CN103412405B - 一种光束耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光束耦合器，涉及一种光瞳位置检测新技术及一种光束耦合技术，适用于精密光电设备进行光束控制；本发明由箱体、两个耦合器座、两个电动倾角调整器、八个位置传感器、电气控制机箱、大平面反射镜组件、小平面反射镜和光轴检测器座组成：两个耦合器座与箱体固定连接；两个电动倾角调整器分别固定连接小平面反射镜和大平面反射镜组件并置于两个耦合器座中固定连接；一组四个位置传感器固定在第一电动倾角调整器的端面上，另一组四个位置传感器固定在光轴检测器座上，每组位置传感器的几何中心在光轴法平面上的投影重合；光轴检测器座与箱体固定连接；电气控制机箱与箱体固定连接。

Description

一种光束耦合器

技术领域

本发明涉及一种适用于车载、舰载、机载等各种运动平台上的精密光电系统中的光束耦合结构。具体的说，就是一种能够实现不同平台之间光束传输的光路耦合结构。

背景技术

在光束控制领域光束耦合技术是不可避免需要面对的问题。其中不同平台之间的光束耦合传输是最为常见的。对于静态系统，不同平台之间的光束耦合是依靠光学装校实现高精度耦合；对于运动平台上的系统，不同平台之间的光束在静止状态下实现的装配关系，会随着运动平台的运动发生改变，例如不同平台之间出现相对平移窜动或者一个平台相对另一平台翘起或塌陷。依靠一次静态装配实现不了任何情况下高精度光束耦合，必须在运动平台运动过后重新进行光束耦合修正。进行光轴耦合修正的结构已经出现了，但是光束耦合时只考虑光轴耦合修正是有问题的——忽略了“光瞳平移”，容易出现光束遮拦，造成传输能量减小。现有的光瞳位置检测技术使用条件局限性很大，只能在很小范围内实现。因此，设计一种结构在平台相对位置关系发生变化造成传输光束发生大角度偏移时，不仅能够对传输光束的光轴进行耦合修正，同时能够实现大角度范围的光瞳位置检测然后进行光瞳位置耦合修正，是非常有必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：在不同平台上的光学传输通道之间传输光束时，如果平台关系出现变化，能够对发生偏转的传输光束实现大角度范围光瞳位置检测，并实现光瞳和光轴的快速耦合修正，使发生偏转的光束重回光路中，保证光束准确无损失传输。

本发明一种光束耦合器解决问题采用的技术方案是由箱体、第一耦合器座、第二耦合器座、第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器、八个位置传感器、电气控制机箱、小平面反射镜、大平面反射镜组件和光轴检测器座组成；第一耦合器座、第二耦合器座、第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器、八个位置传感器、电气控制机箱、小平面反射镜、大平面反射镜组件和光轴检测器座位于并集成于箱体中，其中：

第一耦合器座、第二耦合器座与箱体固定连接；

第一电动倾角调整器置于第一耦合器座中并固定连接，用于实现小平面反射镜的二维倾角调整；第二电动倾角调整器置于第二耦合器座中并固定连接，用于实现大平面反射镜组件的二维倾角调整；

大平面反射镜组件与第二电动倾角调整器固定连接，用于接收传输光束并进行反射；小平面反射镜置于第一电动倾角调整器中并固定连接，用于接收大平面反射镜组件反射的传输光束并反射传输光束；大平面反射镜组件与小平面反射镜的法线与传输光束的光轴夹角为45°，大平面反射镜组件与小平面反射镜的中心位于传输光束光轴上；

八个位置传感器分成一组四个位置传感器和另一组四个位置传感器，每组的四个位置传感器呈十字对称分布；一组四个位置传感器对称分布且固定在第一电动倾角调整器的端面上，用于测量传输到小平面反射镜上光束光瞳的位置，每对位置传感器中心连线的交点与小平面反射镜中心重合，并与传输光束的光轴重合；另一组四个位置传感器对称分布且固定在光轴检测器座上，用于测量传输到光轴检测器座所在位置处光束光瞳位置，每对位置传感器中心连线的交点与光轴检测器座中心重合，并与传输光束的光轴重合；

光轴检测器座与箱体固定连接，光轴检测器座用于固定另一组四个位置传感器，并保证这四个位置传感器的中心与传输光束的光轴重合；

电气控制机箱与箱体固定连接，电气控制机箱的电气端与八个位置传感器、第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器的电气输入端连接，使八个位置传感器测量传输光束的光瞳位置，并驱动第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器调整倾角。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结构紧凑，具有很好的稳定性。

(2)本发明采用电动倾角调整器实现自动快速稳定检测与校正。

(3)本发明采用分布式位置传感器实现大角度范围高精度检测光束光瞳位置。

(4)本发明通过高精度检测校正光路中两处位置的光瞳位置同时实现光路的光瞳和光轴校正。

(5)本发明可以通过改变两处光瞳检测位置之间的距离实现不同精度的光轴校正。

本发明主要解决了跨平台传输光束时出现的光瞳位置大角度偏移检测问题，在此基础上发明了一种新型的高精度快速耦合技术。本发明采用分布式光电位置传感器实现±25°大角度范围的光瞳位置检测，该探测范围远远大于其它测量方法所能实现的测量范围；利用获得的位置信息控制电动倾角调整器实现光路中光束光瞳位置的自动校正；通过光路中两个位置的光瞳位置检测与校正，实现光束的光轴校正；最后通过这两处位置之间的间距控制光轴校正精度。

附图说明

图1：光束耦合器结构示意图；

图2：光束耦合器左视图(剖视图)；

图3：光束耦合器仰视图(剖视图)；

图4：光束耦合器箱体主视图(剖视图)；

图5a、图5b：电动倾角调整器结构示意图；

图6a、图6b：大平面反射镜组件结构示意图；

图7a、图7b、图7c、图7d：光束耦合器光瞳位置检测原理示意图；

图8a、图8b：光束耦合器光瞳位置检测范围示意图；

图9：光束耦合器光瞳校正示意图；

图10a、图10b：光束耦合器光轴校正示意图；

图11a、图11b、图11c、图11d：光束耦合器工作原理示意图。

图中符号说明：

1箱体、                      2a第一耦合器座、      2b第二耦合器座、

3a第一电动倾角调整器、  3b第二电动倾角调整器、

4八个位置传感器、      5电气控制机箱、    6小平面反射镜、

7大平面反射镜组件、    8光轴检测器座、    9传输光束、

11孔、                 10孔。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施案例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1、图2、图3所示光束耦合器结构，本发明由箱体1、第一耦合器座2a、第二耦合器座2b，第一电动倾角调整器3a、第二电动倾角调整器3b、八个位置传感器4、电气控制机箱5、小平面反射镜6、大平面反射镜组件7和光轴检测器座8组成；第一耦合器座2a、第二耦合器座2b，第一电动倾角调整器3a、第二电动倾角调整器3b、八个位置传感器4、电气控制机箱5、小平面反射镜6、大平面反射镜组件7和光轴检测器座8位于并集成于箱体1中，其中第一耦合器座2a、第二耦合器座2b与箱体1固定连接；第一电动倾角调整器3a置于第一耦合器座2a中并固定连接，用于实现小平面反射镜6的二维倾角调整；第二电动倾角调整器3b置于第二耦合器座2b中并固定连接，用于实现大平面反射镜组件7的二维倾角调整；大平面反射镜组件7与第二电动倾角调整器3b固定连接，用于接收传输光束并进行反射；小平面反射镜6置于第一电动倾角调整器3a中并固定连接，用于接收大平面反射镜组件7反射的传输光束，并将其反射；大平面反射镜组件7与小平面反射镜6的法线与传输光束的光轴夹角为45°，大平面反射镜组件7与小平面反射镜6的中心位于传输光束的光轴上；八个位置传感器4分成一组四个位置传感器和另一组四个位置传感器，每组的四个位置传感器呈十字对称分布；其中一组四个位置传感器4对称分布且固定在第一电动倾角调整器3a的端面上，用于测量传输到小平面反射镜6上传输光束的光瞳位置，每对位置传感器4中心连线的交点与小平面反射镜6中心重合，并与传输光束的光轴重合；另一组四个位置传感器4对称分布且固定在光轴检测器座8上，用于测量传输到光轴检测器座8所在位置处光束光瞳位置，每对位置传感器4中心连线的交点与光轴检测器座8中心重合，并与传输光束的光轴重合；光轴检测器座8与箱体1固定连接，光轴检测器座用于固定另一组四个位置传感器，并保证这四个传感器的中心与传输光束的光轴重合；电气控制机箱5与箱体1固定连接，电气控制机箱的电气端与八个位置传感器、第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器的电气输入端连接，使八个位置传感器4测量传输光束的光瞳位置，并驱动第一电动倾角调整器3a、第二电动倾角调整器3b调整倾角。

其中，采用一组四个对称分布的位置传感器4实现±25°范围内测量小平面反射镜6上的传输光束的光瞳位置。其中，采用另一组四个对称分布的位置传感器4实现±25°范围内测量光轴检测器座8所在位置处传输光束的光瞳位置。其中，采用两组位置传感器4测得的位置信息分别控制第一电动倾角调整器3a、第二电动倾角调整器3b调整小平面反射镜6和大平面反射镜组件7的角度，实现小平面反射镜6和光轴检测器座8处的光瞳位置自动校正。其中，通过小平面反射镜6和光轴检测器座8处的光瞳位置校正实现光轴校正。其中，通过改变小平面反射镜6和光轴检测器座8之间的距离实现不同精度的光轴校正。

如图4所示箱体1上下两面上各开有一个孔11、孔10，用于传输光束9从孔11进入，并从孔10出射；

所述的小平面反射镜6反射表面与箱体1上表面夹角45°；在第一电动倾角调整器3a的二维倾角调整功能作用下，调整光束光瞳在光轴检测器座8端面上的位置。

所述的大平面反射镜组件7反射表面与箱体1下表面夹角45°；在第二电动倾角调整器3b的二维倾角调整功能作用下，调整光束光瞳在小平面反射镜6端面上的位置。

所述的位于第一电动倾角调整器3a端面上的一组四个位置传感器4的靶面中心位于光束投影在电动平面二维倾角调整器3端面上形成的椭圆形的长短轴顶点位置；

所述的位于光轴检测器座8上的另一组四个位置传感器4的靶面中心位于光束投影在光轴检测器座8端面上形成的圆形上相互垂直的四个顶点位置；

所述的一组位置传感器4的每对位置传感器4中心连线与另一组位置传感器4的每对位置传感器4中心连线在光轴法平面内的投影夹角45°。

所述的电气控制机箱5可以由任何一个从事电气控制工作的设计人员轻易实现。

如图5a、图5b所示电动倾角调整器结构，第一电动倾角调整器3a、第二电动倾角调整器3b由平面二维倾角调整器12(专利号201010596060.6)和两个型号为28BYG250C-SASSMQ-0071的步进电机13组成；

如图6a、图6b所示大平面反射镜组件结构，大平面反射镜组件7为带有镜框14的平面反射镜15；

位置传感器4选用二维光电传感器-PSD；

电气控制机箱5是电气控制设计人员设计并制作的简单电气控制机箱，具有驱动步进电机和采集位置传感器信号的功能。

本发明的工作过程如下：

如图11a所示，传输光束9通过孔11从不同的方向进入到光束耦合器中，传输到大平面反射镜组件7表面，经大平面反射镜组件7接收并反射传输到小平面反射镜6的表面，此时传输光束9只能覆盖位于第一电动倾角调整器3a端面处的一组四个位置传感器4的中一个或几个，在电气控制机箱5的控制下这组位置传感器4测量出传输光束9在该处的光瞳位置，并驱动第二电动倾角调整器3b调整大平面反射镜组件7的倾角，改变传输光束9在第一电动倾角调整器3a端面上的光瞳位置，直到光瞳位置回到图9所示的中心位置，如图11b所示；经小平面反射镜6反射的传输光束9传输到光轴检测器座8上的状态如图11c所示，此时传输光束9只能覆盖位于光轴检测器座8处的另一组四个位置传感器4的其中一个或几个，在电气控制机箱5的控制下这组位置传感器4测量出传输光束9在该处的光瞳位置，并驱动第一电动倾角调整器3b调整小平面反射镜组件6的倾角，改变传输光束9在光轴检测器座8上的光瞳位置，直到光瞳位置回到图9所示的中心位置，如图11d所示；此时传输光束的光轴从图11c所示的偏离状态又回到了图1所示的原光路上，同时光瞳位置也回到了原位置。

光瞳位置检测原理：

如图3所示分布的四个位置传感器4检测光瞳位置的原理如图7a、图7b、图7c、图7d所示。图7a是光束光瞳覆盖左侧位置传感器4靶面外边沿示意；图7b是光束光瞳覆盖左侧和上部位置传感器4部分靶面示意；图7c是光束光瞳覆盖右侧位置传感器4靶面示意；图7d是光束光瞳覆盖四个位置传感器4靶面示意。位置传感器4是光电传感器，按图示分布的四个位置传感器4任意一个获得检测光束的光信号，都可将之转换为电信号，电气控制机箱5可据此电信号确定此时光瞳所在的位置及方向。按图示分布的四个位置传感器4所能检测的光瞳位置范围，如图8a所示；如图8b所示，此范围是以a为边长的正方形，其中s是图7a-图7d所示布局时位置传感器4测量光束光瞳位置能够实现的左右方向的最大范围。表达式如下：

式中：D_布是四个位置传感器4靶面中心所在圆的直径；

D_测是检测光束的直径；

D_psd是位置传感器4的靶面直径

从式中可以看出，这种光瞳位置检测方法可以检测到超出检测光束口径外的光瞳位置。

在图2所示的第一电动倾角调整器3a端面上分布的另一组四个位置传感器3检测光瞳位置的原理同上，此时，D_布是四个位置传感器3在光轴法面上的投影圆直径。

光瞳位置校正过程：

如图11a、图11b所示光束耦合器工作原理，以子午面内的变化为例；第一电动倾角调整器3a端面上分布的一组四个位置传感器3检测到光束的光瞳位置，电气控制机箱5驱动第二电动倾角调整器3b使大平面反射镜组件7产生角度偏转，改变小平面反射镜6上的光瞳位置，使光束的光瞳中心回到四个位置传感器3确立的中心上；光束耦合器光瞳校正效果如图9所示。

弧矢面内的光瞳位置校正同上述过程相同。

光轴校正原理：

根据“两点确定一条直线”的数学公理，对于偏离原光路的光束，只要将其中心连续两次校正回原光路的光轴上就能使其回到原光路上，如图10a、图10b所示。本发明中光轴检测器座8处的另一组四个位置传感器4实现了光束的第二次光瞳位置检测；第二电动倾角调整器3b控制小平面反射镜6实现了光轴检测器座8端面处检测光束的第二次光瞳校正，校正过程同上所述，如图11c、图11d所示。

光轴校正误差：

根据光轴校正原理，光轴校正残余误差表达式如下：

$\mathrm{\Δ\θ}={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Δs}}{L}$

式中：Δs：两组光瞳测量组件的中心在光轴法面上的不重合误差；

L：两组光瞳测量组件的中心在光轴方向上的距离

Δs是由光瞳位置校正误差和两个检测组件中心在光轴垂直面内的装配误差决定的，是个小量；决定Δθ大小的是L，设计不同的L值可以获得不同的光轴校正精度。

本例中，Δs取值φ0.2mm，L值设计为350mm，光轴校正精度<2′。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (6)

1.一种光束耦合器，其特征在于：由箱体、第一耦合器座、第二耦合器座、第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器、八个位置传感器、电气控制机箱、小平面反射镜、大平面反射镜组件和光轴检测器座组成；第一耦合器座、第二耦合器座、第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器、八个位置传感器、电气控制机箱、小平面反射镜、大平面反射镜组件和光轴检测器座位于并集成于箱体中，其中：

第一耦合器座、第二耦合器座与箱体固定连接；

第一电动倾角调整器置于第一耦合器座中并固定连接，用于实现小平面反射镜的二维倾角调整；第二电动倾角调整器置于第二耦合器座中并固定连接，用于实现大平面反射镜组件的二维倾角调整；

大平面反射镜组件与第二电动倾角调整器固定连接，用于接收传输光束并进行反射；小平面反射镜置于第一电动倾角调整器中并固定连接，用于接收大平面反射镜组件反射的传输光束并反射传输光束；大平面反射镜组件与小平面反射镜的法线与传输光束的光轴夹角为45°，大平面反射镜组件与小平面反射镜的中心位于传输光束的光轴上；

八个位置传感器分成一组四个位置传感器和另一组四个位置传感器，每组的四个位置传感器呈十字对称分布；一组四个位置传感器对称分布且固定在第一电动倾角调整器的端面上，用于测量传输到小平面反射镜上传输光束的光瞳位置，每对位置传感器中心连线的交点与小平面反射镜中心重合，并与传输光束的光轴重合；另一组四个位置传感器对称分布且固定在光轴检测器座上，用于测量传输到光轴检测器座所在位置处光束光瞳位置，每对位置传感器中心连线的交点与光轴检测器座中心重合，并与传输光束的光轴重合；

光轴检测器座与箱体固定连接，光轴检测器座用于固定另一组四个位置传感器，并保证这四个位置传感器的中心与传输光束的光轴重合；

电气控制机箱与箱体固定连接，电气控制机箱的电气端与八个位置传感器、第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器的电气输入端连接，使八个位置传感器测量传输光束的光瞳位置，并驱动第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器调整倾角。

2.根据权利要求1所述的光束耦合器，其特征在于：采用一组四个对称分布的位置传感器实现±25°范围内测量小平面反射镜上的传输光束的光瞳位置。

3.根据权利要求1所述的光束耦合器，其特征在于：采用另一组四个对称分布的位置传感器实现±25°范围内测量光轴检测器座所在位置处传输光束的光瞳位置。

4.根据权利要求1所述的光束耦合器，其特征在于：两组所述位置传感器测得的位置信息分别控制第一电动倾角调整器、第二电动倾角调整器调整小平面反射镜和大平面反射镜组件的角度，实现小平面反射镜和光轴检测器座处的光瞳位置自动校正。

5.根据权利要求1所述的光束耦合器，其特征在于：通过小平面反射镜和光轴检测器座处的光瞳位置校正实现光轴校正。

6.根据权利要求1所述的光束耦合器，其特征在于：通过改变小平面反射镜和光轴检测器座之间的距离实现不同精度的光轴校正。