ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СФОКУСИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА Российский патент 2013 года по МПК G01J1/42 

Область техники

Изобретение относится к измерительному устройству для измерения параметров сфокусированного лазерного пучка. Подлежащий измерению лазерный пучок может использоваться, в частности, в лазерной хирургии глаза, такой как рефракционная хирургия роговицы и хрусталика. Разумеется, приведенные примеры никак не ограничивают изобретение в отношении возможных применений лазерного пучка, подлежащего измерению.

Уровень техники

Точное знание определенных параметров, как правило, необходимо во многих применениях лазеров. В числе множества других применений, помимо лазерной хирургии глаза, достаточно упомянуть, в качестве примеров, фотолитографию в полупроводниковой промышленности, а также лазерное считывание или лазерную запись на оптических носителях.

Интересующие параметры лазерного пучка часто включают диаметр пучка, особенно в фокальной перетяжке пучка, а также расходимость пучка, но могут включать и другие параметры, такие как дифракционный индекс (обычно обозначаемый как М²) или профиль интенсивности в направлении, перпендикулярном направлению распространения пучка.

Известные методы измерений лазерного пучка включают так называемый метод лезвия и щелевые методы, в которых через пучок в поперечном направлении перемещают лезвие или достаточно узкую щель и измеряют с помощью приемника пропущенное излучение как функцию положения лезвия или щели соответственно. Дифференцируя кривую пропускания, полученную описанным образом, можно определить профиль пучка излучения, по которому, в свою очередь, можно определить диаметр пучка.

В качестве альтернативы рассмотренным методам измерения пропускания известны методы, основанные на "сканировании" пучка. Например, из US 4917489 известен метод, включающий увеличение размеров лазерного пучка посредством единственной увеличительной линзы и подачу результирующего лазерного пучка, после соответствующего ослабления его интенсивности, на устройство, воспринимающее изображение (датчик изображения). По изображению лазерного пучка, формируемому датчиком, можно рассчитать, с учетом коэффициента увеличения линзы, диаметр пучка в фокусе линзы, находящемся в пространстве предметов.

Раскрытие изобретения

В отличие от известных устройств, измерительное устройство по изобретению, предназначенное для измерения сфокусированного лазерного пучка, содержит линзовую систему увеличения, по меньшей мере, с двумя линзами, расположенными одна за другой вдоль траектории лазерного пучка. При этом последовательно расположенные линзы каждой пары линзовой системы имеют совпадающие фокальные точки. Устройство содержит также электронный датчик изображения для фиксации увеличенного изображения лазерного пучка, расположенный за линзовой системой увеличения, в ее фокальной точке, и адаптер для присоединения измерительного устройства к лазерной системе, генерирующей лазерный пучок. При этом адаптер охватывает траекторию лазерного пучка и образует опорную поверхность для лазерной системы, выступающую вперед вдоль оси лазерного пучка. Устройство содержит также средства продольной юстировки, обеспечивающие возможность совместной юстировки положения линз линзовой системы увеличения и датчика изображения вдоль оси пучка относительно базовой точки измерительного устройства, заданной на адаптере.

Предпочтительные варианты измерительного устройства по изобретению раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.

В справочной литературе по оптике гауссовских пучков (см., например, Kühlke, Dietrich: "Optik, Grundlagen und Anwendungen", Harri Deutsch Verlag, 1st edition, 1998) рассматривается зависимость коэффициента увеличения единственной положительной линзы от диаметра измеряемого лазерного пучка. Если определить коэффициент увеличения, как отношение диаметра фокальной перетяжки увеличенного сечения пучка к диаметру фокальной перетяжки неувеличенного сечения того же пучка, оказывается, что коэффициент увеличения, обеспечиваемый единственной увеличительной линзой для меньших диаметров перетяжки, может быть существенно выше, чем для больших диаметрах перетяжки. Таким образом, предположение о постоянном номинальном коэффициенте увеличения может привести к существенным погрешностям в случае использования единственной увеличительной линзы для измерений в фокальных точках при различных диаметрах перетяжки.

Авторы установили, что зависимость коэффициента увеличения от диаметра пучка может быть устранена посредством многолинзовой системы при условии, что каждая пара последовательно установленных линз имеет совпадающие фокуса (фокальные точки). Для такой системы коэффициент увеличения может рассматриваться как постоянный, независимо от значения диаметра перетяжки пучка, подлежащего измерению. Это позволит более точно определять действительный диаметр перетяжки измеряемого лазерного пучка.

Средства продольной юстировки измерительного устройства по изобретению позволяют осуществлять требуемую юстировку линз и датчика изображения (как единого целого) вдоль траектории пучка относительно базовой точки, привязанной к измерительному устройству. Привязка к измерительному устройству означает, что базовая точка находится на поверхности или внутри измерительного устройства и, следовательно, является стационарной по отношению к измерительному устройству в целом. Возможность настройки узла, содержащего линзы и датчик изображения, вдоль траектории пучка позволяет точно локализовать фокальную перетяжку измеряемого лазерного пучка и, соответственно, настроить измерительное устройство таким образом, что лазерный пучок фокусируется точно в фокусе первой линзы линзовой системы увеличения. Такая ситуация будет соответствовать тому, что поперечное сечение лазерного пучка, фиксируемое датчиком изображения, имеет наименьшее значение. При взаимном расположении линз и датчика изображения в соответствии с изобретением перетяжка пучка будет изображаться на чувствительной поверхности датчика изображения, когда она находится в фокусе первой линзы. Требуемое положение может быть легко найдено при продольной юстировке узла, состоящего из линз и датчика изображения, относительно фокуса пучка.

Возможность настройки положения линз и датчика изображения в продольном направлении полезна также, альтернативно или дополнительно, для определения диаметра пучка в различных точках вдоль его траектории, другими словами, для определения профиля лазерного пучка по его длине. Данный профиль позволяет получить, например, информацию о расходимости пучка и дифракционном индексе. Разумеется, для определения названных и других параметров пучка должен быть предусмотрен соответствующим образом запрограммированный электронный анализаторный блок, который производит оценку и интерпретацию электрических сигналов, соответствующих изображению, которые поступают от датчика изображения и, если это необходимо, накапливаются в буферной памяти.

Диапазон юстировки, обеспечиваемый средствами продольной юстировки для узла, состоящего из линз и датчика изображения, предпочтительно охватывает, по меньшей мере, три рэлеевские длины лазерного пучка.

По желанию, средства продольной юстировки могут дополнительно обеспечивать продольную юстировку линз по отношению одна к другой и/или к датчику изображения, например, в целях калибровки или для компенсации погрешностей изготовления компонентов устройства или их сборки.

Согласно варианту, обеспечивающему особенно малую длину измерительного устройства, линзовая система увеличения содержит всего две линзы. Чтобы обеспечить адекватный коэффициент увеличения, первая линза должна иметь относительно короткое фокусное расстояние и, следовательно, относительно небольшие размеры. Более крупные линзы, которые легче обрабатывать и устанавливать, можно использовать, если линзовая система увеличения состоит из четырех линз. В таком случае требуемый коэффициент увеличения может быть получен в две стадии, каждой из которых соответствует пара линз. В результате при том же полном увеличении увеличение, обеспечиваемое каждой парой линз, может быть меньше, чем аналогичное увеличение для пары линз в варианте, использующем только две линзы.

Все линзы линзовой системы увеличения могут быть выполнены, как положительные линзы. Альтернативно, линзовая система может содержать, по меньшей мере, одну отрицательную линзу, но при этом, по меньшей мере, последняя линза линзовой системы должна быть положительной. Использование отрицательной линзы, благодаря тому что она имеет отрицательное фокусное расстояние, позволяет уменьшить требуемое для нее пространство по сравнению с положительной линзой. Это свойство можно использовать, прежде всего, в вариантах, содержащих более двух линз. В этих вариантах может быть выбрано увеличенное фокусное расстояние первой линзы, так что выигрыш в пространстве, достигаемый с помощью отрицательной линзы, будет более значительным по сравнению со схемами, в которых имеются только две линзы и в которых первая линза имеет сравнительно короткое фокусное расстояние. В любом случае последняя линза должна быть положительной, поскольку на датчик необходимо спроектировать действительное изображение лазерного пучка.

Было установлено, что для обеспечения малой деформации волнового фронта, вносимой линзовой системой увеличения, желательно, чтобы, по меньшей мере, одна из линз линзовой системы имела одну плоскую поверхность, а ее криволинейная поверхность была обращена к участку лазерного пучка, имеющему меньшую расходимость. Таким образом, линзовая система увеличения предпочтительно содержит только плоско-выпуклые или плоско-вогнутые линзы, но не линзы с двумя криволинейными поверхностями. Разумеется, данное условие не является обязательным.

Допуски на изготовление и сборку могут привести к тому, что, по меньшей мере, некоторые из оптических компонентов измерительного устройства будут недостаточно точно ориентированы относительно лазерного пучка в направлении, поперечном его траектории. Поэтому измерительное устройство предпочтительно содержит средства поперечной юстировки, обеспечивающие возможность юстировки, по меньшей мере, первой линзы линзовой системы поперечно траектории пучка (предпочтительно в вертикальном направлении) относительно уже упоминавшейся базовой точки измерительного устройства. Было обнаружено, что смещение первой линзы линзовой системы с заданного положения поперечно траектории пучка может оказывать особенно сильное влияние на положение изображения на датчике изображения, на деформации волнового фронта и на искажения изображения, причем эти влияния в любом случае будут более сильными, чем влияния смещений остальных линз. Поэтому необходимо обеспечить поперечную юстировку, по меньшей мере, первой линзы. В одном из вариантов поперечно юстироваться может только эта линза, независимо от других линз и датчика изображения. Согласно другому варианту эта линза может юстироваться в поперечном направлении, по меньшей мере, совместно с другими (предпочтительно вместе со всеми) линзами линзовой системы или, более предпочтительно, как единый узел вместе с датчиком изображения.

Желательно, чтобы средства поперечной юстировки позволяли независимо юстировать, по меньшей мере, первую линзу линзовой системы увеличения в двух взаимно ортогональных поперечных направлениях.

Предпочтительная конфигурация измерительного устройства предусматривает установку, одна за другой, по меньшей мере, некоторых линз, но предпочтительно всех линз линзовой системы увеличения, находящихся на траектории пучка, в линзовый тубус, положение которого относительно базовой точки настраивается вдоль его оси с помощью средств продольной юстировки. Линзовый тубус предпочтительно может совершать контролируемые поступательные перемещения вдоль своей оси, но он зафиксирован от поворота в приемной полости направляющей детали. Эта деталь предпочтительно выполнена в форме трубки, причем средства продольной юстировки связаны с ней и с линзовым тубусом.

Линзовый тубус может выступать одним своим концом из направляющей детали и быть выполненным с возможностью механического сопряжения в зоне указанного конца с камерой, в которой находится датчик изображения.

Чтобы выбрать любые зазоры между линзовым тубусом и направляющей деталью, рекомендуется установить между ними упругое смещающее средство для создания смещающего усилия, действующего на линзовый тубус в осевом направлении в сторону направляющей детали.

В предпочтительном варианте измерительного устройства направляющая деталь несет адаптер. Адаптер предпочтительно выполнен как компонент, отдельный от направляющей детали, и присоединен к ней с возможностью отсоединения и замены. Это придает конструкции измерительного устройства модульность, позволяя селективно использовать в ней различные адаптеры для сопряжения с различными лазерными системами.

Вышеупомянутые средства поперечной юстировки могут быть связаны с адаптером и направляющей деталью.

Адаптер образует опорную поверхность для лазерной системы, выступающую вперед вдоль оси лазерного пучка. Именно эта опорная поверхность предпочтительно служит базовой точкой для продольной и, если необходимо, для поперечной юстировки оптических компонентов измерительного устройства.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет описано более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематично иллюстрируется относительное положение пары линз и датчика изображения для приема увеличенного изображения лазерного пучка.

На фиг.2 схематично иллюстрируется относительное положение двух пар линз и датчика изображения для приема увеличенного изображения лазерного пучка.

На фиг.3 в продольном сечении показан вариант измерительного устройства по изобретению.

На фиг.4 в увеличенном масштабе показана часть измерительного устройства по фиг.3.

На фиг.5 в увеличенном масштабе показана другая часть измерительного устройства по фиг.3.

Осуществление изобретения

На фиг.1 и 2 представлены две различные конфигурации линзовой системы увеличения, используемой в измерительном устройстве по изобретению. В варианте по фиг.1 эта линзовая система содержит всего две оптически тонкие линзы 10, 12, представляющие собой плоско-выпуклые положительные (собирающие) линзы. Измеряемый лазерный пучок сначала падает на линзу 10, а затем на линзу 12, после чего его увеличенное изображение фиксируется электронным датчиком 14 изображения. Датчиком изображения может являться, например, ПЗС-датчик или КМОП-датчик изображения. Оптическая ось линзовой системы увеличения обозначена как 16. Чтобы предотвратить искажения оптического изображения, желательно, чтобы ось лазерного пучка совпадала с оптической осью 16. С учетом того, что часто невозможно избежать нежелательных, обусловленных погрешностями изготовления или сборки смещений оптических компонентов измерительных устройств в поперечном направлении относительно направления лазерного пучка, в предпочтительных вариантах измерительного устройства по изобретению предусмотрены соответствующие средства настройки (юстировки), посредством которых, в случае необходимости, линзы линзовой системы увеличения и датчик изображения могут совершать совместное юстировочное перемещение в поперечном направлении относительно лазерного пучка таким образом, чтобы обеспечить точное совмещение оптической оси 16 с осью пучка.

Линза 10 на фиг.1 имеет фокальное расстояние f₁; два ее фокуса (в пространстве предметов и в пространстве изображений) обозначены соответственно, как 18 и 20.

Линза 12 на фиг.1 имеет фокальное расстояние f₂. Она расположена таким образом, что ее фокус (фокальная точка) в пространстве предметов совпадает с фокусом 20 в пространстве изображений первой линзы 10. Фокус линзы 12 в пространстве изображений обозначен как 22. Этот фокус совмещен с приемной плоскостью датчика 14 изображения.

Если при таком взаимном расположении линз 10, 12 и датчика 14 изображения перетяжка измеряемого лазерного пучка совпадает с фокусом 18, она проецируется на датчик 14 изображения с увеличением, не зависящим от диаметра перетяжки. Датчик 14 изображения связан с электронным анализатором (не изображен), который принимает от датчика 14 сигналы, соответствующие изображению, преобразует их, если это необходимо, в цифровую форму и определяет по ним увеличенный, а также реальный (неувеличенный) диаметр перетяжки. Для ослабления интенсивности лазерного пучка на его траектории могут быть установлены один или более нейтральных (серых) фильтров. Так, в приведенной в качестве примера конфигурации по фиг.1 нейтральный фильтр может быть помещен между линзой 12 и датчиком 14 изображения. Оптическая толщина нейтрального фильтра может при этом вызвать небольшое смещение фокуса 22, что должно учитываться при позиционировании датчика 14 изображения.

Можно видеть, что криволинейные поверхности линз 10, 12 обращены к той части пучка, которая имеет меньшую расходимость. Увеличение диаметра перетяжки, обеспечиваемое первой линзой 10, сопровождается преобразованием пучка в параллельный пучок, что приводит к меньшей расходимости лазерного пучка в пространстве изображений линзы 10, чем в ее пространстве предметов. Для линзы 12, напротив, лазерный пучок имеет большую расходимость в ее пространстве изображений. Именно с учетом этого линзы, как это показано на фиг.1, обращены своими криволинейными сторонами одна к другой. Такое положение линз, когда их плоские стороны обращены к участкам пучка с большей расходимостью, а криволинейные стороны - к участкам пучка с меньшей расходимостью, способствует удержанию деформаций волнового фронта, обусловленных присутствием линз 10, 12, на низком уровне. Тем самым минимизируются искажения изображения.

Если в рассматриваемом далее числовом примере принять увеличение равным 20 (это значит, что диаметр перетяжки на датчике 14 изображения будет в 20 раз больше, чем диаметр перетяжки без увеличения), то можно выбрать фокусные расстояния линз 10 и 12 примерно равными 3 мм и 60 мм соответственно. Такие фокусные расстояния позволяют получить достаточно короткую полную длину измерительного устройства. Приведенные численные значения, разумеется, выбраны только в качестве примера; в каких-то вариантах может оказаться целесообразным выбрать другие значения увеличения и, следовательно, другие фокусные расстояния линз 10, 12.

В варианте по фиг.2 линзовая система содержит четыре - снова оптически тонкие - линзы 24, 26, 28, 30. Датчик изображения и оптическая ось опять обозначены, как 14 и 16. Вторая и четвертая (по направлению распространения пучка) линзы 26 и 30 представлены в виде плоско-выпуклых положительных линз, тогда как первая и третья линзы 24 и 28 - как плоско-вогнутые отрицательные линзы. Пара линз 24, 26 образует первую ступень увеличения линзовой системы, тогда как вторая пара линз 28, 30 - вторую ступень увеличения. Коэффициенты увеличения обеих ступеней могут быть идентичными или различными, а полный коэффициент увеличения равен произведению коэффициентов увеличения обеих ступеней увеличения.

В проиллюстрированном варианте две положительные линзы 26, 30 имеют одинаковые фокусные расстояния. Фокуса положительной линзы 26 обозначены как 32, 34, а фокуса положительной линзы 30 - как 36, 38. Каждая из отрицательных линз 24, 28, имеющая отрицательное фокусное расстояние, расположена позади фокуса следующей за ней положительной линзы, но таким образом, что ее (мнимый) фокус совпадает с фокусом расположенной за ней положительной линзы. Это означает, что фокус 32 одновременно является (мнимым) фокусом линзы 24, а каждый из фокусов 34, 36 также соответствует одному (мнимому) фокусу отрицательной линзы 28.

Использование отрицательных линз вместо положительных позволяет уменьшить длину измерительного устройства, причем этот эффект сильнее выражен для четырехлинзовой конфигурации по фиг.2, чем для двухлинзовой конфигурации по фиг.1.

В следующем числовом примере снова принимается, что увеличение линзовой системы равно 20, причем фокусное расстояние каждой из положительных линз 26, 30 может составлять примерно 42 мм, а фокусное расстояние каждой из отрицательных линз - около 9 мм. Эти значения, разумеется, снова приведены только в качестве примера и могут быть изменены в любой момент, особенно если нужно получить другое увеличение линзовой системы.

На фиг.3-5 иллюстрируется конструкция конкретного примера осуществления изобретения. Представленное измерительное устройство в целом обозначено как 40. Оно является ручным устройством, которое может присоединяться к существующим лазерным системам, что устраняет необходимость переноса лазерной системы в специальную зону для измерений. Таким образом, измерительное устройство 40 позволяет сразу же произвести измерения in situ, т.е. в месте установки лазерной системы.

Измерительное устройство 40 снабжено адаптером 42, основная часть 44 которого имеет форму втулки, расположенной вдоль оптической оси 16. Адаптер 42 выполнен с возможностью подсоединяться своим левым (в положении по фиг.3) концом к лазерной системе, генерирующей лазерный пучок. Сопрягающие средства, предусмотренные для этой цели, включают выступающую вперед в осевом направлении опорную поверхность 46, которая служит осевым упором, обеспечивающим позиционирование измерительного устройства 40 вдоль оси относительно лазерной системы. Сопрягающие средства содержат также кольцевую стыковочную часть 48, которая предпочтительно выполнена заодно с основной частью 44 адаптера и служит в качестве насадки на объектив или другую часть лазерной системы. Данная часть 48 снабжена резьбовыми отверстиями 50, распределенными по ее боковой поверхности и служащими для ввода радиально ориентированных зажимных винтов (не изображены).

На другом своем конце основная часть 44 адаптера разъемно соединена с регулировочным блоком 52, в котором образовано приемное отверстие 54 для направляющей детали 56. Регулировочный блок 52 снабжен резьбовыми отверстиями 58 для ввода неизображенных зажимных винтов, посредством которых адаптер 42 может быть прикреплен к регулировочному блоку 52. Направляющая деталь 56 неподвижно удерживается в приемном отверстии 54 регулировочного блока 52. Однако она может юстироваться относительно регулировочного блока в радиальном направлении посредством регулировочных винтов (не изображены), имеющихся в регулировочном блоке 52. С этой целью регулировочный блок 52 может содержать внутреннюю втулку (не изображена), которая охватывает направляющую деталь 56 в радиальном направлении и которая зафиксирована внутри регулировочного блока 52 с возможностью регулировки в поперечном направлении. Подходящие регулировочные блоки имеются в продаже. Например, в качестве регулировочного блока 52 можно использовать юстировочное устройство, предлагаемое фирмой OWIS GmbH под названием "XY-Justieraufnahmeplatte OH40", слегка модифицированное, если это необходимо. Регулировочный блок 52 обеспечивает возможность независимых юстировок направляющей детали 56 по двум взаимно ортогональным радиальным направлениям. Таким образом, направляющая деталь 56 может юстироваться в любом направлении в плоскости, перпендикулярной оси.

Фиксированное положение направляющей детали 56 в осевом направлении относительно регулировочного блока 52 в представленном варианте обеспечивается наличием заплечика 60 на наружной боковой поверхности этой детали, а также кольца 62, которое навинчивается на направляющую деталь 56, так что регулировочный блок 52 фиксируется в осевом направлении между заплечиком 60 и навинчиваемым кольцом 62.

Направляющая деталь 56 образует направляющую осевого перемещения, имеющую приемную полость 66 для линзового тубуса 68, в который могут быть предварительно установлены линзы линзовой системы увеличения с образованием конструктивного модуля, в собранном виде устанавливаемого в направляющую деталь 56. В рассматриваемом конструктивном примере линзовая система увеличения соответствует варианту по фиг.1, так что в измерительном устройстве по фиг.3-5 имеются только две линзы 10 и 12. Однако должно быть понятно, что в линзовом тубусе 68 с равным успехом может быть собрана и другая конфигурация линз, например по фиг.2.

Линзовый тубус 68 установлен с возможностью перемещения в осевом направлении, но зафиксирован от поворота внутри приемной полости 66 направляющей детали 56. Для предотвращения взаимного разворота двух указанных деталей у линзового тубуса 68 имеется вытянутый в осевом направлении паз 70, образованный в его наружной боковой поверхности. С этим пазом может взаимодействовать стопорный винт (не изображен), который может быть введен в соответствующее резьбовое отверстие 72 направляющей детали 56.

Можно видеть, что линзовый тубус 68 и направляющая деталь 56 совместно (в частности, на одинаковую глубину) входят внутрь основной части 44 адаптера 42, имеющей форму втулки. При этом другим своим концом линзовый тубус 68 выступает из направляющей детали 56. В зоне своего выступающего конца линзовый тубус 68 сопряжен с цифровой камерой 74, частью которой является датчик изображения (на фиг.3-5 не изображен), такой как датчик 14 изображения по фиг.1 и 2. Торцевая опорная поверхность 76 на свободном осевом конце линзового тубуса 68 позволяет задать осевое положение камеры 74 относительно линзового тубуса 68 и, следовательно, относительно установленных в него линз 10, 12. Сопряжение камеры 74 с линзовым тубусом 68 может быть обеспечено, например, винтовым соединением или посредством радиальной насадки. Оснащение измерительного устройства 40 камерой 74, съемно присоединяемой к линзовому тубусу 68, позволяет использовать коммерческие модели камер.

Уже было упомянуто, что возможна предварительная сборка линзового тубуса 68 и устанавливаемых в него компонентов в виде конструктивного модуля. Помимо линз 10, 12, эти компоненты могут включать переднее кольцо 78, которое в процессе предварительной сборки первым вводится в линзовый тубус 68 и образует плоскую опорную поверхность для плоской стороны линзы 12. Переднее кольцо 78 контактирует с заплечиком 80, образованным переходом между частями осевого отверстия с большим и меньшим диаметрами. Вслед за линзой 12 в линзовый тубус 68 вводится разделительная втулка 82. После этой втулки устанавливается предварительно собранный линзовый блок 84, содержащий линзу 10. Данный блок содержит чашеобразную линзовую оправу 86, в основании которой выполнено сквозное центральное отверстие для прохода лазерного пучка. Линза 10 расположена перед этим отверстием, причем своей плоской стороной она упирается в основание линзовой оправы 86. Центрирующий диск 88 обеспечивает центрировку линзы 10 в радиальном направлении внутри линзовой оправы 86. Данная оправа на своей внутренней (в осевом направлении) стороне снабжена резьбой, на которую навинчены винт 90, фиксирующий линзу, и резьбовой диск 92. Чтобы не повредить линзу 10, фиксирующий винт 90 не прижимается с усилием к линзе 10, а стопорится посредством резьбового диска 92.

Линзовый блок 84, предварительно собранный описанным образом, проталкивается внутрь линзового тубуса 68, пока линзовая оправа 86 не упрется в разделительную втулку 82. На своем конце со стороны адаптера линзовый тубус 68 снабжен внутренней резьбой, по которой в него могут быть ввинчены два резьбовых диска 94, 96, служащие для фиксации остальных компонентов линзового тубуса 68. Эти диски 94, 96 предпочтительно зафиксированы относительно друг друга, чтобы предотвратить передачу осевых зажимных усилий через линзовую оправу 86 и разделительную втулку 82 на линзу 12.

Как уже было показано, линзовый тубус 68 может перемещаться относительно направляющей детали 56 в осевом направлении внутри приемной полости 66. Предусмотрены средства продольной юстировки взаимного положения линзового тубуса 68 и направляющей детали 56, которые позволяют точно настраивать это положение. Данные юстировочные средства включают регулировочный компонент 98, который навинчен на направляющую деталь 56 и одновременно упирается в осевом направлении в линзовый тубус 68. В представленном примере регулировочный компонент имеет форму резьбовой втулки, охватывающей направляющую деталь 56 и в радиальном направлении заходящей за кольцевой поясок 100, образованный на конце линзового тубуса 68, обращенном к камере. Резьбовая втулка 98 имеет внутреннюю резьбу, посредством которой она навинчена на соответствующую наружную резьбу направляющей детали 56. Между данной втулкой 98 и линзовым тубусом 68 образовано кольцевое пространство 102, в которое помещена смещающая пружина 104, выполненная, как спиральная пружина сжатия. Смещающая пружина 104 упирается одним концом в кольцевой поясок 100 линзового тубуса 68, а другим концом в направляющую деталь 56 и создает усилие, стремящееся развести компоненты 56, 68. Это осевое смещающее усилие передается от линзового тубуса 68 через его кольцевой поясок 100 отходящему внутрь кольцевому выступу, сформированному на обращенном к камере конце резьбовой втулки 98. Чтобы уменьшить трение между направляющей деталью 56 и резьбовой втулкой 98, между кольцевым пояском 100 и указанным кольцевым выступом линзового тубуса 68 установлено скользящее кольцо 108 из материала, облегчающего скольжение. Смещающая пружина 104 выбрана достаточно сильной, чтобы препятствовать непроизвольному смещению (обусловленному наличием зазоров) между линзовым тубусом 68 и направляющей деталью 56 при нормальных условиях работы измерительного устройства 40.

Резьбовая втулка 98 позволяет осуществлять требуемую продольную юстировку узла, содержащего линзы 10, 12 и камеру 74, относительно направляющей детали 56 и, следовательно, относительно опорной поверхности 46 адаптера 42, которая служит в качестве базовой (опорной) точки. Благодаря относительно большому (например, по сравнению с микрометрической резьбой) диаметру резьбы, может быть обеспечено очень чувствительное перемещение линзового тубуса 68. Тем самым погрешность юстировки в осевом направлении может быть уменьшена всего до нескольких микрометров. Если принять, что диаметр резьбовой втулки 98 составляет приблизительно 34 мм, такая высокая точность юстировки при большой чувствительности может быть достигнута при шаге резьбы около 0,5 мм (если дополнительно предположить, что человеческая рука способна поворачивать резьбовую втулку 98 на минимальное расстояние, составляющее 0,5-1 мм). Максимальный диапазон юстировочного перемещения линзового тубуса 68 в осевом направлении может лежать, например, в интервале нескольких миллиметров. Такой диапазон достаточен для проведения измерений М² при обычных диаметрах пучка, поскольку для таких измерений требуется перестройка осевого положения линзового тубуса 68 на три рэлеевские длины.

Для ослабления интенсивности лазерного пучка в линзовый тубус 68 дополнительно устанавливается серый (нейтральный) фильтр 110, который вводится в данный тубус с конца тубуса, обращенного к камере, и фиксируется в нем посредством прижимной втулки 112, причем между ней и фильтром вводится эластомерное кольцо 114. Такая конструкция позволяет заменять фильтр 110, т.е. использовать для различных интенсивностей пучка нейтральные фильтры различной плотности.

Изобретение относится к области оптических измерений. Устройство содержит линзовую систему увеличения, образованную двумя линзами (10, 12), установленными последовательно, с совпадающими фокусами на траектории лазерного пучка, а также камеру (74), расположенную за этими линзами в фокусе последней линзы (12). Камера содержит электронный датчик (14) изображения, генерирующий электронное изображение лазерного пучка, сечение которого увеличено посредством линз. Положение линз (10, 12) вместе с камерой (74) может юстироваться вдоль траектории пучка относительно базовой точки (46) измерительного устройства с целью локализации фокальной перетяжки лазерного пучка и определения диаметрального профиля лазерного пучка. Измерительное устройство дополнительно содержит адаптер (42), охватывающий траекторию пучка и служащий для прикрепления измерительного устройства к лазерной системе, генерирующей лазерный пучок. Адаптер (42) образует опорную поверхность (46) для лазерной системы, которая выступает по направлению оси (16) лазерного пучка. Изобретение обеспечивает возможность механического сопряжения с лазерными системами, имеющими различные механические и/или оптические параметры. 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Измерительное устройство для измерения сфокусированного лазерного пучка, содержащее:
- линзовую систему увеличения, по меньшей мере, с двумя линзами (10, 12), расположенными одна за другой вдоль траектории лазерного пучка, причем линзы единственной или каждой пары имеют совпадающие фокальные точки,
- электронный датчик (14) изображения для фиксации увеличенного изображения лазерного пучка, расположенный за линзовой системой увеличения в ее фокальной точке,
- адаптер (42) для присоединения измерительного устройства к лазерной системе, генерирующей лазерный пучок, при этом адаптер охватывает траекторию лазерного пучка и образует опорную поверхность (46) для лазерной системы, выступающую вдоль оси (16) лазерного пучка, и
- средства (98) продольной юстировки, обеспечивающие возможность совместной юстировки положения линз (10, 12) линзовой системы увеличения и датчика (14) изображения вдоль оси пучка относительно базовой точки измерительного устройства, заданной на адаптере.

2. Измерительное устройство по п.1, отличающееся тем, что часть линз или все линзы (10, 12) линзовой системы увеличения установлены одна за другой по направлению лазерного пучка в линзовый тубус (68), помещенный в приемную полость (66) направляющей детали (56) с возможностью перемещения вдоль оси указанного тубуса и зафиксированный от поворота вокруг указанной оси, при этом адаптер (42) присоединен к направляющей детали.

3. Измерительное устройство по п.2, отличающееся тем, что адаптер (42) выполнен как компонент, отдельный от направляющей детали (56), и присоединен к ней с возможностью отсоединения и замены.

4. Измерительное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что средства (98) продольной юстировки связаны с линзовым тубусом (68) и с направляющей деталью (56).

5. Измерительное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что содержит средства (52) поперечной юстировки, связанные с адаптером (42) и с направляющей деталью (56) и обеспечивающие юстировку, по меньшей мере, первой линзы (10) линзовой системы увеличения относительно базовой точки в поперечном направлении, перпендикулярном направлению лазерного пучка.

6. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что адаптер (42) содержит основную часть (44) в форме детали, охватывающей траекторию пучка и снабженной на одном из своих концов сопрягающими средствами для сопряжения с лазерной системой.

7. Измерительное устройство по п.6, отличающееся тем, что сопрягающие средства выполнены с возможностью установки на лазерную систему с формированием радиального прижимающего усилия.

8. Измерительное устройство по п.6, отличающееся тем, что основная часть (44) адаптера (42) присоединена другим своим концом к регулировочному блоку (52), обеспечивающему юстировку, по меньшей мере, первой линзы (10) линзовой системы увеличения относительно адаптера (46) в направлении, поперечном траектории лазерного пучка.

9. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что линзовая система увеличения образована двумя линзами (10, 12) или четырьмя линзами (24, 26, 28, 30).

10. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что все линзы (10, 12) линзовой системы увеличения являются положительными линзами.

11. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что линзовая система увеличения содержит, по меньшей мере, одну отрицательную линзу (24, 28), причем, по меньшей мере, последняя линза (30) указанной системы является положительной линзой.

12. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, одна линза (10, 12) линзовой системы увеличения имеет плоскую поверхность, а ее криволинейная поверхность обращена к участку лазерного пучка, имеющему меньшую расходимость.

13. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что средства (98) продольной юстировки обеспечивают совместную юстировку линзовой системы увеличения и датчика изображения в пределах, по меньшей мере, трех рэлеевских длин лазерного пучка.

14. Измерительное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что направляющая деталь (56) имеет форму трубки.

15. Измерительное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что линзовый тубус (68) выступает одним своим концом из направляющей детали (56) и выполнен с возможностью механического сопряжения в зоне указанного конца с камерой (74), в которой находится датчик изображения.

16. Измерительное устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что между линзовым тубусом (68) и направляющей деталью (56) установлено упругое смещающее средство (104) для создания смещающего усилия, действующего на линзовый тубус в осевом направлении в сторону направляющей детали.

17. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что датчик изображения является частью камеры, которая присоединена к измерительному устройству с возможностью отсоединения и замены.

18. Измерительное устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что выполнено с возможностью переноса в руках.