光(guāng)束質量(liáng)分(fēn)析儀(yí)是(shì)表征激光(guāng)光斑形(xíng)態(tài)，光(guāng)強(qiáng)分布(bù)，光束(shù)發(fā)散(sàn)角(jiǎo)及(jí)M²因子的(dí)核(hé)心檢測儀(yí)器(qì)，成像光路作為其(qí)數據采(cǎi)集前端，直接決定光斑成像(xiàng)清晰度，參數(shù)測量(liáng)精(jīng)度與係統(tǒng)重復性。針(zhēn)對激(jī)光(guāng)光束(shù)檢(jiǎn)測(cè)場景下(xià)存在的(dí)球差，彗差(chà)，像(xiàng)散，畸變等(děng)光學像差(chà)問題，合理(lǐ)開展光路(lù)架(jià)構設(shè)計並(bìng)配套專業(yè)化(huà)像差校正(zhèng)方案(àn)，是保障(zhàng)儀器(qì)高精(jīng)度，寬量程，多波(bō)段(duàn)穩定工(gōng)作的關(guān)鍵。本文圍(wéi)繞光束質(zhì)量分(fēn)析儀(yí)的成(chéng)像光(guāng)路(lù)總體(tǐ)設(shè)計，核(hé)心光學組件配(pèi)置(zhì)，以及各(gè)類像(xiàng)差的產生機理，校(xiào)正方法展開論述。
一，成像光(guāng)路(lù)總體(tǐ)架(jià)構設(shè)計(jì)
結合(hé)激(jī)光檢(jiǎn)測的使(shǐ)用(yòng)需(xū)求，分析儀成像(xiàng)光路普(pǔ)遍采用(yòng)衰減(jiǎn)單元+前置(zhì)光學組+成像(xiàng)物(wù)鏡+圖像傳感(gǎn)器(qì)的模(mó)塊(kuài)化串(chuàn)聯(lián)結(jié)構，整體(tǐ)遵循小畸變(biàn)，寬(kuān)光(guāng)譜，大(dà)動(dòng)態範圍的設計原則，分為入(rù)射采樣(yàng)，光強(qiáng)衰減(jiǎn)，光(guāng)學(xué)成像(xiàng)，信(xìn)號(hào)接(jiē)收四大功能(néng)區段。
激(jī)光(guāng)光束進(jìn)入設備(bèi)後，首(shǒu)先(xiān)經過光束采(cǎi)樣結構(gòu)完成(chéng)整束光截取，保(bǎo)證入(rù)射光(guāng)束口徑與(yǔ)光路通光口徑(jìng)匹配(pèi)；隨(suí)後(hòu)進入(rù)多級(jí)可調(tiáo)衰(shuāi)減組件，通(tōng)過(guò)中(zhōng)性密度(dù)濾(lǜ)光(guāng)片，漸(jiàn)變(biàn)衰減片組(zǔ)合(hé)對強光進(jìn)行梯度(dù)衰(shuāi)減(jiǎn)，將光強(qiáng)控製在(zài)圖(tú)像傳(chuán)感(gǎn)器綫性響應(yīng)區(qū)間(jiān)內(nèi)，避免高光飽(bǎo)和(hé)，感光元件灼(zhuó)傷，同時(shí)保(bǎo)障(zhàng)弱光(guāng)信(xìn)號可正常(cháng)識別(bié)。
經(jīng)過(guò)衰減後的光(guāng)束進入前(qián)置準直(zhí)與濾(lǜ)波模塊(kuài)，配置(zhì)窄帶幹涉濾光片(piàn)，濾除環(huán)境雜(zá)散(sàn)光，背景光(guāng)及非目標波(bō)段(duàn)幹擾(rǎo)光，提(tí)升成像(xiàng)信噪比。最後由成像物(wù)鏡(jìng)組將激光(guāng)光斑精(jīng)準成(chéng)像(xiàng)在(zài)CCD/CMOS圖像傳(chuán)感器(qì)靶麵上(shàng)，完成(chéng)光(guāng)信(xìn)號(hào)到數(shù)字(zì)圖像的轉換，為後(hòu)續光(guāng)斑(bān)尺寸(cùn)，重(zhòng)心(xīn)，光(guāng)強分(fēn)布，M²因子等(děng)參(cān)數計算提供原(yuán)始圖(tú)像數據(jù)。
整(zhěng)機光路(lù)采用(yòng)封閉式鏡筒結構，內部(bù)做遮光，消(xiāo)光處(chǔ)理，內(nèi)壁噴(pēn)塗消光漆(qī)並(bìng)設(shè)置(zhì)多級光(guāng)闌，抑製光路(lù)內部(bù)雜光(guāng)反射與(yǔ)散(sàn)射，從結構上減少雜散(sàn)光(guāng)引發(fā)的(dí)偽像(xiàng)與測量(liáng)誤差(chà)。光(guāng)路整(zhěng)體進行精(jīng)密(mì)機械裝(zhuāng)調，保證(zhèng)各光學元(yuán)件同(tóng)軸度(dù)，避免(miǎn)光(guāng)束(shù)偏移造成(chéng)成像失(shī)真。
二，核心光學組(zǔ)件(jiàn)選(xuǎn)型(xíng)與布局要點
（一）衰減組(zǔ)件(jiàn)
針(zhēn)對連續(xù)激光(guāng)，脈(mài)衝激光，大(dà)功(gōng)率激(jī)光等不同光源，選(xuǎn)用組(zǔ)合式中(zhōng)性密(mì)度(dù)衰(shuāi)減(jiǎn)係(xì)統(tǒng)，采用多(duō)片衰減(jiǎn)片(piàn)分(fēn)級切(qiē)換結(jié)構(gòu)，實現寬動(dòng)態光強調節。組(zǔ)件(jiàn)選(xuǎn)用高均(jūn)匀性，低(dī)麵形誤(wù)差的光學基(jī)片，保證衰減後(hòu)光(guāng)強分布不發(fā)生畸變，防(fáng)止局部光(guāng)強突變(biàn)影(yǐng)響(xiǎng)光斑真實(shí)形態(tài)。
（二）濾(lǜ)光組(zǔ)件
根(gēn)據(jù)被(bèi)測激光(guāng)波長選(xuǎn)配(pèi)對應窄帶濾光片(piàn)，濾(lǜ)光片(piàn)中心波(bō)長與(yǔ)激光波長精準(zhǔn)匹(pǐ)配(pèi)，帶(dài)寬(kuān)按需設計，在高效(xiào)阻(zǔ)隔(gé)環境(jìng)白光，紅(hóng)外雜光(guāng)的同時，最(zuì)大(dà)限度(dù)透過(guò)目標(biāo)激(jī)光。濾(lǜ)光片采用雙(shuāng)麵(miàn)增(zēng)透(tòu)鍍膜工(gōng)藝，降(jiàng)低界麵反射(shè)損失，減少二次(cì)反(fǎn)射(shè)形成的雜散(sàn)光(guāng)斑(bān)。
（三(sān)）成像(xiàng)物(wù)鏡組(zǔ)
成像(xiàng)物鏡(jìng)是(shì)光路核心成像(xiàng)單元，優(yōu)先(xiān)選用(yòng)復合(hé)消(xiāo)色差鏡頭組，由(yóu)多(duō)片不同曲率(shuài)，不同(tóng)光學材質的(dí)透鏡組(zǔ)合(hé)而成。根(gēn)據被測光(guāng)束口(kǒu)徑，工(gōng)作距離(lí)，成像倍率確(què)定(dìng)透鏡(jìng)焦(jiāo)距與視場(cháng)範圍，兼(jiān)顧大視場(cháng)成像(xiàng)與(yǔ)邊(biān)緣(yuán)畫質，保(bǎo)證全靶(bǎ)麵光(guāng)斑成(chéng)像一致性。透鏡表麵(miàn)鍍製廣譜(pǔ)增透(tòu)膜，適(shì)配紫(zǐ)外(wài)，可(kě)見光，近紅(hóng)外(wài)等多(duō)波(bō)段(duàn)激光(guāng)檢測(cè)需求(qiú)，降低(dī)界(jiè)麵(miàn)反射與光(guāng)能損耗(hào)。
三(sān)，主要(yào)光學(xué)像(xiàng)差產生機(jī)理(lǐ)
在激光成(chéng)像(xiàng)檢(jiǎn)測過程(chéng)中，受(shòu)透(tòu)鏡球(qiú)麵(miàn)形(xíng)態(tài)，光學(xué)材(cái)料色(sè)散(sàn)，元件裝配(pèi)偏差(chà)，視(shì)場(cháng)大小等因(yīn)素影(yǐng)響，光(guāng)路會產生(shēng)多種典(diǎn)型像(xiàng)差，直接(jiē)降(jiàng)低(dī)測(cè)量精(jīng)度(dù)：
球差(chà)：平行入(rù)射光(guāng)束經過(guò)球麵(miàn)透鏡時(shí)，近軸(zhóu)光(guāng)綫與(yǔ)邊(biān)緣(yuán)光(guāng)綫匯(huì)聚點(diǎn)不重合，造(zào)成光斑(bān)邊(biān)緣(yuán)模糊，邊(biān)界判(pàn)定誤差增大(dà)，尤其(qí)在大口(kǒu)徑(jìng)光束檢(jiǎn)測(cè)時(shí)影(yǐng)響尤(yóu)為明(míng)顯。
色差：不(bù)同(tóng)波長的(dí)光在(zài)光(guāng)學(xué)介質中(zhōng)折(zhē)射率(shuài)存在(zài)差異，導(dǎo)致(zhì)多(duō)波段(duàn)激光或寬光(guāng)譜(pǔ)檢測(cè)時，各色(sè)光成像(xiàng)焦點偏移，出(chū)現(xiàn)彩(cǎi)色邊緣(yuán)，光(guāng)斑輪廓(kuò)失真(zhēn)。
像散與場(cháng)曲：軸(zhóu)外光(guāng)束經(jīng)過透(tòu)鏡(jìng)後(hòu)，子午麵與弧(hú)矢麵(miàn)光綫焦(jiāo)點位置不一致，同時成(chéng)像(xiàng)麵(miàn)發生彎(wān)曲，造(zào)成(chéng)光斑中心清晰，邊(biān)緣變形，視場越(yuè)大，像(xiàng)散與場(cháng)曲問題(tí)越突(tū)出。
畸變：透鏡放大倍(bèi)率(shuài)隨視場位(wèi)置變(biàn)化(huà)，使矩(jǔ)形網(wǎng)格狀參(cān)考(kǎo)圖樣(yàng)發生(shēng)形(xíng)變，進(jìn)而(ér)導致光斑幾(jī)何尺寸(cùn)，重心位置計(jì)算出(chū)現係統(tǒng)偏(piān)差。
裝配(pèi)引(yǐn)發的附加(jiā)像差：光學(xué)透鏡偏(piān)心，傾斜(xié)，間距(jù)偏(piān)移，會(huì)額(é)外引(yǐn)入彗差，像散，造(zào)成光(guāng)斑(bān)不對稱，形態(tài)扭(niǔ)曲(qū)。
四，針對(duì)性像差(chà)校正技術方案
（一）球差(chà)校(xiào)正
采用(yòng)非(fēi)球麵透(tòu)鏡+多(duō)片(piàn)透鏡組合(hé)方式優化。利(lì)用非(fēi)球麵透(tòu)鏡(jìng)修正(zhèng)球麵(miàn)固(gù)有缺陷(xiàn)，使(shǐ)近軸光綫與邊緣(yuán)光(guāng)綫(xiàn)匯聚於同一(yī)焦(jiāo)點；搭(dā)配正負透鏡(jìng)搭配的結(jié)構設(shè)計，抵(dǐ)消(xiāo)單片透鏡產(chǎn)生的球(qiú)差。同(tóng)時(shí)合理控(kòng)製(zhì)光路通(tōng)光(guāng)孔(kǒng)徑(jìng)，在(zài)滿足光束檢測需(xū)求的(dí)前提下，減小透鏡有(yǒu)效(xiào)通(tōng)光區域，進一步抑(yì)製殘餘(yú)球差(chà)。
（二）色差校(xiào)正
選用消色(sè)差(chà)雙膠合透鏡(jìng)作(zuò)為核(hé)心成像單(dān)元(yuán)，將高色(sè)散，低色(sè)散(sàn)兩種光(guāng)學玻璃(lí)透鏡(jìng)粘合組合(hé)，利用(yòng)不(bù)同(tóng)材料的色散特性相互(hù)補償，實現可見光及近(jìn)紅(hóng)外(wài)波段色(sè)差(chà)校(xiào)正。針(zhēn)對(duì)紫外等特殊波(bō)段激(jī)光(guāng)，選用(yòng)專(zhuān)用紫(zǐ)外光學材(cái)料(liào)並(bìng)匹配對(duì)應的消色差(chà)光學結構，保證全(quán)工(gōng)作波(bō)段成像無色散(sàn)偏移。
（三）像(xiàng)散，場(cháng)曲與畸變(biàn)校正(zhèng)
優化(huà)鏡(jìng)頭組(zǔ)結構形式，采用(yòng)對稱式光學(xué)架(jià)構(gòu)，利用(yòng)前後(hòu)透鏡組的像差(chà)相(xiāng)互抵消，大幅降低軸外(wài)像(xiàng)散，場(cháng)曲(qū)與畸變。通過(guò)光學仿(fǎng)真軟件對鏡頭(tóu)曲(qū)率(shuài)，透(tòu)鏡間(jiān)距，鏡(jìng)片厚度(dù)進行(háng)迭代(dài)優化，將(jiāng)全(quán)視場(cháng)畸變控製在極(jí)小範(fàn)圍。對於大視場檢測(cè)場景，增(zēng)加(jiā)場鏡(jìng)元(yuán)件，修(xiū)正(zhèng)成(chéng)像麵彎曲(qū)問題(tí)，保(bǎo)證整(zhěng)個傳(chuán)感(gǎn)器(qì)靶(bǎ)麵(miàn)成(chéng)像(xiàng)平(píng)整均(jūn)匀。
（四）裝(zhuāng)配(pèi)與工藝校(xiào)正(zhèng)
光路裝配采用精密(mì)工裝定位，嚴(yán)格控(kòng)製各(gè)透鏡(jìng)的同軸度，端麵垂直度(dù)與(yǔ)鏡片(piàn)間(jiān)距，避免元件偏心，傾斜(xié)引入(rù)彗差與(yǔ)像散(sàn)。裝配完(wán)成後(hòu)進(jìn)行(háng)整機光學調(tiáo)校(xiào)，結(jié)合(hé)標準(zhǔn)光斑(bān)光(guāng)源進(jìn)行(háng)成像測(cè)試(shì)，對鏡(jìng)頭位置進行微量(liáng)補(bǔ)償，消除裝配殘餘像差。同時設置溫度補(bǔ)償結構，降低(dī)環境溫(wēn)度(dù)變(biàn)化引發的(dí)透鏡形變，折射(shè)率(shuài)漂移帶來的像差波動。
（五(wǔ)）軟件(jiàn)輔(fǔ)助(zhù)校(xiào)正(zhèng)
在硬件光(guāng)路(lù)校正(zhèng)基(jī)礎(chǔ)上，配套數字(zì)圖像處(chǔ)理算法(fǎ)進(jìn)行(háng)二次修(xiū)正(zhèng)。通過標準標(biāo)定板建立畸變校正(zhèng)模(mó)型(xíng)，對采集(jí)到的(dí)光(guāng)斑(bān)圖像(xiàng)進行像素坐(zuò)標校正，補(bǔ)償(cháng)殘餘(yú)幾何畸變；針(zhēn)對模糊(hū)圖像采(cǎi)用(yòng)銳化，降噪算法優(yōu)化(huà)輪(lún)廓，提(tí)升光(guāng)斑邊緣識別精(jīng)度，進一步(bù)弱化殘(cán)留(liú)光學(xué)像差帶來的測量(liáng)誤(wù)差。
五，總(zǒng)結
光(guāng)束質(zhì)量(liáng)分析(xī)儀(yí)成像(xiàng)光(guāng)路以(yǐ)模塊化結(jié)構實(shí)現(xiàn)光(guāng)束(shù)采樣(yàng)，衰(shuāi)減，濾(lǜ)波(bō)與成像全流(liú)程處理，而像差是製(zhì)約設備測(cè)量精度(dù)的(dí)核心因(yīn)素(sù)。通過(guò)優化光(guāng)學鏡片(piàn)組(zǔ)合，采(cǎi)用(yòng)消色差(chà)/非球麵(miàn)光學結構，精(jīng)密(mì)裝(zhuāng)調(tiáo)工(gōng)藝(yì)，結(jié)合(hé)軟(ruǎn)硬(yìng)件協同(tóng)校正(zhèng)方案，可(kě)有效抑製球差，色差(chà)，像(xiàng)散，畸(jī)變等(děng)各類(lèi)光學(xué)缺陷(xiàn)。
經(jīng)過光路優化(huà)與(yǔ)像(xiàng)差(chà)校正(zhèng)後的係統(tǒng)，能夠真實(shí)還原(yuán)激光(guāng)光斑的形貌(mào)，光強分(fēn)布特征，大幅(fú)提(tí)升(shēng)光(guāng)斑直徑，光(guāng)束(shù)重(zhòng)心，M²因子(zǐ)等關(guān)鍵(jiàn)參數(shù)的測量準確度與(yǔ)重復性，可穩(wěn)定(dìng)應(yīng)用於(yú)工業激(jī)光加工(gōng)，科(kē)研光(guāng)學(xué)，激光(guāng)器件檢(jiǎn)測(cè)，醫療激光等(děng)各(gè)類(lèi)高精度(dù)光束(shù)表(biǎo)征場景。
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