一种FWMI光谱滤光器调整与性能测试装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装置及方法。本发明专利技术采用HSRL激光光源作为调整和测试光源，并采用楔形镜组构建了一套简易高效的分光系统来解决光功率过大的问题，采用针孔滤波器和第一消球差透镜达到对激光光斑平滑、扩束和准直的效果；采用第二消球差透镜产生球面汇聚波前，避免了调整和测试过程中需要转动FWMI的必要；引入相移波前解调方法直接获取FWMI和各个角度入射光的OPD关系；调整和测试迭代进行，不断让FWMI的性能逼近最优化。本发明专利技术通过调整FWMI反射镜位置以实现其最佳视场展宽性能，同时能在不需要移动FWMI的情况下测量得到FWMI的光程差同入射光发散角的关系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光雷达
，特别是涉及一种FWMI(视场展宽迈克尔逊干涉仪)光谱滤光器调整和性能测试装置及方法。
技术介绍
视场展宽迈克尔逊干涉仪(FWMI)光谱滤光器是一类特殊的干涉仪，它是在普通的迈克尔逊干涉仪(MI)的结构基础上，通过选取特殊的玻璃材料来构成干涉仪的两干涉臂，从而使两干涉臂的折射率和长度达到匹配状态。最终的结果是，该干涉仪的光程差(OPD)随入射光角度的变化非常缓慢。因为FWMI的该特性，将它用作高光谱分辨率激光雷达(HSRL)的光谱滤光器是非常有利的。在设计FWMI时，通过精心的光学配置，常常可以将FWMI的可接收视场扩展到数度。将其用于HSRL滤光器能够极大的提高进入系统的光通量，从而保证较高的信噪比。因此，FWMI的视场性能好坏直接决定了HSRL进行参数反演的精度。当FWMI设计完成后，需要对其可调干涉臂进行调整，以达到最佳的视场展宽性能；同时，对其视场性能的定量测试也显得非常重要。该测试需要确定FWMI光程差OPD随入射光视场角的关系，以判定所设计的FWMI能否达到用于HSRL的要求。要完成FWMI的调整与测试，有两个方面的难点。第一，需要使用同被测FWMI所在的HSRL系统激光频率完全一致的激光光源作为参考光源。这是因为，在HSRL技术中，激光器的频率决定了大气散射谱的中心频率，从而也决定了FWMI所处理的光谱成分。因此，调整和测试FWMI所用的激光光谱应该和FWMI工作时所处理的光谱完全一致，否则，测试得到的结果是无意义的。但是，HSRL所用的激光器是用于向大气中发射探测信号的，其功率通常在数瓦的量级，是不适于用来做FWMI检测光源的。而且，HSRL中的激光光源是重复频率很低的脉冲激光器，其光斑质量往往较差且由于脉冲的不断闪烁也给调整和测试工作带来困难。第二，要测试FWMI的视场性能，即需要验证FWMI的OPD对不同入射角的光保持几乎不变。容易想到的方法是保持平行入射光方向不变的情况下不断转动FWMI的放置角度并测试其光程差。但是这种方案操作起来十分麻烦，当FWMI的放置角度改变时需要对应调整信号探测器的摆放以使信号仍然能被探测到。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述难点，提出了一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试的装置及方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装置，包括激光器、孔径光阑、针孔滤波器、第一消球差透镜、第二消球差透镜、视场光阑、第三消球差透镜、CCD相机、分光系统a和FWMI主体b；分光系统a包括第一楔形镜、激光分色镜、第二楔形镜、第三楔形镜和第四楔形镜；激光器发射的高功率激光首先通过分光系统a做能量衰减。具体的，激光器发射的激光首先经第一楔形镜反射，其中5％的能量被反射至激光分色镜，激光分色镜将激光中的532nm波段的激光筛选出来，筛选出的532nm波段激光连续被第二楔形镜、第三楔形镜和第四楔形镜反射，每次反射将会选出5％的激光能量；从分光系统a出射的激光经过孔径光阑后，进入针孔滤波器做空间滤波以平滑光斑能量分布；然后再经过第一消球差透镜准直成平行光，从第一消球差透镜出来的激光将同时具有平滑、准直和扩束的效果；随后激光被第二消球差透镜转换成汇聚球面波并进入FWMI主体b；所述的FWMI主体b包括FWMI立方分光棱镜、玻璃壁和空气臂；其中空气臂的末端设置有FWMI反射镜，且该FWMI反射镜同时连接在微位移器上；进入FWMI主体b的激光首先在FWMI立方分光棱镜处分成两束；其中反射束被FWMI反射镜反射回来后再透过FWMI立方分光棱镜，并射出FWMI主体b；而透射束通过玻璃壁后再反射回FWMI立方分光棱镜，并被FWMI立方分光棱镜反射出FWMI主体b；从FWMI主体b出射的光束形成干涉图后，首先经过视场光阑，穿过视场光阑的光束的干涉图被第三消球差透镜成像到探测器CCD上。所述的CCD在采集穿过视场光阑的光束的干涉图时，需要使用其同步触发模式，使图像采集过程和激光器的脉冲发射过程完全同步。所述的第一消球差透镜的焦距是针孔滤波器中透镜焦距的4-5倍。所述的第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜和第四楔形镜的楔角大于10度。一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装置的使用方法，具体包括如下步骤：步骤1.调节孔径光阑和视场光阑的大小，使入射进探测器CCD的球面波呈现一定的发散角；所述的发散角大于1度；步骤2.放置FWMI反射镜，使其位置与FWMI立方分光棱镜的距离大于理论设计的值；步骤3.将FWMI反射镜逐步向FWMI立方分光棱镜推进，当FWMI反射镜近似达到了最优位置时，停止推进；所述的步骤3在推进过程中将会看到环形干涉条纹的变化；随着FWMI反射镜向最优位置的靠近，干涉图上条纹变得越来越少，直至干涉图内出现视觉上最少干涉环，此时说明FWMI反射镜近似达到了最优位置，停止推进；步骤4.通过微位移器对步骤3得到的FWMI反射镜的最优位置进行精密调整；所述的步骤4精密调整如下：按一定的步长间隔扫描微位移器，使FWMI反射镜做微米级的步进；每运动一步，在该位置做四步移相干涉图记录；所述的四步移相，是指从某个位置开始，按照λ/4的间隔移动反射镜，每移动一步便采集一幅干涉图，按此过程拍摄四帧原始干涉图；步骤5.划定得到原始干涉图的有效孔径；5-1.以原始干涉图的对比度作为判定依据，设得到的原始干涉图的光强分别表示为I1,I2,...,I4,则能够计算如下几个量： BKG = I 1 + I 2 + I 3 + I 4 4 , - - - ( 1 ) ]]> V = ( I 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装置，其特征在于包括激光器、孔径光阑、针孔滤波器、第一消球差透镜、第二消球差透镜、视场光阑、第三消球差透镜、CCD相机、分光系统a和FWMI主体b；分光系统a包括第一楔形镜、激光分色镜、第二楔形镜、第三楔形镜和第四楔形镜；激光器发射的高功率激光首先通过分光系统a做能量衰减。具体的，激光器发射的激光首先经第一楔形镜反射，其中5％的能量被反射至激光分色镜，激光分色镜将激光中的532nm波段的激光筛选出来，筛选出的532nm波段激光连续被第二楔形镜、第三楔形镜和第四楔形镜反射，每次反射将会选出5％的激光能量；从分光系统a出射的激光经过孔径光阑后，进入针孔滤波器做空间滤波以平滑光斑能量分布；然后再经过第一消球差透镜准直成平行光，从第一消球差透镜出来的激光将同时具有平滑、准直和扩束的效果；随后激光被第二消球差透镜转换成汇聚球面波并进入FWMI主体b；所述的FWMI主体b包括FWMI立方分光棱镜、玻璃壁和空气臂；其中空气臂的末端设置有FWMI反射镜，且该FWMI反射镜同时连接在微位移器上；进入FWMI主体b的激光首先在FWMI立方分光棱镜处分成两束；其中反射束被FWMI反射镜反射回来后再透过FWMI立方分光棱镜，并射出FWMI主体b；而透射束通过玻璃壁后再反射回FWMI立方分光棱镜，并被FWMI立方分光棱镜反射出FWMI主体b；从FWMI主体b出射的光束形成干涉图后，首先经过视场光阑，穿过视场光阑的光束的干涉图被第三消球差透镜成像到探测器CCD上。...

【技术特征摘要】
1.一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装置，其特征在于包括激
光器、孔径光阑、针孔滤波器、第一消球差透镜、第二消球差透镜、视
场光阑、第三消球差透镜、CCD相机、分光系统a和FWMI主体b；
分光系统a包括第一楔形镜、激光分色镜、第二楔形镜、第三楔形
镜和第四楔形镜；激光器发射的高功率激光首先通过分光系统a做能量
衰减。具体的，激光器发射的激光首先经第一楔形镜反射，其中5％的
能量被反射至激光分色镜，激光分色镜将激光中的532nm波段的激光筛
选出来，筛选出的532nm波段激光连续被第二楔形镜、第三楔形镜和第
四楔形镜反射，每次反射将会选出5％的激光能量；
从分光系统a出射的激光经过孔径光阑后，进入针孔滤波器做空间
滤波以平滑光斑能量分布；然后再经过第一消球差透镜准直成平行光，
从第一消球差透镜出来的激光将同时具有平滑、准直和扩束的效果；随
后激光被第二消球差透镜转换成汇聚球面波并进入FWMI主体b；
所述的FWMI主体b包括FWMI立方分光棱镜、玻璃壁和空气臂；
其中空气臂的末端设置有FWMI反射镜，且该FWMI反射镜同时连接在
微位移器上；进入FWMI主体b的激光首先在FWMI立方分光棱镜处分
成两束；其中反射束被FWMI反射镜反射回来后再透过FWMI立方分光
棱镜，并射出FWMI主体b；而透射束通过玻璃壁后再反射回FWMI立
方分光棱镜，并被FWMI立方分光棱镜反射出FWMI主体b；从FWMI
主体b出射的光束形成干涉图后，首先经过视场光阑，穿过视场光阑的
光束的干涉图被第三消球差透镜成像到探测器CCD上。
2.如权利要求1所述的一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装
置，其特征在于CCD在采集穿过视场光阑的光束的干涉图时，需要使
用其同步触发模式，使图像采集过程和激光器的脉冲发射过程完全同
步。
3.如权利要求1所述的一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装
置，其特征在于所述的第一消球差透镜的焦距是针孔滤波器中透镜焦距
的4-5倍。
4.如权利要求1所述的一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装
置，其特征在于所述的第一楔形镜、第二楔形镜、第三楔形镜和第四楔

\t形镜的楔角大于10度。
5.一种FWMI光谱滤光器调整和性能测试装置的使用方法，其特征
在于包括如下步骤：
步骤1.调节孔径光阑和视场光阑的大小，使入射进探测器CCD的
球面波呈现一定的发散角；
所述的发散角大于1度；
步骤2.放置FWMI反射镜，使其位置与FWMI立方分光棱镜的距离
大于理论设计的值；
步骤3.将FWMI反射镜逐步向FWMI立方分光棱镜推进，当FWMI
反射镜近似达到了最优位置，停止推进；
所述的步骤3在推进过程中将会看到环形干涉条纹的变化；随着
FWMI反射镜向最优位置的靠近，干涉图上条纹变得越来越少，直至干
涉图内出现视觉上最少干涉环，此时说明FWMI反射镜近似达到了最优
位置，停止推进；
步骤4.通过微位移器对步骤3得到的FWMI反射镜的最优位置进行
精密调整；
所述的步骤4精密调整如下：
按一定的步长间隔扫描微位移器，使FWMI反射镜做微米级的步
进；每运动一步，在该位置做四步移相干涉图记录；所述的四步移相，
是指从某个位置开始，按照λ/4的间隔移动反射镜，每移动一步便采集
一幅干涉图，按此过程拍摄四帧原始干涉图；
步骤5.划定得到原始干涉图的有效孔径；
5-1.以原始干涉图的对比度作为判定依据，设得到的原始干涉图的
光强分别表示为I1,I2,...,I4,则能够计算如下几个量：
BKG = I 1 + I 2 + I 3 + I 4 4 , - - - ( 1 ) ]]> V = ...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘东，杨甬英，成中涛，罗敬，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33