專利名稱：透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于光學計量技術領域，主要涉及一種激光衰減裝置，尤其涉及一種透過率連續可調的弱光精密衰減裝置。
背景技術：
隨著光學應用廣度的增大和應用深度的增加，對光源精度和強度的精細化要求越來越高，而大多數光源，包括普通光源、激光光源、紅外光源等，很多不具備光強可調功能，具備可調功能的，只能給出若干個離散的倍頻能量值或在較小的動態范圍內通過改變占空比等方式調節光強，精度都不高；因此，為了獲得滿足某一特定強度要求的光源，最合適和最常見的做法是采用衰減方式。國內的透過率連續可調的衰減方案以圖I所示透射式率減法最為理想。該方案用 包括可旋轉羅盤的固定衰減器組件a和楔形鏡組件b構成，可旋轉羅盤上等間隔設有一系列大小相等的圓孔，圓孔中鑲嵌不同透過率的濾波片，實現初步衰減，楔形鏡組件b由主鏡c和輔鏡d組成，其中輔鏡d可以垂直光軸移動，使得光線穿過的楔形鏡總厚度隨之改變，從而對應的透過率也相應變化，以此實現連續可變衰減。這種衰減方式的缺點是出射光光束均勻性較差，光斑尺寸對透過率的影響較大，輔鏡靠手動調節，即使使用步進電機也難以達到精確透過率，在弱光條件下衰減效果更差，另外，光線通過一對楔形鏡后光路會發生偏移。在當前的激光計量和許多光學應用領域中，經常會對光源能量值提出某一特定而精確的要求，如85fJ、127fJ、170fJ、191fJ、212fJ、233fJ等，甚至要求在某一裝置上的光源能準確提供多個上述能量值，這對衰減器提出了苛刻的要求，目前，國內沒有一種衰減器能夠滿足以上要求。國外較多使用反射式衰減法，如RD&EC的自動激光導引頭性能評估系統(ALSPES),采用反射式衰減法,用步進電機控制兩組衰減片轉動，隨著衰減片轉角不同，反射透射比相應變化，反射的光被吸收阱吸收，以此實現連續可變衰減。該裝置不足之處在于零回差實現困難，透過率不能做到連續精確可調，而在比如飛焦級微弱光條件下，吸收阱設計要求更高，否則雜散的漫射光會嚴重影響光源的均勻性、穩定性等指標，ALSPES的V型螺紋式吸收阱是基于毫焦級能量設計，吸收效率低，因此，該設計方案在飛焦級微弱光條件下的衰減精度更低。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有衰減技術的不足，提供一套透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置。為解決上述技術問題，本發明提供的激光衰減裝置包括衰減片組件、兩個伺服電機、兩個絕對碼盤、吸收阱，殼體和計算機，兩個絕對碼盤分別安裝在兩個伺服電機的轉軸上，兩個伺服電機接受計算機的控制，兩個絕對碼盤的角度測量值輸出給計算機；
所述衰減片組件由相同的兩級衰減片組件構成,每級衰減片組件均包括主衰減片、補償衰減片、主動齒輪和從動齒輪，主衰減片和補償衰減片均為矩形狀，其兩個相對的工作面上分別鍍制濾光膜和增透膜，主衰減片和補償衰減片分別垂直固定到主動齒輪和從動齒輪的端面中心，當主動齒輪和從動齒輪處于初始嚙合位置時，主衰減片和補償衰減片的工作面相對于齒輪嚙合切線對稱，且衰減片的工作面與嚙合切線成一定夾角即工作角；所述吸收阱的左右兩側為平面并分別帶有入射窗口和出射窗口且入射窗口和出射窗口的連線為吸收阱的軸線，前后兩側為平面，上下兩側呈橢圓面，橢圓面的內表面沿吸收阱的軸向設有多個陷波突，每個相鄰陷波突之間設有多條V型槽，相鄰陷波突與其中間的V型槽構成微型吸收腔，陷波突、V型槽的長度均與所述橢圓面的寬度相等，陷波突與吸收阱軸線平行的截面形狀含三個等邊三角形和一個等腰梯形，等腰梯形的短邊位于橢圓面的根部，三個等邊三角形的底邊順次相連并與等腰梯形的長底邊接觸，V型槽的開口端面與等腰梯形的短邊平齊，所述吸收阱的內表面鍍制黑漆涂料；所述外殼形狀與所述吸收阱相適應；所述殼體套在所述吸收阱外部，所述衰減片組件位于吸收阱的內部，所述兩個伺服電機固連在殼體前側面或后側面上，兩個電機的轉軸分別穿過殼體與吸收阱的通孔與兩個主動齒輪固連，兩個從動齒輪分別通過各自的支撐軸及軸承與殼體連接，主動齒輪與從動齒輪嚙合， 兩個主衰減片和兩個補償衰減片的中心均位于吸收阱的軸線上且鍍濾光膜的一面均迎向入射窗口，當主衰減片和補償衰減片轉動時，由入射窗口入射的光束經衰減片全部反射到吸收阱上且不正入射到吸收阱4的各個微型吸收腔內；所述計算機6內置有數據表和控制模塊，數據表中給出了衰減片透過率與衰減片轉角的對應數據；控制模塊的功能是當其接到人工輸入的透過率值時，調用所述數據表查找衰減片的對應轉角值，驅動兩個伺服電機轉動，判斷絕對碼盤實時反饋的電機轉動角度是否與查表獲得的對應轉角值相等，若為否，繼續驅動兩個伺服電機轉動，若為是，控制伺服電機停止轉動。本發明的整體技術效果體現在以下方面。(一)在本發明中，將絕對編碼器固定在電機轉軸上，精確指示衰減片轉過的角度并將實時位置傳給計算機，計算機獲得位置信息后進一步控制電機，使衰減片到達需要的角度位置，從而實現透過率的單點精確可控。(二)在本發明中，吸收阱的吸收面為帶有多個陷波突的橢圓形且相鄰陷波突與其中間的V型槽構成微型吸收腔，從而使衰減裝置的吸收面積有較大幅度的增加，由此提高了衰減裝置的吸收效果；此外，光線經衰減片反射后不正入射到微型吸收腔而使光線在微型吸收腔內發生多次反射，由此滿足了弱光條件下衰減裝置的吸收效果。
圖I是現有透射式衰減法的原理圖。圖2是本發明飛焦級脈沖激光衰減裝置的組成示意圖。圖3是本發明中第一級衰減片組件的組成示意圖。圖4是本發明中衰減片組件的消回差結構原理圖。圖5是本發明中吸收阱的主視、俯視和左視圖。圖6是本發明中微型吸收腔的示意圖。圖7是本發明中陷波突的形狀示意圖。
圖8是本發明中計算機的工作流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖及優選實例對本發明作進一步的詳述。如圖2所示，透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置的優選實例包括衰減片組件1，電機組件2，絕對碼盤組件3，吸收阱4，殼體5，計算機6。電機組件2包括伺服電機一 2-1、伺服電機二 2-2,這兩個伺服電機均為Panasonic公司MD5A型交流伺服電機；絕對碼盤組件3由絕對碼盤一 3-1和絕對碼盤二 3-2組成，這兩個絕對碼盤型號相同，控制精度為17位；絕對碼盤一 3-1安裝在伺服電機2-1的轉軸上，絕對碼盤二 3-2安裝在伺服電機
2-2的轉軸上；絕對碼盤的作用是精確度量電機轉動角度，上述伺服電機和絕對碼盤通過相應的數據線與計算機6連接。
衰減片組件I由結構組成完全相同的第一級衰減片組件和第二級衰減片組件構成。下面以第一級衰減片組件為例進行介紹，參見圖3、圖4，第一級衰減片組件包括主衰減片1-1和補償裳減片1-2,主動齒輪1-3,從動齒輪1-4,以及與從動齒輪1-4配套的二根拉簧1_5、支撐軸、軸承。主衰減片1-1和補償衰減片1-2完全相同,均為IOOmmX IOOmmX6mm的K9玻璃，衰減片兩個IOOmmX IOOmm的工作面分別鍍制濾光膜和增透膜，使用補償衰減片的作用是增加透過率的動態范圍，另一個作用是保證光束的空間方位不變。主動齒輪1-3和從動齒輪1-4齒形、材料相同，直徑均為I IOmm,從動齒輪1-4包括兩個大小形狀完全相同的齒片，這兩個齒片疊放在一起，厚度之和等于主動齒輪1-3的厚度。從動齒輪1-4的兩個齒片上有均布的三個“一”字型通孔，通孔中心和齒輪中心的連線與通孔長度方向垂直。三根拉簧1-5分別位于三個“一”字型通孔中，每根拉簧的兩端分別與齒輪1-4的兩個齒片固連，在周向形成一個相對轉動的趨勢，該周向的相對轉動被主動齒輪1-3的齒面約束，這樣就能保證主齒輪1-3齒面和從動齒輪1-4齒面始終相互接觸,從而消除齒輪系回差。主衰減片1-1和補償衰減片1-2對應垂直固定到主動齒輪1-3與從動齒輪1-4的端面中心上，當主動齒輪和從動齒輪處于初始嚙合位置時，主衰減片1-1和補償衰減片1-2的工作面關于齒輪的嚙合切線P對稱，衰減片的工作面與嚙合切線P的夾角即工作角為30°，齒輪轉動時，該工作角在15° 30°角范圍變化。該工作角的范圍與衰減片使用的膜系有關，具體范圍應限定在衰減片透過率與轉動角度呈現較好線性的區間內。如圖5所示，吸收阱4采用鋁材料制作，左右兩側為平面并分別設入射窗口和出射窗口且入射窗口和出射窗口的連線為吸收阱的軸線，前后兩側為平面，上下兩側呈橢圓面，橢圓面的內表面沿吸收阱的軸向設有多個陷波突4-1，相鄰陷波突4-1之間設有多條V型槽，相鄰陷波突4-1與其中間的V型槽構成微型吸收腔w(參見圖6)，陷波突4-l、V型槽的長度均與橢圓面的寬度相等。陷波突4-1與吸收阱軸線平行的截面形狀含三個等邊三角形和一個等腰梯形(參見圖7)，等腰梯形的短邊位于橢圓面的根部，三個等邊三角形的底邊順次相連并與等腰梯形的長底邊接觸，本實施例中等邊三角形邊長為5mm，等腰梯形上下底分別為15mm和7. 5mm，高為11. 5mm，相鄰陷波突4_1之間沿光路方向的距離是25mm ;V型槽的開口端面與等腰梯形的短邊平齊。吸收阱4內表面鍍制市售高發射率黑漆涂料，發射率為0. 98，即對于投射到其上的光98%被吸收2%被漫反射。外殼5采用鋁材料制作，表面做噴漆處理。形狀與吸收阱4相適應，在與吸收阱4后面接觸的面上，與吸收阱4通孔的位置對應有兩個通孔和兩個軸承安裝孔，通孔供伺服電機轉軸穿過，軸承孔用以固定軸承；同時，外殼5還起到遮光作用。計算機6中裝有數據表和控制模塊，數據表為衰減片透過率和轉動角度的對應數據；數據表角度的范圍等于衰減片的工作角范圍，角度之間的間隔等于電機最小步進角。控制模塊功能是當其接到人工輸入的透過率值時，調用數據表查找相應轉動角度，如果輸入透過率值大于工作角范圍內對應的最大透過率或小于工作角范圍內對應的最大透過率，則提示錯誤，并將提示消息在屏幕回顯；如果輸入透過率值沒有超出工作角對應的透過率范圍，則直接查找對應轉動角度，若數據表中沒有與輸入透過率相等的值，則選取與其最接近的值，查找對應轉動角度。查找完成后，驅動伺服電機一 2-1和伺服電機二 2-2轉動，判斷絕對碼盤實時反饋的電機轉動角度，當反饋角度值與查找獲得的角度相等時，控制伺服電機停止轉動，否則繼續驅動電機工作直至反饋角度等于查找獲得的角度。其工作流程見圖8。再參見圖2,殼體5套在吸收講4外部,伺服電機一 2-1固連在殼體外部，電機轉軸穿過殼體5的通孔和吸收阱4的通孔與第一級衰減片組件的主動齒輪1-3的中心孔固連，主動齒輪1-3與從動齒輪1-4嚙合，支撐軸的一端與從動齒輪1-4的中心孔固連，另一端穿 過吸收阱4的通孔，通過軸承與外殼5連接。伺服電機二 2-2用在第二級衰減片組件上，在其中的連接方式和作用與伺服電機一 2-1在第一級衰減片組件中的連接方式和作用相同，裝配完成后四個衰減片的中心位于吸收阱4的軸線上，鍍濾光膜的一面均迎向入射窗口的方向。吸收阱4上下兩個面的橢圓曲率應滿足以下限定光線反射到吸收阱4上時，不會正入射到其各個微型吸收腔w中。根據黑體理論，當光線正入射時，光線直接入射到腔底，會導致反射光直接從入口逸出，吸收效果較差，而對于斜入射的光，會在腔內多次反射，每次反射后光強減弱為原來的2%，最后幾乎被完全吸收。經計算和驗證，此設計方案的吸收效率超過99. 94%。通過計算，本實施例的吸收阱4的吸收面積是傳統V型槽吸收阱吸收面積的2. 3倍，并增加了光線在吸收阱上的反射次數，由此提高了吸收阱的吸收效果，并大大減少了漫反射光的干擾作用。
權利要求
1.一種透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置，包括衰減片組件(I)、兩個伺服電機、吸收阱(4)和殼體(5)，所述衰減片組件(I)由相同的兩級衰減片組件構成，每級衰減片組件均包括主衰減片(1-1)、補償衰減片(1-2)、主動齒輪(1-3)和從動齒輪(1-4)，主衰減片(1-1)和補償衰減片(1-2)均為矩形狀，其兩個相対的工作面上分別鍍制濾光膜和增透膜，主衰減片(1-1)和補償衰減片(1-2)分別垂直固定到主動齒輪(1-3)和從動齒輪(1-4)的端面中心，當主動齒輪(1-3)和從動齒輪(1-4)處于初始嚙合位置時，主衰減片(1-1)和補償衰減片(1-2)的工作面相對于齒輪嚙合切線(P)對稱，且衰減片的工作面與嚙合切線(P)成一定夾角即工作角；其特征在于，所述衰減裝置還包括兩個絕對碼盤和計算機出)，兩個絕對碼盤分別安裝在所述兩個伺服電機的轉軸上，兩個伺服電機接受計算機(6)的控制，兩個絕對碼盤的角度測量值輸出給計算機￠);所述吸收阱(4)的左右兩側為平面井分別帶有入射窗口和出射窗ロ且入射窗口和出射窗ロ的連線為吸收阱(4)的軸線，前后兩側為平面，上下兩側呈橢圓面，橢圓面的內表面沿吸收阱的軸向設有多個陷波突(4-1)，相鄰陷波突(4-1)之間設有多條V型槽，相鄰陷波突4-1與其中間的V型槽構成微型吸收腔(w)，陷波突(4-1)、V型槽的長度均與所述橢圓面的寬度相等，陷波突(4-1)與吸收阱軸線平行的截面形狀含三個等邊三角形和一個等腰梯形，等腰梯形的短邊位于橢圓面的根部，三個等邊三角形的底邊順次相連并與等腰梯形的長底邊接觸，所述V型槽的開ロ端面與等腰梯形的短邊平齊，所述吸收阱(4)的內表面鍍制黑漆涂料；所述外殼(5)形狀與所述吸收阱(4)相適應；所述殼體(5)套在所述吸收阱(4)外部，所述衰減片組件位于吸收阱(4)的內部，所述兩個伺服電機固連在殼體(5)前側面或后側面上，兩個伺服電機的轉軸分別穿過殼體(5)和吸收阱(4)的相應通孔與兩個主動齒輪(1-3)固連，兩個從動齒輪(1-4)分別通過各自的支撐軸及相應的軸承與殼體(5)連接，主動齒輪(1-3)與從動齒輪(1-4)嚙合，兩個主衰減片和兩個補償衰減片的中心均位于吸收阱(4)的軸線上且鍍濾光膜的一面均迎向入射窗ロ，當主衰減片(1-1)和補償衰減片(1-2)轉動時，由所述入射窗ロ入射的光束經衰減片全部反射到吸收阱(4)上且不正入射到吸收阱(4)的各個微型吸收腔內，所述微型吸收腔是指相鄰陷波突(4-1)與其中間V型槽構成的空間；所述計算機(6)內置有數據表和控制模塊，數據表中給出了衰減片透過率與衰減片轉角的對應數據；控制模塊的功能是，當其接到人工輸入的透過率值時，調用所述數據表查找出透過率所對應的衰減片轉角值，驅動兩個伺服電機轉動；判斷絕對碼盤實時反饋的電機轉動角度是否與查表獲得的對應轉角值相等，若為否，繼續驅動兩個伺服電機轉動，若為是，控制伺服電機停止轉動。
2.根據權利要求I所述透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置，其特征在于，所述相鄰陷波突(4-1)之間的距離為25mm，所述等邊三角形的邊長為5mm，所述等腰梯形的上、下底邊長分別為15mm、7. 5mm,高為11.5mm。
3.根據權利要求I所述透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置，其特征在于，每個衰減片組件的從動齒輪為消空回齒輪結構。
4.根據權利要求I所述透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置，其特征在于，所述工作角的變化范圍為15° 30°。
5.根據權利要求I所述透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置，其特征在于，所述黑漆涂料的發射率為O. 98。
6.根據權利要求I所述透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置，其特征在于，所述絕對碼盤的控制精度 為17位。
全文摘要
本發明公開了一種透過率連續可調的飛焦級脈沖激光衰減裝置，屬于光學計量技術領域。該裝置含有兩級衰減片組件和吸收阱，每級衰減片組件含有分別固定在兩個嚙合齒輪上的兩個衰減片，伺服電機在計算機的控制下驅動齒輪精確轉動，使兩個衰減片相對轉動，從而實現透過率的連續變化；吸收阱的吸收面為橢圓狀并帶有多個陷波突，橢圓曲率滿足入射光束經衰減片反射后不正入射到兩個相鄰陷波突與其中間V型槽構成的空間內，由此增大了吸收阱的吸收效率。本發明有效地解決了微弱光條件下透過率連續可變的衰減問題，具有可靠性高、重復性好、適用范圍廣的特點。
文檔編號G02B26/04GK102707433SQ20121020844
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月21日 優先權日2012年6月21日
發明者俞兵, 劉瑞星, 李宏光, 楊鴻儒, 秦艷, 薛戰理, 袁良, 韓占鎖 申請人:中國兵器工業第二0五研究所