轴(3-6)平行安装在底座(3-9)的同一侧，力矩电机(3-7)与大齿轮盘(3-5)同轴安装，并固定在底座(3-9)的另一侧，编码器(3-8)与力矩电机安装在底座(3-9)的同一侧。
3.根据权利要求1所述激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统，其特征在于，半反半透分光镜(4)在激光入射面处镀激光增透膜和高反射膜。
4.根据权利要求1所述激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统，其特征在于，第一反射镜(7)、第二反射镜(8)、第三反射镜(9)和第四反射镜(10)均镀多激光波段的高反射膜。
5.根据权利要求1所述激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统，其特征在于，所述光束分流镜组(12)包括圆盘(12-1)、第一通孔(12-2)、第二通孔(12-3)、第三通孔(12-4)、电机(12-5)和编码器(12-6)，圆盘(12-1)两侧分别安装编码器(12-6)和电机(12-5)三者同轴安装，圆盘(12-1)安装在电机(12-5)的转子上，电机(12-5)的定子和编码器(12-6)的固定部分均安装在安装外壳(14)上，当电机(12-5)旋转使第一通孔(12-2)对准近场激光束(6)时能够保证只通过近场激光束(6)而阻断远场激光束(5)，当旋转至另一角度使第一通孔(12-2 )对准远场激光束(5 )时保证远场激光束(5 )通过而阻断近场激光束(6)，当使第二通孔(12-3)和第三通孔(12-4)分别对准远场激光束(5)和近场激光束(6)时能够保证两激光束同时通过，而当使圆盘(12-1)无通孔位置对准远场激光束(5)和近场激光束(6)时系统能够同时阻断远近激光束的传播。
6.根据权利要求1所述激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统，其特征在于，反射透射镜(11)在近场激光束(6 )入射面镀增透膜,在远场激光束(5 )入射面镀高反射膜。
全文摘要
激光合束发射光路微小位差与角差同步检测系统属于光电检测领域，目的在于解决传统的远场实光标校式激光角位差检测与装调方法下大量耗费人力物力且效率低下的问题，同时解决当前所采用的单点式近场激光角位差检测方法下无法有效区分各激光束间的小角位差，因而需要通过进行一定的远场标校方式进行验证的弊端。本发明采用单探测器、两距离点探测式的方法实现实验室条件下的激光合束系统中各激光束间角差与位差的分离，从而利用这种精确测量值进行高精度合束激光室内装调。此方案能够简化检测方法、提高检测与装调效率、降低装调难度。
文档编号G01B11/26GK103017659SQ201210594299
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者陈兆兵, 陈宁, 时魁, 王兵, 郭劲 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所