CN106247948A - 基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，由直角棱镜、双对称半透半反镜、直角棱镜、半五角棱镜和光电探测器组成；所述系统生成对称的左右双光束，无论激光抖动角度如何变化，左右光束的位置均值保持恒定；所述双对称半透半反镜可均衡左右光束投射到半透半反镜时产生的偏移量，以保证左右光束抖动的差值相等。本发明所述系统结构紧凑、无电磁干扰、可移植性高，适用于各种激光测量场合。

Description

基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统

技术领域

本发明涉及一种激光抖动补偿系统，具体地，是一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统。

背景技术

在应用领域，激光抖动是影响测量精度的重要因素之一。如在激光三角位移传感器中，毫弧度的激光抖动会引起毫米级的位移测量误差。

引起激光抖动的原因主要有以下三种：晶体热效应引起的光学畸变，温度引起的机械畸变和机械振动引起的激光器晶体棒和谐振腔镜相对位置偏离。

由于激光抖动在激光测量领域中非常重要，国内外对此作了大量研究。研究内容包括激光指向性精密测量及改善激光指向性方法。

K.C.Fan提出了一种激光二极管指向控制装置，该装置采用四象限探测器采集控制信号，可将激光抖动降低到0.3μm。F.Breitling采用低通滤波和人工神经网络技术将慢脉冲钛蓝宝石激光器的光束抖动由0.577rad降低至0.247μrad。

Andrei Stalmashonak设计了一种飞秒激光输出光束指向稳定装置。该装置由一个反射镜和一个CCD组成，可将激光抖动油40μrad降低至0.5μrad。

B.Frohlich等介绍了一种双频声光调制控制器，可以将激光光束功率控制为一个常数，而且可将激光抖动降低1/20。

Ranjeet Singh介绍一种由单色CCD相机和压力驱动反射镜构成的鲁棒控制装置。该装置可通过校正频率为30Hz的高功率纳秒Nd:YAG激光的光束的脉冲误差达到控制光束指向的目的，实验表明光束抖动可由±60μrad减小到±5μrad。

然而这些方法有以下三种缺点：系统组成复杂、体积大，不适用于小型测量系统和装置；补偿过程效率低、耗时长，不适用于测量速度要求高的在线实时测量场合需求；需要增加反馈信号，对于某些测量装置是不必要的或者难于实现。

发明内容

为解决现有激光抖动补偿系统存在的问题，本发明公开一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，该系统可以产生对称的左右两束激光光束，因此无论激光光束抖动角度如何变化，双光束位置的均值保持不变，故可达到激光去抖的目的；本系统由多个小型棱镜组成，结构紧凑，适用于小型紧凑的装置中；而且本系统无信号处理电路，故可避免电磁干扰，极大的提高了系统的抗干扰能力。

为实现以上目的，本发明提供一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，包括：直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜、半五角棱镜和光电探测器，其中：

所述直角棱镜布置于激光器的正前方；所述双对称半反半透镜和所述五角棱镜布置于所述直角棱镜的左侧；所述半五角棱镜布置于所述直角棱镜的右前方；所述光电探测器布置于整个系统的正前方；所述的直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜、半五角棱镜和光电探测器的中心处于同一个高度，以保证所有光束工作于同一个平面之内；

由激光器发出的准直激光束投向所述直角棱镜后向左侧反射，并投向所述双对称半反半透镜；激光光束经所述双对称半透半反镜后分为两束光：一束为透射光束，透射光束投向所述五角棱镜，并经所述五角棱镜反射后形成左光束后投向所述光电探测器；另一束为反射光束，反射光束投向所述半五角棱镜，并经所述半五角棱镜反射后形成右光束后也投向上述光电探测器；当激光器的指向性出现抖动时，激光器发出的光束出现左右摆动，经过所述系统产生左光束和右光束在所述光电探测器上的位置将会同步产生变化；布置直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜和半五角棱镜的位置，实现左光束与右光束的位置变化的大小相等、方向相反，即左光束和右光束的中心位置将保持不变，由此有效补偿激光器抖动造成的指向性变化。

优选地，所述的直角棱镜的入射面与激光束方向垂直，直角棱镜的反射面与激光束成45°，以实现激光束的转向。

优选地，所述的双对称半反半透镜由两块尺寸相同、材质相同的玻璃镜片粘合组成，玻璃镜片材料采用高透射率材料。

更优选地，所述的两块玻璃镜片之间镀有半反半透膜；当激光束投射到双对称半透半反镜后，首先透过第一块玻璃镜片，经过半反半透膜后分束为两束光，其中一束为透射光束，进入第二块玻璃镜片后向左侧射出；另一束为反射光束，经过第一块玻璃镜片后向右前方射出。

更优选地，所述的双对称半透半反镜的入射面与直角棱镜的出射面之间的夹角必须满足22.5°，从而保证反射光束的方向与激光器出射激光束的方向成45°。

优选地，所述的五角棱镜的入射面与激光器出射光束方向平行，五角棱镜的出射面与激光器出射光束方向垂直，从而保证经过两次折射后出射的左光束与激光器发出的光束完全平行，并投向光电探测器。

优选地，所述的半五角棱镜的入射面与激光器出射激光束的方向成45°，半五角棱镜的出射面与激光器出射激光束的方向垂直，从而使得反射光束经过半五角棱镜的两次反射后形成与激光器出射光束平行的右光束，并投向光电探测器。

更优选地，所述的半五角棱镜和五角棱镜的材料一致，即具有相同的折射率。

更优选地，所述的半五角棱镜45度小边尺寸是五角棱镜直角边尺寸的2倍。

优选地，所述的直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜和半五角棱镜的布局满足如下条件：

当激光器发出的激光束产生指向性偏移时，左光束和右光束的位置偏移量大小相等、方向相反。

优选地，所述的光电探测器为线性探测器件，用于同时检测两个光束的位置。

更优选地，所述的光电探测器采用线阵CCD、线阵CMOS。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，生成对称的左右两束激光光束，因此无论激光光束抖动角度如何变化，双光束位置的中心位置始终保持不变，故可达到激光去抖的目的。所述系统由多种棱镜以一定位置配合组成，结构紧凑，适用于密闭紧凑的系统中。而且所述系统无信号处理电路，故可避免电磁干扰，极大的提高了系统的抗干扰能力。与此同时由于所述系统为一个独立装置，可移植性高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的激光抖动差分补偿系统示意图；

图2为本发明一实施例的双光束在光电探测器上的位置变化示意图；

图3为本发明一实施例的双对称半透半反镜示意图；

图4为本发明一实施例的激光抖动差分补偿系统的光程展开图；

图中：

1为激光器，2为直角棱镜，3为双对称半透半反镜，4为五角棱镜，5为半五角棱镜，6为光电探测器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，所述系统由直角棱镜2、双对称半透半反镜3、五角棱镜4、半五角棱镜5和光电探测器6组成，其中：

直角棱镜2布置于激光器1的正前方，双对称半反半透镜3和五角棱镜4布置于直角棱镜2的左侧，半五角棱镜5布置于直角棱镜2的右前方，光电探测器6布置于整个系统的正前方；所述直角棱镜2、双对称半透半反镜3、五角棱镜4、半五角棱镜5和光电探测器6的中心处于同一个高度，以保证所有光束工作于同一个平面之内。

所述系统的工作过程与原理如下：

由激光器1发出的准直激光束投射到直角棱镜2后向左侧反射，并投射到双对称半反半透镜3；激光束经双对称半透半反镜3后分为两束光：一束为透射光束，并投射向五角棱镜4，经五角棱镜4反射后形成左光束投射向光电探测器6；另一束为反射光束，投射向半五角棱镜5，经半五角棱镜5反射后形成右光束也投射向光电探测器6；

当激光器1的指向性出现抖动时，激光器1发出的激光束出现左右摆动，经过所述系统产生左光束和右光束在光电探测器6上的位置将会同步产生变化；布置直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜和半五角棱镜的位置，可以实现左光束与右光束的位置变化大小相等、方向相反，即左光束和右光束的中心位置将保持不变，由此有效补偿激光器1抖动造成的指向性变化。

如图2所示，为双光束在光电探测器上的位置变化示意图，假设激光束抖动之前，激光束经过所述系统后形成的左光束和右光束成像于光电探测器6上的位置分别是P₁₁和P₂₁；若激光抖动一定角度之后，激光束经过所述系统后形成的左光束和右光束于光电探测器6上成像的位置分别是P₁₂和P₂₂，那么只要直角棱镜2、双对称半透半反镜3、五角棱镜4和半五角棱镜5的位置关系满足|a+e-c+f|＝K(详见图4)，便可使得左光束和右光束的位置变化量大小相等而方向相反，即：

P₁₁-P₁₂＝-(P₂₁-P₂₂)

则有：

(P₁₁+P₂₁)/2＝(P₁₂+P₂₂)/2＝P

即：无论激光束抖动角度如何变化，经所述系统后均可使左光束和右光束的位置中心点P的位置仍然保持不变，从而有效补偿激光抖动产生的影响。

所述的直角棱镜2的入射面与激光束方向垂直，直角棱镜2的反射面与激光束成45°，以实现激光束的转向。

作为优选的实施方式，所述的直角棱镜2可采用常规直角反射镜实现。

所述的双对称半透半反镜3由两块尺寸相同、材质相同的玻璃镜片粘合组成，玻璃镜片材料采用高透射率材料，例如BK7、BK9等。

所述的双对称半透半反镜3的两块玻璃镜片之间镀有半反半透膜；当激光束投射到双对称半透半反镜3后，首先透过第一块玻璃镜片，经过半反半透膜之后分束为两束光，一束为透射光束进入第二块玻璃镜片后向左侧射出；另一束为反射光束经过第一块玻璃镜片后向右前方射出。

如图3所示，为本实施例所述的双对称半透半反镜示意图。当入射激光束经B点折射进入第一块玻璃镜片后，到达半反半透膜的O点处；折射光线经半反半透膜后分成透射光束和反射光束，其中：透射光束折射进入第二块玻璃镜片并经由A点透射出；与此同时，反射光束折射进入第一块玻璃镜片并经由C点射出，O_BA＝O_BC。在图3中，只要直角棱镜2、双对称半透半反镜3，五角棱镜4和半五角棱镜5的位置关系满足|a+e-c+f|＝K(详见图4)，便可使得左光束抖动位置差与右光束的抖动位置差值相等、方向相反。

所述的半透半反镜3的入射面与直角棱镜2的出射面之间的夹角必须满足，从而保证反射光束的方向与激光器1的出射激光束的方向成45°。

所述的五角棱镜4的入射面与激光器1出射激光束方向平行、出射面与激光器1出射激光束方向垂直，从而保证经过两次折射后出射的左光束与激光器1发出的激光束完全平行，并投向光电探测器6。

所述的半五角棱镜5的入射面与激光器1出射激光束的方向成45°、出射面与激光器1出射激光束的方向垂直，从而使得反射光束经过半五角棱镜5的两次折射后形成与激光器1出射激光束平行的右光束，并投向光电探测器6。

作为优选的实施方式，所述的半五角棱镜5和五角棱镜4的材料一致，即具有相同的折射率。

所述的直角棱镜2、半透半反镜3、五角棱镜4和半五角棱镜5的布局需满足条件：当激光器1发出的激光束产生指向性偏移时，左光束和右光束的位置偏移量大小相等、方向相反。

图4为基于半透半反镜的激光抖动差分补偿系统的光程展开图。其中关键点的坐标表述如下：B(a，b)，M(c，d)，N(e，f)。m为半五角棱镜5的45°角小边边长，n为五角棱镜4的直角边边长。h为半五角棱镜5到光电探测器6的距离，即h＝HI。

为保证左光束和右光束的位置偏移量大小相等、方向相反，需要满足|F′F|＝|I′I|。

在坐标系(O_Px_py_p)中，定义A点坐标为(x_A，y_A)，A′点坐标为(x_A′，y_A′)，因此，F点坐标(x_F，y_F)可表示为：

x_F＝x_A,

$y_F=f+a+(2+\sqrt{2})n+c-e+h$

当激光抖动角度α时，F′的坐标(x_F′，y_F′)可以表示为：

$x_{F^{\′}}=-(f-x_{A^{\′}}+c-e+h)\·tan\mathrm{\α}-(2+\sqrt{2})n\·tan\mathrm{\β}+x_{A^{\′}},$

$y_{F^{\′}}=f+\mathrm{\α}+(2+\sqrt{2})n+c-e+h$

因此可以求得F′F为：

$F^{\′}F=(f-x_{A^{\′}}+c-e+h)\·tan\mathrm{\α}+(2+\sqrt{2})n\·tan\mathrm{\β}+x_A-x_{A^{\′}}$

在坐标系(O_hx_hy_h)中，在坐标系(O_hx_hy_h)中，由于|Q_hQ|＝|O_pB|,|AB|＝|QC|，那么C点坐标可以表示为(x_A，y_A)。由于|Q_hQ|＝|O_pB|,|A’B’|＝|Q’C’|，C’点坐标可以表示为(x_A′，y_A′)。

因此可推导出I(x_I，y_I)坐标为：

x_I＝x_A,

$y_I=K+\frac{1}{2}(2+\sqrt{2})m+h$

其中，

当激光抖动角度α时，I′的坐标(x_I′，y_I′)可以表示为：

$x_{I^{\′}}=-(f-x_{A^{\′}}+c-e+h)\·tan\mathrm{\α}-(2+\sqrt{2})n\·tan\mathrm{\β}+x_{A^{\′}},$

$y_{I^{\′}}=f+a+(2+\sqrt{2})n+c-e+h$

因此I′I可以写作：

$I^{\′}I=(K-y_{A^{\′}}+h)\·tan\mathrm{\α}+\frac{(2+\sqrt{2})\·m}{2}\·tan\mathrm{\β}+x_A-x_{A^{\′}}$

当n＝2m，|F′F|＝|I′I|时，可以得到位置参数定义函数：

|a+e-c+f|＝K (1)

a，b，c，d，e，f，m和n之间的约束关系为：

$c>e,d>f,e-a<a,e>a,c-\sqrt{2}m<a---\left(2\right)$

a，b，c，d，e，f，m和n关系满足公式(1)和(2)，便可使得激光抖动时，左光束和右光束的抖动误差数值相等，方向相反，即左光束和右光束位置均值保持恒定值。

所述的光电探测器6为线性探测器件，可以同时检测左右两个光束的位置。例如采用线阵CCD、线阵CMOS或其他器件。

本发明上述系统，可激光去抖，结构紧凑、无电磁干扰、可移植性高，适用于各种激光测量场合。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，包括：直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜、半五角棱镜和光电探测器，其中：

所述直角棱镜布置于激光器的正前方；所述双对称半反半透镜和所述五角棱镜布置于所述直角棱镜的左侧；所述半五角棱镜布置于所述直角棱镜的右前方；所述光电探测器布置于整个系统的正前方；所述的直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜、半五角棱镜和光电探测器的中心处于同一个高度，以保证所有光束工作于同一个平面之内；

由激光器发出的准直激光束投向所述直角棱镜后向左侧反射，并投向所述双对称半反半透镜；激光光束经所述双对称半透半反镜后分为两束光：一束为透射光束，透射光束投向所述五角棱镜，并经所述五角棱镜反射后形成左光束后投向所述光电探测器；另一束为反射光束，反射光束投向所述半五角棱镜，并经所述半五角棱镜反射后形成右光束后也投向上述光电探测器；当激光器的指向性出现抖动时，激光器发出的光束出现左右摆动，经过所述系统产生左光束和右光束在所述光电探测器上的位置将会同步产生变化；布置直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜和半五角棱镜的位置，实现左光束与右光束的位置变化的大小相等、方向相反，即左光束和右光束的中心位置将保持不变，由此有效补偿激光器抖动造成的指向性变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的直角棱镜的入射面与激光束方向垂直，直角棱镜的反射面与激光束成45°。

3.根据权利要求1所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的双对称半反半透镜由两块尺寸相同、材质相同的玻璃镜片粘合组成，并在两块玻璃镜片之间镀有半反半透膜；

当激光束投射到双对称半透半反镜后，首先透过第一块玻璃镜片，经过半反半透膜后分束为两束光，其中一束为透射光束，进入第二块玻璃镜片后向左侧射出；另一束为反射光束，经过第一块玻璃镜片后向右前方射出。

4.根据权利要求3所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的双对称半透半反镜的入射面与直角棱镜的出射面之间的夹角必须满足22.5°，从而保证反射光束的方向与激光器出射激光束的方向成45°。

5.根据权利要求1所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的五角棱镜的入射面与激光器出射光束方向平行，五角棱镜的出射面与激光器出射光束方向垂直，从而保证经过透射后出射的左光束与激光器发出的光束完全平行，并投向光电探测器。

6.根据权利要求1所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的半五角棱镜的入射面与激光器出射激光束的方向成45°，半五角棱镜的出射面与激光器出射激光束的方向垂直，从而使得反射光束经过半五角棱镜的两次反射后形成与激光器出射光束平行的右光束，并投向光电探测器。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的半五角棱镜和五角棱镜的材料一致，即具有相同的折射率。

8.根据权利要求5或6所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的半五角棱镜45度小边尺寸是五角棱镜直角边尺寸的2倍。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的直角棱镜、双对称半透半反镜、五角棱镜和半五角棱镜的布局满足如下条件：

当激光器发出的激光束产生指向性偏移时，左光束和右光束的位置偏移量大小相等、方向相反。

10.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于双对称半透半反镜的激光抖动差分补偿系统，其特征在于，所述的光电探测器为线性探测器件，用于同时检测两个光束的位置。