光学系统光束指向稳定性的诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学系统，特别是一种光学系统光束指向稳定性的测试方法，用于测量光学系统光源或光学元件由于振动产生的指向稳定性误差，并诊断误差来源，特别适用于复杂的大型高功率激光系统。
【背景技术】
[0002]光束在传输过程中受到诸多因素的干扰，尤其是传输过程中受到不可控的动态振动干扰的影响，当光束到达靶心时，常常会在理想位置来回振动，为了确保打靶的成功率，光束指向稳定性显得非常重要。测量光束指向稳定性，有机械法、电学法、光学法等方法。随着技术的发展，又主要以电学法和光学法为主。电学法就是将被测对象的振动量转换成电量，然后用电量测试仪器进行测量，其优点是灵敏度高、频率范围及动态线性范围宽、便于分析和遥测，不足是易受电磁场干扰、不能直接反映单纯光学元件上光束的振动情况，基本上没有定量的振动导致的稳定性误差数据。光学法现有技术多是基于干涉的方法进行测量，其优点是不受电磁场干扰、测量精度高、适于对质量小及不易安装加速度计的试件作非接触测量，不足是测量系统比较复杂、设备昂贵。
[0003]目前光学系统的指向稳定性测量大多是机械振动的测试方法，仅少数文献研宄了光学法测量的原理。如安徽光机所谭锟等人研宄了 CCD摄像机测量光束指向稳定性的试验(参见“测量激光光束抖动的图像技术”，谭锟，大气与环境光学学报，第2卷第I期)，专利“激光稳定性测试系统”(参见ZL201420018034.9)，特点都是直接获得了激光光斑位置的微小指向稳定性变化，但是没有办法诊断出对位置变化产生影响的器件。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是要弥补上述现有光学系统光束指向稳定性测试的不足，提出一种光学系统的光束指向稳定性的诊断方法，该方法能够简单有效地测量光束指向稳定性大小，并能够诊断影响光束指向稳定性误差的来源。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种光学系统的光束指向稳定性的诊断方法，其特点是，该方法包含以下步骤:
[0007]I)在被诊断光学系统的各调整架上设置加速度计，加速度计的输出端与采集仪的输入端相连，该采集仪的输出端与计算机的第一输入端相连；在光学系统的传输终端输出的激光光路中加入取样镜，在该取样镜的采样光的输出方向设置高速摄像机，该高速摄像机的输出端与计算机的第二输入端相连；
[0008]2)在光学系统的光源未开启时，光学系统定位光学元件的各调整架的加速度计分别获得各调整架的振动电学信号，经过采集仪输入计算机，计算机分析获得相应的各调整架的频谱特征，若调整架的频谱特征没有明显频率可以判断为该调整架的一阶固有频率，更换具有更大频率响应范围的加速度计继续重复本步骤，以获得各调整架的频谱特征；
[0009]3)开启光学系统的光源，所述的取样镜对光学系统的输出光束取样，取样的激光信号由高速摄像机采集，将获得的多幅光斑图像输入所述的计算机，计算机对采集的图像质心或重心处理后，得到图像随时间的位移变化数据，即时域内光束指向稳定性误差的幅度大小；对位移数据进行傅里叶变换，得到对光束指向造成影响的光束指向稳定性误差的频谱图，频谱图中不同频率具有相应的光束指向稳定性误差幅度，一些频率处具有明显幅度峰值；
[0010]4)所述的光束图像分析获得的频谱特征中的明显幅度峰值的频率，可认为是各调整架的固有频率或固有频率附近的频率，将加速度计采集分析获得的所述的调整架的频谱特征，特别是其一阶固有频率和所述的明显幅度峰值的频率进行比对，判断出产生光束指向稳定性误差的调整架的序号及相应的调整架对光束指向稳定性影响的大小。
[0011]所述的高速摄像机具有调焦镜头，能够高频记录光源的图像，且其图像采集频率大于所有调整架的最大的一阶固有频率的两倍。
[0012]本发明的技术效果如下:
[0013]1、本发明采用的高速摄像机对在光学元件上传输的光信号的取样测量，得到激光光束指向在水平和竖直方向随时间的变化量，可在线测量而不影响光学系统的正常工作；高速摄像机的调焦镜头有利于光信号聚焦、清晰地投射到高速摄像机的图像采集元件上。
[0014]2、本发明采用的高速摄像机图像采集时采样频率高，可记录分析频率小于自身采样频率一半的图像信号。图像信号水平和竖直方向的位移变化量分析后，展现出光学系统光束的两个方向振动特性，得到对造成光束指向偏移的振动信号频谱特征及各自的影响大小。
[0015]3、本发明将加速度计用于采集光学系统光源或者光学元件调整架的固有频率等频率数据，直观、准确、灵敏地判断出调整架的振动特性。
[0016]4、本发明将振动测量加速度计和高速摄像机快速采集数据相结合，快速准确判断光束指向稳定性数据和误差来源。
[0017]5、本发明是以电学法和光学法为基础的光束指向稳定性诊断方法，利用了两种振动测量方法的优点并避免了其缺点，可诊断大地振动、空气扰动、人或运动设备对光学系统产生的光束指向稳定性误差。具有元件少结构紧凑、光路调节方便，测量范围大、灵敏度和精度高，数据分析简单快捷的优点。
【附图说明】
[0018]图1是本发明光束指向稳定性的诊断装置的示意图。
[0019]图2是本发明在未知光源光束指向稳定性下的一种光束指向稳定性的诊断方法及装置的示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0021]如图1所示，本发明光学系统的光束指向稳定性的诊断方法，其特征是，该方法包含以下步骤:
[0022]I)被诊断光学系统是安放在稳定的隔振平台上的氦氖激光器发出波长632.8nm入射激光，经过多个反射或者透射等光学元件向前传输，在被诊断光学系统的各调整架上设置加速度计3，加速度计3的输出端与采集仪7的输入端相连，该采集仪7的输出端与计算机6的第一输入端相连；在光学系统的传输终端输出的激光光路中加入取样镜4，在该取样镜4的采样光的输出方向设置高速摄像机5，该高速摄像机5的输出端与计算机6的第二输入端相连；
[0023]2)在光学系统的光源未开启时，光学系统定位各光学元件的调整架上的加速度计3分别获得各调整架的振动电学信号，经过采集仪7输入计