CN105823441A - 一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光束传输领域，涉及一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法，包括步骤：S1，分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜水平、等高设置，在激光方向无偏状态下，激光光束与分束镜面成45°，且激光经过两个分束镜的反射后分别垂直射入两个光敏传感器PSD屏幕的中心位置；S2：测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个分束镜的间距；S3：使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜；S4：读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值；S5：计算得出激光光束偏转角θ的正切值，求得到光束偏转角θ。本发明得到的光束偏转角转化为可直接用于系统控制的参量，测量方法简便，精度较高。

Description

一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法

技术领域

本发明属于光束传输领域，尤其涉及一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法。

背景技术

激光光束具有光束方向性好的重要特点，常应用于高能激光器、激光通讯等高精度光学系统中。但是，由于温度变化、平台振动、激光器指向漂移等原因，激光光束方向容易发生改变，如光束抖动、光束漂移，导致较大指向误差的产生。激光光束的方向是否发生偏转，指向精度是否达到要求，这需要依靠精确的测量做出决定。因此，需要研究一种测量精度高、简单可靠的光束偏转测量方法。

目前广泛应用的光敏传感器(PhotoelectricSensitiveDetector，以下简称PSD)的敏感屏幕大多是一个二维面，使用这类PSD必须解决两个问题：(1)如何将面内测得的光斑偏差量转化为系统的控制参量，即光束偏转角；(2)如何在空间定位PSD的光敏面位置。现有方法大多先连续采集大量图像，并计算相应光斑中心坐标的平均值和标准偏差，然后根据标准偏差计算激光光束的抖动或漂移角偏差，数据庞大、计算有延迟，且没有考虑PSD光敏面的定位问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法。具体技术方案包括以下步骤：

S1：分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜水平、等高设置，在激光方向无偏状态下，激光光束与分束镜面成45°，且满足激光经过两个分束镜的反射后分别垂直射入两个光敏传感器PSD屏幕的中心位置；

S2：测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个分束镜在无偏激光光束线路上的间距；

S3：使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜；

S4：读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值；

S5：根据下式计算得出激光光束偏转角θ的正切值，

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}{h_2-h_1+L},$

其中x₁、y₁分别为激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，x₂、y₂分别为激光光斑在第二个PSD屏幕上的坐标值，h₁、h₂分别为无偏光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，L为两个分束镜在激光光束线路上之间的间距；根据正切值tanθ，求解得到光束偏转角θ，即为测量得到的光束偏差量。

进一步地，所述步骤S5中获得的光束偏转角θ记为某一时刻0的光束偏转角θ₀，并记θ₀在水平面内和竖直面内的分量表示为α₀，β₀，即

记任意时刻k的光束偏转角θ_k为名义光束偏转角，将θ_k转为与时刻0的光束偏转角θ₀关系为：其中α_k,β_k为θ_k水平面内和竖直面内的分量，x_1,0，y_1,0表示时刻0时激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，x_1,k，y_1,k表示时刻k时激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，进一步，得到进而得到名义光束偏转角。实际操作中可将名义光束偏转角直接用作控制系统的参量。

采用本发明的有益效果：利用现有应用最普遍的光敏传感器PSD和分束镜，根据本发明方法能够对光束偏转角进行测量，并提供了一种光束指向控制实际操作中可直接用作控制参量的名义光束偏转角的测量计算方法，并给出了实验操作中如何安装PSD和分束镜的位置，以降低测量误差。本发明计算得到的光束偏转角转化为可直接用于系统控制的参量，即名义光束偏转角，测量方法简便，精度较高。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明中相关仪器安装布局示意图；

图3是光束偏转角θ的空间分解图；

图4是理想条件下光束偏转角计算几何关系图；

图5是PSD安装有误差时读数光束偏转角计算几何关系图；

图6是分束镜安装有误差时读数光束偏转角计算几何关系图；

图7是10Hz激励情况下主动光学调整架控制效果曲线及其总位移局部放大图。

图8是50Hz激励情况下主动光学调整架控制效果曲线及其总位移局部放大图。

图9是150Hz激励情况下主动光学调整架控制效果曲线及其总位移局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

以主动光学调整架光束指向控制实验为依托，具体描述基于双光敏传感器的光束偏差测量方法，下面结合附图说明具体实施方式。实施例中，设置一个激光发射器，无偏状态下激光发射器平行于地面放置，即发出的激光方向平行于地面，坐标原点O为激光发生器的激光发射出口，坐标轴Y平行于地面且指向激光发射方向，坐标轴Z垂直地面且正向为竖直向上，坐标轴X与坐标轴Y、Z成右手系。

如图1所示，本发明方法流程图，具体步骤如下。

S1：分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜水平、等高设置；如图2所示，实施例中两个分束镜(分束镜1与分束镜2)与无偏状态激光方向成45°角并垂直地面放置，两个分束镜之间彼此平行，两个PSD(PSD1与PSD2)的光学敏感屏幕均垂直地面放置且平行于激光方向，光学敏感屏幕平均分为四个象限，其中屏幕的几何中心为坐标原点，水平向右为x轴正向，竖直向上为y轴正向，激光方向无偏状态下激光发射器发出的激光依次经过两个分束镜的反射后分别垂直射入两个PSD光学敏感屏幕的中心，在本主动光学调整架光束指向控制实验中，PSD采用的是THORLABS的PDP90A，为2D横向效应位置传感器，光敏屏幕尺寸为9mm×9mm，敏感波长范围为320nm到1100nm，位置分辨率为错误！未找到引用源。。

S2：测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个分束镜在激光光束线路上之间的间距；如图4所示，h₁＝0.7m、h₂＝0.7m分别为无偏光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，L＝0.7m为两个分束镜之间的间距，J＝10m为光束偏转点距离第一个分束镜的距离，这里的光束偏转点为被控光学调整架上普通光学镜面的激光反射点。

S3：使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜；

S4：读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值；依据激光光斑在两个PSD屏幕上水平方向和竖直方向的偏移量，即在两个PSD屏幕的坐标值，

S5：计算得出激光光束偏转角θ的正切值，如图3所示，光束偏转角θ在水平面内的分量α和竖直面内的分量β；根据图4中所示关系，在三角形ABC内由三角关系计算获得，则激光光束在XOY平面上的投影与Y轴正向夹角α表示为，

$tan\mathrm{\α}=\frac{x_2-x_1}{h_2-h_1+L}=\frac{\mathrm{\Δ}x}{h_2-h_1+L}$

根据图中关系也可由下式进行求解

$tan\mathrm{\α}=\frac{x_1}{h_1+J}=\frac{x_2}{h_2+J+L}$

同理，激光光束在YOZ平面上的投影与Y轴正向夹角β可以表示为，

$tan\mathrm{\β}=\frac{y_2-y_1}{h_2-h_1+L}=\frac{\mathrm{\Δ}y}{h_2-h_1+L}$

同样也可由下式进行求解

光束偏转角θ的正切值为，

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{{\left(\mathrm{\Δ}x\right)}^2+{\left(\mathrm{\Δ}y\right)}^2}}{h_2-h_1+L}=\sqrt{{\tan }^2\mathrm{\α}+{\tan }^2\mathrm{\β}}$

以上角度值均以逆时针为正。

在实际操作中，手动测量距离参数过程可能出现的较大误差可通过引入名义光束偏转角θ_k进行修正，通常是通过计算某一时刻0的光束偏转角在水平面内和竖直面内的分量为α₀，β₀：

${\mathrm{tan\α}}_0=\frac{x_{1,0}}{h_1+J},{\mathrm{tan\β}}_0=\frac{y_{1,0}}{h_1+J}$

则0时刻的光束偏转角θ₀为，

${\mathrm{tan\θ}}_0=\sqrt{{\tan }^2{\mathrm{\α}}_0+{\tan }^2{\mathrm{\β}}_0}$

之后任意时刻k的光束偏转角在水平面内和竖直面内的分量表示为，

${\mathrm{tan\α}}_k=\frac{x_{1,k}}{x_{1,0}}{\mathrm{tan\α}}_0=\frac{x_{1,k}}{h_1+J},{\mathrm{tan\β}}_k=\frac{y_{1,k}}{y_{1,0}}{\mathrm{tan\β}}_0=\frac{y_{1,k}}{h_1+J}$

则k时刻的光束偏转角，因其基于某一初始时刻0的测量值得到的一个相对的值，也即最终得到的名义光束偏转角θ_k为，

${\mathrm{tan\θ}}_k=\sqrt{{\tan }^2{\mathrm{\α}}_k+{\tan }^2{\mathrm{\β}}_k}$

此时测量得到的名义光束偏转角θ_k可能会由于h₁,J的测量存在偏差而与真实光束偏转角存在偏差，但是二者之间的比例总是恒定的，即：

${\mathrm{\θ}}_k=const\·{\widetilde{\mathrm{\θ}}}_k$

式中，const为一个常数，故利用名义光束偏转角不影响控制的精度，名义光束偏转角可作为最终的控制参数。

在实际安装PSD和分束镜的过程中，安装误差会直接影响到偏转角的测量精度，具体原理为：

如图5所示，为减小PSD安装误差带来的影响，优化PSD的安装位置、安装角度，在PSD光敏屏幕有倾斜的情况下，不同时刻的光束偏转角正切值与PSD读数不再为简单的比例关系，而是与各光学原件摆放位置参数有关，如下公式所示，

$\frac{{\mathrm{tan\α}}_i}{{\mathrm{tan\α}}_j}=\frac{x_{1,i}}{x_{1,j}}\·\frac{J+h_1-x_{1,j}{\mathrm{sin\δ}}_1}{J+h_1-x_{1,i}{\mathrm{sin\δ}}_1}=\frac{x_{2,i}}{x_{2,j}}\·\frac{J+L+h_2-x_{2,j}{\mathrm{sin\δ}}_2}{J+L+h_2-x_{2,i}{\mathrm{sin\δ}}_2}$

$\frac{{\mathrm{tan\β}}_i}{{\mathrm{tan\β}}_j}=\frac{y_{1,i}}{y_{1,j}}\·\frac{J+h_1-y_{1j}{\mathrm{sin\δ}}_1}{J+h_1-y_{1i}{\mathrm{sin\δ}}_1}=\frac{y_{2,i}}{y_{2,j}}\·\frac{J+L+h_2-y_{2,j}{\mathrm{sin\δ}}_2}{J+L+h_2-y_{2,i}{\mathrm{sin\δ}}_2}$

式中，脚标i,j分别表示i时刻和j时刻PSD测量参数，x_1,i，y_1,i表示时刻i时激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，x_2,i，y_2,i表示时刻i时激光光斑在第二个PSD屏幕上的坐标值，δ₁,δ₂分别为第一个PSD和第二个PSD的光学敏感屏幕安装误差角，以逆时针方向为正，故增大距离h₁和J，减小安装误差角δ₁,δ₂，有利于减小误差，即尽可能增大光束偏转点与PSD之间的光程并使得光束尽可能的垂直入射PSD屏幕，有利于提高测量精度。

如图6所示，为减小分束镜安装误差带来的影响，优化分束镜的安装位置、安装角度，当分束镜的安装存在误差时，由于反射光束与PSD屏幕夹角发生变化，不同时刻的光束偏转角正切值与PSD读数不再为简单的比例关系，而是与各光学原件摆放位置参数有关，如下公式所示，

$\frac{{\mathrm{tan\α}}_i}{{\mathrm{tan\α}}_j}=\frac{x_{1,i}}{x_{1,j}}\·\frac{J+h_1-x_{1,j}{\mathrm{sin\γ}}_1}{J+h_1-x_{1,i}{\mathrm{sin\γ}}_1}=\frac{x_{2,i}}{x_{2,j}}\·\frac{J+L+h_2-x_{2,i}{\mathrm{sin\γ}}_2}{J+L+h_2-x_{2,j}{\mathrm{sin\γ}}_2}$

$\frac{{\mathrm{tan\β}}_i}{{\mathrm{tan\β}}_j}=\frac{y_{1,i}}{y_{1,j}}\·\frac{J+h_1-y_{1,j}{\mathrm{sin\γ}}_1}{J+h_1-y_{1,i}{\mathrm{sin\γ}}_1}=\frac{y_{2,i}}{y_{2,j}}\·\frac{J+L+h_2-y_{2,i}{\mathrm{sin\δ}}_2}{J+L+h_2-y_{2,j}{\mathrm{sin\δ}}_2}$

式中，脚标i,j分别为i时刻和j时刻PSD测量参数，γ₁,γ₂分别为第一个分束镜和第二个分束镜的安装误差角，以逆时针方向为正，故增大距离h₁和J，减小安装误差角γ，有利于减小误差，即尽可能增大光束偏转点与PSD之间的光程并使得光束尽可能的垂直入射PSD屏幕，有利于提高测量精度。

对被控光学调整架在幅值相同的简谐激励10Hz，50Hz，150Hz三个频点上的控制效果曲线及其总位移局部放大图分别如图7至图9所示。由图可观察到，该系统在不同工况下控制实验的稳态幅值均不超过6μrad，所以通过本发明计算得到的名义光束偏转角去作为系统的控制输入的动态角度控制，维持测量角度在真值附近一定的精度内波动，说明光束指向的控制精度能够达到微弧度量级，验证了基于双光敏传感器的光束偏差测量方法的有效性和测量结果的高精度。

Claims (2)

1.一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜水平、等高设置，在激光方向无偏状态下，激光光束与分束镜面成45°，且满足激光经过两个分束镜的反射后分别垂直射入两个光敏传感器PSD屏幕的中心位置；

S2：测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个分束镜在无偏激光光束线路上的间距；

S3：使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜；

S4：读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值；

S5：根据下式计算得出激光光束偏转角θ的正切值，

$tan\mathrm{\θ}=\frac{\sqrt{{(x_2-x_1)}^2+{(y_2-y_1)}^2}}{h_2-h_1+L},$

其中x₁、y₁分别为激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，x₂、y₂分别为激光光斑在第二个PSD屏幕上的坐标值，h₁、h₂分别为无偏光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，L为两个分束镜在激光光束线路上的间距；根据正切值tanθ，求解得到光束偏转角θ，即为测量得到的光束偏差量。

2.如权利要求1所述的一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法，其特征在于：所述步骤S5中获得的光束偏转角θ记为某一时刻0的光束偏转角θ₀，并记θ₀在水平面内和竖直面内的分量表示为α₀，β₀，即

记任意时刻k的光束偏转角θ_k为名义光束偏转角，将θ_k转为与时刻0的光束偏转角θ₀关系为：其中α_k,β_k为θ_k水平面内和竖直面内的分量，x_1,0，y_1,0表示时刻0时激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，x_1,k，y_1,k表示时刻k时激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，进一步，得到进而得到名义光束偏转角。