本發(fā)明屬于光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種高能激光系統(tǒng)大動態(tài)遠(yuǎn)場焦斑測量裝置，具體涉及一種基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)：

隨著激光技術(shù)的成熟，目前光學(xué)領(lǐng)域涌現(xiàn)出了越來越多的大型、復(fù)雜、高能激光系統(tǒng)。高能激光系統(tǒng)的遠(yuǎn)場焦斑形態(tài)是評估激光系統(tǒng)光束質(zhì)量的重要參數(shù)，尤其是用于激光打靶過程時(shí)，要求焦斑能量集中度越高越好，即盡量減少“旁瓣”的能量，因而要求激光遠(yuǎn)場焦斑具有一定的動態(tài)范圍，如用于慣性約束聚變的激光焦斑的動態(tài)范圍在1000:1以上。“主瓣”和“旁瓣”是由ICF打靶過程中對激光的過孔需求而提出的概念?！爸靼辍敝附拱?強(qiáng)度)分布的中心部分，“旁瓣”為“主瓣”的外范圍部分。實(shí)際上，單發(fā)次遠(yuǎn)場焦斑測量主要是利用CCD探測器進(jìn)行探測，受到CCD本身動態(tài)范圍的限制，無法直接測量如此高的動態(tài)范圍。通常的做法是采取動態(tài)范圍拼接法測量高動態(tài)遠(yuǎn)場焦斑，即采用兩個(gè)光路分別完成“主瓣”和“旁瓣”的測量，其中“旁瓣”測量光路利用小球?qū)⒔拱叩闹行募础爸靼辍辈糠诌M(jìn)行遮擋，而測量焦斑外圍旁瓣部分。最后將主瓣圖像和旁瓣圖像進(jìn)行拼接實(shí)現(xiàn)高動態(tài)范圍遠(yuǎn)場焦斑測量。拼接法測焦斑的關(guān)鍵問題是對心問題，即用來遮擋焦斑主瓣部分的小球中心和實(shí)際焦斑質(zhì)心重合得越好，所得焦斑分布越接近真實(shí)分布，因此實(shí)驗(yàn)前需對光路進(jìn)行精密調(diào)試，并準(zhǔn)確計(jì)算需要遮擋光斑中心的小球大小，對小球精確定位。而且激光系統(tǒng)在不同輸出條件下，其遠(yuǎn)場焦斑會產(chǎn)生漂移，甚至形態(tài)發(fā)生變化，因而測量過程中需要不同尺寸的遮擋小球不斷進(jìn)行重新對準(zhǔn)，大大增加了測量系統(tǒng)的調(diào)試工作，限制了拼接法測量遠(yuǎn)場焦斑的靈活性。另外，小球遮擋方法只適用于中心對稱的焦斑形態(tài)，實(shí)際激光系統(tǒng)的焦斑分布并不總是表現(xiàn)為規(guī)則形狀，采取小球遮擋的方法不適用于不規(guī)則焦斑測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決傳統(tǒng)的小球遮擋式的動態(tài)范圍拼接法調(diào)試工作繁瑣而且無法適用不規(guī)則焦斑測量的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量系統(tǒng)及測量方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括聚焦透鏡和DMD數(shù)字微鏡，經(jīng)過聚焦透鏡的光束被DMD數(shù)字微鏡反射后產(chǎn)生主瓣光路和旁瓣光路；沿主瓣光路的光線方向依次設(shè)置有主瓣成像鏡頭、主瓣衰減片和主瓣CCD探測器；沿旁瓣光路的光線方向依次設(shè)置有旁瓣成像鏡頭、旁瓣衰減片和旁瓣CCD探測器；所述DMD數(shù)字微鏡、主瓣CCD探測器和旁瓣CCD探測器均與計(jì)算機(jī)相連。

上述DMD數(shù)字微鏡由微鏡面陣列組成，每個(gè)微鏡面均由尺寸不超過13mm×13mm的正方形反射鏡片和位于反射鏡片底部的轉(zhuǎn)軸構(gòu)成；在水平狀態(tài)下，相鄰兩個(gè)微鏡面的距離為1mm。

上述微鏡面可沿對角軸線翻轉(zhuǎn)±10°。

上述微鏡面可沿對角軸線翻轉(zhuǎn)±12°。

本發(fā)明還提供一種基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1】搭建上述基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量系統(tǒng)；

2】在低能狀態(tài)下，調(diào)整DMD數(shù)字微鏡的微鏡面翻轉(zhuǎn)角度，使全部的反射光線進(jìn)入主瓣光路；

3】主瓣CCD探測器獲取主瓣光斑特性，計(jì)算光斑中心位置和主瓣尺寸；

4】將步驟3】中獲得的位置和尺寸信息轉(zhuǎn)換為微鏡面翻轉(zhuǎn)控制信號；調(diào)整微鏡面翻轉(zhuǎn)角度，使主瓣區(qū)域內(nèi)的反射光線進(jìn)入主瓣光路，其他區(qū)域內(nèi)的反射光線進(jìn)入旁瓣光路；

5】調(diào)節(jié)主瓣衰減片和旁瓣衰減片的衰減倍率，使系統(tǒng)工作在高能狀態(tài)下；主瓣CCD探測器獲得主瓣圖像，旁瓣CCD探測器獲得旁瓣圖像；

6】計(jì)算機(jī)將主瓣圖像和旁瓣圖像進(jìn)行拼接得到大動態(tài)焦斑圖像。

上述測量方法還包括以下步驟：

7】計(jì)算主瓣圖像的中心位置和尺寸，判斷主瓣圖像的中心位置和尺寸與步驟4】中的主瓣區(qū)域是否吻合；如果存在偏差，則將偏差信息反饋至DMD數(shù)字微鏡并作自適應(yīng)調(diào)整。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明采用DMD器件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場焦斑主瓣和旁瓣的分離，使測量系統(tǒng)能夠針對不同的焦斑情況(包括形態(tài)和位置)作自適應(yīng)調(diào)整。避免了遮擋小球的使用，可以極大提高測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性?？梢杂行p少調(diào)試過程，降低調(diào)試難度，節(jié)省調(diào)試時(shí)間，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場焦斑的自動監(jiān)測與調(diào)整。

附圖說明

圖1為DMD數(shù)字微鏡工作原理示意圖；

圖2為基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

DMD數(shù)字微鏡為美國TI公司生產(chǎn)的一款芯片級光束控制器件，通過控制微反射鏡的翻轉(zhuǎn)狀態(tài)來控制光束。DMD在數(shù)字投影，壓縮感知等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。遠(yuǎn)場焦斑通過成像系統(tǒng)成像至DMD反射鏡，通過編碼控制微反射鏡翻轉(zhuǎn)狀態(tài)，將主瓣光路反射到其中一路，旁瓣光路反射到另外一路，兩路焦斑信息分別被兩臺CCD相機(jī)接收，從而獲取主瓣和旁瓣焦斑圖像，將兩幅圖像進(jìn)行拼接即可獲得高動態(tài)遠(yuǎn)場焦斑圖像。相比于遮擋小球，通過軟件控制DMD每一個(gè)微反射鏡的翻轉(zhuǎn)姿態(tài)，DMD可以針對焦斑位置漂移和具體形態(tài)做相應(yīng)的調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)對心操作以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形態(tài)焦斑測量，降低裝調(diào)復(fù)雜度，增加數(shù)據(jù)的可靠性。

DMD是一種用二進(jìn)制脈寬調(diào)制的數(shù)字光開關(guān)，由成千上萬個(gè)可傾斜的微鏡組成的。DMD底層是基體(或稱襯底)，基體表面刻有半導(dǎo)體存儲器件CMOS，存儲器上面是帶有轉(zhuǎn)軸(鉸鏈)可偏轉(zhuǎn)(擺動)的反射鏡片支架，反射鏡片固定在支架上。反射鏡片用特殊鋁材利用鋁濺射工藝制成正方形。每個(gè)微鏡面的尺寸約13μm×13μm或更小，代表一個(gè)像素。微鏡面之間的間隔約1μm，每個(gè)微鏡面都可以沿著它的對角軸線翻轉(zhuǎn)±10°(翻轉(zhuǎn)角度可以根據(jù)需要調(diào)整為±12°)。

微鏡面不同的翻轉(zhuǎn)角度分別對應(yīng)“開”，“平”和“關(guān)”三種狀態(tài)。如圖1所示：平態(tài)時(shí)，微鏡面水平放置，鏡頭置于微鏡面的中垂線上；微鏡面偏轉(zhuǎn)+10°時(shí)(“開”態(tài))，反射光線幾乎全部通過成像系統(tǒng)；微鏡面偏轉(zhuǎn)-10°時(shí)(“關(guān)”態(tài))，反射光線偏離成像系統(tǒng)，被吸收裝置吸收或通過另一路成像系統(tǒng)。

參見圖2，本發(fā)明提供的基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量系統(tǒng)主要包括聚焦透鏡1和DMD數(shù)字微鏡2，經(jīng)過聚焦透鏡1的光束被DMD數(shù)字微鏡2反射后產(chǎn)生主瓣光路3和旁瓣光路4；沿主瓣光路3的光線方向依次設(shè)置有主瓣成像鏡頭31、主瓣衰減片32和主瓣CCD探測器33；沿旁瓣光路4的光線方向依次設(shè)置有旁瓣成像鏡頭41、旁瓣衰減片42和旁瓣CCD探測器43；DMD數(shù)字微鏡2、主瓣CCD探測器33和旁瓣CCD探測器43均與計(jì)算機(jī)相連。

基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量方法包括以下步驟：

1】搭建基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量系統(tǒng)；

2】在低能狀態(tài)下，調(diào)整DMD數(shù)字微鏡的微鏡面翻轉(zhuǎn)角度，使全部的反射光線進(jìn)入主瓣光路；

3】主瓣CCD探測器獲取主瓣光斑特性，計(jì)算光斑中心位置和主瓣尺寸；

4】將步驟3】中獲得的位置和尺寸信息轉(zhuǎn)換為微鏡面翻轉(zhuǎn)控制信號；調(diào)整微鏡面翻轉(zhuǎn)角度，使主瓣區(qū)域內(nèi)的反射光線進(jìn)入主瓣光路，其他區(qū)域內(nèi)的反射光線進(jìn)入旁瓣光路；

5】調(diào)節(jié)主瓣衰減片和旁瓣衰減片的衰減倍率，使系統(tǒng)工作在高能狀態(tài)下；主瓣CCD探測器獲得主瓣圖像，旁瓣CCD探測器獲得旁瓣圖像；

6】計(jì)算機(jī)將主瓣圖像和旁瓣圖像進(jìn)行拼接得到大動態(tài)焦斑圖像。

6、根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于數(shù)字微鏡的大動態(tài)激光遠(yuǎn)場焦斑測量方法，其特征在于：還包括以下步驟：

7】計(jì)算主瓣圖像的中心位置和尺寸，判斷主瓣圖像的中心位置和尺寸與步驟4】中的主瓣區(qū)域是否吻合；如果存在偏差，則將偏差信息反饋至DMD數(shù)字微鏡并作自適應(yīng)調(diào)整。

具體而言，DMD數(shù)字微鏡2上的白色像素點(diǎn)表示“開”態(tài)，黑色像素點(diǎn)表示“關(guān)”態(tài)，調(diào)整中心像素為“開”態(tài)，使主瓣進(jìn)入主瓣成像鏡頭31，被主瓣CCD探測器33接收；外圍像素為“關(guān)”態(tài)，使旁瓣進(jìn)入旁瓣成像鏡頭41，被旁瓣CCD探測器43接收。通過合理分配衰減比，能將焦斑動態(tài)范圍降低，利用圖像拼接技術(shù)，將主瓣與旁瓣合成，進(jìn)而獲得高動態(tài)范圍遠(yuǎn)場焦斑圖像。當(dāng)焦斑主瓣尺寸變化時(shí)，通過二進(jìn)制信號控制“開”態(tài)像素范圍，即可實(shí)現(xiàn)主瓣像面大小的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)主瓣變小時(shí)，將“開”態(tài)像素范圍對應(yīng)縮小即可實(shí)現(xiàn)主瓣大小和“開”態(tài)像素的自動匹配。若焦斑產(chǎn)生漂移，通過控制“開”態(tài)像素作相應(yīng)的整體位移調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)主瓣中心和“開”態(tài)像素區(qū)域中心的自適應(yīng)對齊。