CN101702022A - 一种激光点阵仪 - Google Patents

Abstract

一种激光点阵仪，由激光二极管、准直器、阵列棱镜和直角棱镜组成，阵列棱镜包括一个条形棱镜和安装在条形棱镜上的多个调向棱镜。本发明的条形棱镜阵列主体由多个不同形状的梯形分光棱镜组成，在相应的棱镜上分别镀制半反半透膜，然后通过光学胶胶合在一起，可以使入射的激光在条形棱镜中的反射面进行透射和反射，在反射面反射的激光通过不同的调向棱镜进行调向，可产生多个不同方向激光从而组成激光点阵该激光点阵仪，根据实测的光信号，对透射的光束可以进行调整，使不同方向的光束光强度尽可能一致。本发明结构简单，控制精度高，可以为月面巡视器前避障像机提供目标标识。

Description

一种激光点阵仪

技术领域

本发明涉及一种激光点阵仪，主要安装在月面巡视器用于目标识别。

背景技术

激光点阵仪主要安装在月球探测月面巡视器中，可以提供多路激光点阵，为APS前避障像机提供目标标识，激光点阵仪为月面巡视器前避障像机提供特征点，对未来深空探测着陆器具有重要意义。由于月面巡视器平台资源有限以及恶劣的月面环境，对激光点阵仪的功耗、体积、重量、耐高低温、抗辐照等指标都提出了苛刻要求。并且激光点阵仪的光束质量影响着APS光学成像敏感器测量范围、光信号提取和识别以及测量精度，也对激光点阵仪的性能提出了更高的要求。由于激光点阵仪的应用领域比较特殊，目前国内外均未见相关报道。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种激光点阵仪，体积小、控制精度高，可以为月面巡视器前避障像机提供目标标识。

本发明的技术解决方案是：一种激光点阵仪，由激光二极管、准直器、阵列棱镜和直角棱镜组成，两个准直器、阵列棱镜和直角棱镜构成光学探头部，其中阵列棱镜包括一个条形棱镜和安装在条形棱镜上的多个调向棱镜，激光二极管分别通过光纤将激光传输到光学探头部的准直器上进行准直，经过准直后的激光在直角棱镜上反射90°后入射到阵列棱镜中，入射的激光在阵列棱镜的条形棱镜中发生发射和透射，反射的激光经多个调向棱镜调向后产生多个不同方向激光从而组成激光点阵，所述条形棱镜由至少3个梯形分光棱镜通过光学胶粘结而成，梯形分光棱镜之间镀半反半透膜，其中第一个梯形分光棱镜为直角梯形分光棱镜，第一个梯形分光棱镜作为入射棱镜，梯形的斜边作为入射面，入射面与梯形分光棱镜的下表面的夹角为135°，第二个梯形分光棱镜至倒数第二个梯形分光棱镜的反射面与下表面之间的夹角依次增大且均大于90°，所述多个调向棱镜均为直角三角形棱镜，调向棱镜的斜边镀有增透膜，调向棱镜的斜边与梯形分光棱镜的上表面通过光学胶粘结，并且每个梯形分光棱镜反射面反射的光均由其上面的调向棱镜的直角边垂直透射。

所述阵列棱镜和直角棱镜采用K9玻璃或者JGS1石英玻璃。

所述阵列棱镜由11个梯形分光棱镜组成，其中第二个梯形分光棱镜至第十个梯形分光棱镜的反射面与下表面之间的夹角依次为112°、117°、124°、129°、135°、141°、147°、154°、159°。

所述阵列棱镜由10个梯形分光棱镜组成，第二个梯形分光棱镜至第九个梯形分光棱镜的反射面与下表面之间的夹角依次为112.45°、118.5°、125.25°、131.635°、138.365°、144.75°、151.5°、157.55°。

本发明与现有技术相比的优点：本发明的条形棱镜阵列主体由多个不同形状的梯形分光棱镜组成，在相应的棱镜上分别镀制半反半透膜，然后通过光学胶胶合在一起，可以使入射的激光在条形棱镜中的反射面进行透射和反射，在反射面反射的激光通过不同的调向棱镜进行调向，可产生多个不同方向激光从而组成激光点阵该激光点阵仪，根据实测的光信号，对透射的光束可以进行调整，使不同方向的光束光强度尽可能一致，本发明结构简单，控制精度高，可以为月面巡视器前避障像机提供目标标识。

附图说明

图1为本发明的组成结构图；

图2为本发明光学探头结构组成图；

图3为本发明激光二极管的温度控制电路工作原理图；

图4为本发明实施例1的光学探头结构组成图；

图5为本发明实施例2的光学探头结构组成图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，一种激光点阵仪，由激光二极管1、准直器2、阵列棱镜3和直角棱镜4组成，准直器2、阵列棱镜3和直角棱镜4构成光学探头部，其中阵列棱镜3包括一个由多个不同形状的棱镜组成的条形棱镜32和安装在条形棱镜上的多个调向棱镜33构成，激光二极管1分别通过光纤将激光传输到光学探头部的准直器2上进行准直，经过准直后的激光在直角棱镜4上反射90°后入射到阵列棱镜3中，入射的激光在阵列棱镜3的条形棱镜32中发生发射和透射，反射的激光在多个调向棱镜33中进行透射从而产生多个不同方向激光组成的激光点阵。条形棱镜32由多个梯形分光棱镜通过光学胶粘结而成，其中第一个梯形分光棱镜为直角梯形棱镜，第一个分光棱镜作为入射棱镜，梯形的斜边作为入射面，入射面与下表面的夹角为135°，第二个梯形分光棱镜至倒数第二个梯形分光棱镜的反射面6与下表面7之间的夹角依次增大且均大于90°。多个调向棱镜33均为直角三角棱镜，调向棱镜33的斜边镀有增透膜，调向棱镜33的斜边与梯形分光棱镜的上表面通过光学胶粘结，并且每个梯形分光棱镜的反射面反射的光均由其上面的调向棱镜33的直角边垂直透射。阵列棱镜和调向棱镜采用光学胶粘结而成，光学材料K9玻璃或者JGS1石英玻璃。

激光二极管放在目标标志器线路盒内，在线路盒内，光纤末端由于采用稳频的双光栅，需将光纤盘圆，直径大于

60mm。激光二极管尾纤经过引线盘5盘圆后，其稳定性满足任务要求。两支激光二极管安放在同一PCB板上，在PCB板下方，设计与PCB相同尺寸热沉板(铝板)，并与机箱的底板连接散热，激光二极管嵌在PCB板上并与热沉板连接散热。同理，PCB板安放在机箱顶部。激光二极管的驱动电路为单输入多输出的恒流源，并行地为近远场各两支激光二极管提供工作电流。

温度的变化将会影响到激光二极管的发光波长和输出功率，利用激光二极管内置的半导体致冷器，设计自动温度控制电路，使激光二极管工作在常温状态下。温度控制电路如图3所示，主要由分压电阻、热敏电阻、差模放大电路、PWM驱动电路、MOSOFT驱动电路、PID电路以及制冷器组成，选取不同的输入电压Vt的值可以设定不同的基准温度，以保证激光二极管在正常温度工作。热平衡时，致冷器控制热敏电阻的阻值，从而使得V1＝Vt，比例-微分-积分(PID)电路输出恒定的电压值，经过PWM驱动电路和MOSOFT驱动电路后使致冷器工作在一恒定的电流，用于补偿激光二极管注入电流引起的温度升高，从而保持激光二极管温度的恒定。当热敏电阻探测到激光二极管温度升高时，热敏电阻阻值下降，V1变小，得到误差信号(Vt-V1)，该误差信号经差模放大电路放大后通过PID电路使致冷器两端电压稳定上升，致冷电流增大，从而使温度下降，致冷电阻阻值升高直至V1＝Vt，激光二极管也恢复到原来的温度。同理，当激光二极管温度下降时，控制电路会减小致冷电流以保持激光二极管工作于设定温度，在激光二极管温度很低时，控制电路可以提供反向加热电流，提高激光二极管热沉的温度，使激光二极管恢复正常的工作状态。温度控制基于热敏电阻对激光二极管内部温度的探测，不同的热敏电阻对温度有不同的阻值温度对应关系，因而只有当激光二极管内部的热敏电阻特性符合下表要求时，本驱动源才能正常显示其内部温度和进行温度控制。

随着激光二极管的逐渐老化，其输出功率会随着其使用时间的增加而逐渐下降，因此可采用自动功率控制电路来保持其输出功率的恒定。通过使参考电流与光电流相等的方法来对激光二极管进行校准，这使得能够对光电流的瞬间变化进行检测，参考电流与光电流之间的偏差被转换成误差信号，并施加至激光二极管驱动器的偏压输入端，驱动器随后将增加激光二极管的偏置电流，直到误差信号减小至零为止。自动功率控制电路用于稳定激光器平均光输出，为了对激光二极管实施控制，在反馈通路上采用光电管监视器，构成一个对于激光二极管的闭环控制系统。

实施例1

如图4所示，阵列棱镜阵列3主体由11个不同形状的梯形分光棱镜组成，除第一个梯形分光棱镜和最后一个梯形分光棱镜外，在其余的棱镜上分别镀制9种不同规格的分光膜，然后胶合，构成阵列棱镜主体。为了控制光束的方向，在梯形分光棱镜相应的位置附加8个调向棱镜经过胶合而成，其中中间位置由于在分光棱镜的上表面垂直射出，所以不需要调向棱镜。每个调向棱镜的斜边镀增透膜，分光棱镜之间镀半反半透膜，保证由8个调向棱镜和诊疗棱镜发出的九路光束光功率一致。

9个分光膜的S光反射率分别为：R1＝(11±ΔR1)％，R2＝(12.5±ΔR2)％，R3＝(14.3±ΔR3)％，R4＝(16.6±ΔR4)％，R5＝(20.0±ΔR4)％，R6＝(25.0±ΔR5)％，R7＝(33.3±ΔR6)％，R8＝(50.0±ΔR7)％，R9＝(99.5±ΔR8)％；ΔRi均需控制在±0.1Ri之内(当Ri＜20％)，或ΔRi均需控制在±2％之内(当Ri＞25％)，并按当前实际测试的Ri值修正其后分光膜的设计，镀制第(i+1)个梯形分光棱镜的分光膜，依此类推，直至设计镀制最后一个分光膜。根据实测的光信号，对超差的光束进行调整，以便9个子光束的强度尽可能接近。

其中11个梯形分光棱镜中，第一个分光棱镜作为入射棱镜，梯形的斜边作为入射面，入射面与下表面的夹角为135°，第二个梯形分光棱镜至第十个梯形分光棱镜的反射面与下表面之间的夹角依次为112°、117°、124°、129°、135°、141°、147°、154°、159°，每个分光棱镜的分光面处入射光与反射光的夹角依次为43°、53°、67°、79°、90°、102°、113°、127°、137°，8个调向棱镜均为直角棱镜，梯形分光棱镜反射面反射的光均由调向棱镜的直角边垂直透射。

由于每个棱镜的分光膜都以不同的入射角工作，所以测试系统应具有可变入射角功能(0-90度范围)，以便测量650nm及845nm对应的反射率值。棱镜加工精度为2′，可以算得光斑打到地面光点重心偏移为2mm，当光点最小间距为200mm，则光点间距误差为1％。

实施例2

如图5所示，阵列棱镜阵列3主体由10个不同形状的梯形分光棱镜组成，除第一个梯形分光棱镜和最后一个梯形分光棱镜外，在其余的棱镜上分别镀制8种不同规格的分光膜，然后胶合，构成阵列棱镜主体。为了控制光束的方向，在梯形分光棱镜相应的位置附加8个调向棱镜经过胶合而成。每个调向棱镜的斜边镀增透膜，分光棱镜之间镀半反半透膜，保证八路光束光功率。

分光棱镜的分光膜设计与实施例1中的设计思想相同，需要按实际测试的Ri值修正其后分光膜的设计，镀制第(i+1)个梯形分光棱镜的分光膜，依此类推，直至设计镀制最后一个分光膜。根据实测的光信号，对超差的光束进行调整，以便8个子光束的强度尽可能接近。其中10个分光棱镜中，第一个分光棱镜作为入射棱镜，梯形的斜边作为入射面，入射面与下表面的夹角为135°，第二个梯形分光棱镜至第九个梯形分光棱镜的反射面与下表面之间的夹角依次为112.45°、118.5°、125.25°、131.635°、138.365°、144.75°、151.5°、157.55°，每个分光棱镜的分光面处入射光与反射光的夹角依次为44.9°、57°、70.5°、83.27°、96.73°、109.5°、113°、135.1°，8个调向棱镜均为直角棱镜，梯形分光棱镜反射面反射的光均由调向棱镜的直角边垂直透射。

由于每个棱镜的分光膜都以不同的入射角工作，所以测试系统应具有可变入射角功能(0-90度范围)，以便测量650nm及845nm对应的反射率值。棱镜加工精度为2′，可以算得光斑打到地面光点重心偏移为2mm，当光点最小间距为200mm，则光点间距误差为1％。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (4)

1.一种激光点阵仪，其特征在于：由激光二极管(1)、准直器(2)、阵列棱镜(3)和直角棱镜(4)组成，准直器(2)、阵列棱镜(3)和直角棱镜(4)构成光学探头部，其中阵列棱镜(3)包括一个条形棱镜(32)和安装在条形棱镜上的调向棱镜(33)，激光二极管(1)分别通过光纤将激光传输到光学探头部的准直器(2)上进行准直，经过准直后的激光在直角棱镜(4)上反射90°后入射到阵列棱镜(3)中，入射的激光在阵列棱镜(3)的条形棱镜(32)中发生发射和透射，反射的激光经调向棱镜(33)调向后产生不同方向激光从而组成激光点阵，所述条形棱镜(32)由至少3个梯形分光棱镜通过光学胶粘结而成，梯形分光棱镜之间镀半反半透膜，其中第一个梯形分光棱镜为直角梯形分光棱镜，第一个梯形分光棱镜作为入射棱镜，梯形的斜边作为入射面，入射面与梯形分光棱镜的下表面(7)的夹角为135°，第二个梯形分光棱镜至倒数第二个梯形分光棱镜的反射面(6)与下表面(7)之间的夹角依次增大且均大于90°，所述调向棱镜(33)均为直角三角形棱镜，调向棱镜(33)的斜边镀有增透膜，调向棱镜(33)的斜边与梯形分光棱镜的上表面通过光学胶粘结，并且每个梯形分光棱镜反射面反射的光均由其上面的调向棱镜(33)的直角边垂直透射。

2.根据权利要求1所述的一种激光点阵仪，其特征在于：所述阵列棱镜(3)和直角棱镜(4)采用K9玻璃或者JGS1石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的一种激光点阵仪，其特征在于：所述阵列棱镜由11个梯形分光棱镜组成，其中第二个梯形分光棱镜至第十个梯形分光棱镜的反射面与下表面之间的夹角依次为112°、117°、124°、129°、135°、141°、147°、154°、159°。

4.根据权利要求1所述的一种激光点阵仪，其特征在于：所述阵列棱镜由10个梯形分光棱镜组成，第二个梯形分光棱镜至第九个梯形分光棱镜的反射面与下表面之间的夹角依次为112.45°、118.5°、125.25°、131.635°、138.365°、144.75°、151.5°、157.55°。

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