CN110058216A - 一种光路结构、光路结构的使用方法、测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光路结构、光路结构的使用方法、测量系统和方法，所述光路结构包括第一镜组、第二镜组、固定反射镜和移动位移台，其中第一镜组和第二镜组分别包括多个第一棱镜和第二棱镜，第二镜组的棱镜个数与第一镜组的棱镜个数相等，第二镜组相对于所述第一镜组平行排列，第二镜组的第二棱镜的位置与所述第一镜组的第一棱镜的位置对应设置，第二镜组的棱镜位置延迟于所述第一镜组的棱镜位置；固定反射镜，接收反射光，与第二镜组的最后一个棱镜的位置相对应；移动位移台，带动第二镜组相对于所述第一镜组的垂直方向移动以改变所述第一镜组和第二镜组间的距离，从而消除飞秒光频梳连续测距的盲区，能够实现飞秒光学频率梳的全量程测距。

Description

一种光路结构、光路结构的使用方法、测量系统和方法

技术领域

本发明涉及飞秒光频梳技术领域，特别是涉及一种用于消除飞秒光频梳 连续测距盲区的测量系统的光路结构、光路结构的使用方法、消除飞秒光频 梳连续测距盲区的测量系统和方法。

背景技术

随着大尺寸精密装备的发展需求，越来越多的测距设备被应用，飞秒光 学频率梳作为一种前沿技术，由于其能够直接溯源到时间基准，因此基于飞 秒光频梳的测距技术具有测量精度高、测量距离远等优势，拥有极好的发展 前景；在测距原理上，分为飞行时间法和干涉法，飞行时间法主要是测量发 出与接收飞秒光频梳信号的时间差，但由于受时间探测器精度限制，该方法 测距精度一般为mm级；因此为了获得高精度的测距结果，一般采用参考光 路与测量光路相干涉的方法，通过测量参考光路与测量光路光程差实现距离 测量，如图1所示，L1为参考光路，L2为测量光路，由于飞秒光频梳信号为 脉冲形式，因此，在参考光路光程固定的情况下，需要参考光路与测量光路 脉冲信号相互重合的情况下才能得到待测距离，即参考光路与测量光路的光 程时间差为脉冲间隔的整数倍，即T＝N·τ(τ＝1/f_rep，frep为飞秒光频梳重复 频率)，当信号不重合而无法形成干涉时，将无法获得待测距离，即形成盲 区。

发明内容

为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种用于消除飞秒光 频梳连续测距盲区的测量系统的光路结构，包括第一镜组、第二镜组、固定 反射镜和移动位移台，其中

所述第一镜组包括多个第一棱镜，所述多个第一棱镜按照第一预定角度 连接，所述第一镜组固定在所述移动位移台上；

所述第二镜组包括多个第二棱镜，所述多个第二棱镜按照第二预定角度 连接；

所述第二镜组的棱镜个数与第一镜组的棱镜个数相等，所述第二镜组相 对于所述第一镜组平行排列，所述第二镜组的第二棱镜的位置与所述第一镜 组的第一棱镜的位置对应设置，所述第二镜组的棱镜位置延迟于所述第一镜 组的棱镜位置；

入射光入射到第一镜组的第一个第一棱镜，经反射至第二镜组的第一个 第二棱镜、第二个第一棱镜、第二个第二棱镜、第三个第一棱镜、第三个第 二棱镜，……直至最后一个第二棱镜反射至所述固定反射镜并输出反射光；

所述固定反射镜，接收所述反射光，反射后按照所述入射光的路线反向 返回；

所述移动位移台，根据所述消除飞秒光频梳连续测距盲区系统的计算的 移动距离带动所述第二镜组相对于所述第一镜组的垂直方向移动以改变所述 第一镜组和第二镜组间的距离。

进一步的，所述第一镜组和第二镜组的每个棱镜为直角棱镜，所述第一 预定角度和第二预定角度为直角。

进一步的，所述第二镜组的棱镜位置相对于所述第一镜组的棱镜位置延 迟半个棱镜。

进一步的，所述第一镜组和第二镜组的直角棱镜使用胶接固定。

进一步的，所述第一镜组和第二镜组的棱镜个数与所述移动距离成正比 例关系。

进一步的，所述第一镜组和第二镜组的棱镜个数为5。

本发明第二方面提供一种利用第一方面所述的光路结构的使用方法，包 括：

S11：所述移动位移台根据初始移动距离设置所述第一镜组的位置；

S12：入射光入射到所述第一镜组的第一个第一棱镜，经反射至第二镜组 的第一个第二棱镜、第二个第一棱镜、第二个第二棱镜、第三个第一棱镜、 第三个第二棱镜，……直至最后一个第二棱镜反射至所述固定反射镜并输出 反射光按照所述入射光的路线反向返回；

S13：所述移动位移台接收并根据所述飞秒光频梳测距系统计算的移动距 离调整量调整所述第一镜组的位置，跳转至S12，直至所述移动距离为0。

本发明第三方面提供一种消除飞秒光频梳连续测距盲区的测量系统，包 括飞秒光频梳、分光镜、参考光路、测量光路、光电探测器、控制器和第一 方面所述光路结构，其中

所述飞秒光频梳生成飞秒脉冲，经所述分光镜分为两束光线分别进入所 述参考光路和测量光路；

所述光电探测器接收从所述参考光路反射的参考反射光和从所述测量光 路反射的测量反射光，并根据到达的时间差判断所述时间差是否为所述飞秒 脉冲的脉冲间隔的整数倍；

若否则根据所述时间差计算所述参考光路的调整距离和所述调整距离对 应的所述光路结构的移动距离，直到所述参考反射光和测量反射光到达所述 光电探测器的时间差为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数倍以实现连续测距。

本发明第四方面提供一种利用第三方面所述的测量系统的测量方法，包 括：

S21：飞秒光频梳生成飞秒脉冲光信号，经所述分光镜分为两束光线分别 进入所述参考光路和测量光路；

S22：从所述参考光路反射的参考反射光和从所述测量光路反射的测量反 射光进入所述光电探测器，所述光电探测器根据参考反射光和测量反射光到 达的时间差判断所述时间差是否为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数倍，否则 跳转至S23调节所述移动距离，是则停止；

S23：根据所述时间差计算所述参考光路的调整距离和所述调整距离对应 的所述光路结构的移动距离，并跳转至S21。

进一步的，在所述S21之前，所述方法还包括：

设置所述参考光路的距离等于所述测量光路的距离，计算所述光路结构 的初始移动距离。

本发明的有益效果如下：

本发明针对目前现有的问题，制定一种用于消除飞秒光频梳连续测距盲 区的测量系统的光路结构、光路结构的使用方法、消除飞秒光频梳连续测距 盲区的测量系统和方法，通过设计折叠棱镜组反射光路，并利用高精度移动 位移台驱动镜组移动，实现小空间范围内参考光路的大范围调节，使得参考 光路信号能够与测距光路信号干涉来消除测量死区，实现飞秒光频梳全量程 绝对距离的干涉测量。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术中飞秒光学频率梳测距光路的结构示意图；

图2示出本发明的一个实施例所述光路结构的结构示意图；

图3示出本发明的一个实施例所述第一棱镜的结构示意图；

图4示出本发明的一个实施例所述使用方法的流程图；

图5示出本发明的一个实施例所述测量系统的结构框图；

图6示出本发明的一个实施例所述测量方法的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一 步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员 应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制 本发明的保护范围。

为解决上述问题，如图2所示，本发明的一个实施例提供了一种用于消 除飞秒光频梳连续测距盲区的测量系统的光路结构，包括第一镜组、第二镜 组、固定反射镜和移动位移台，其中所述第一镜组包括多个第一棱镜，所述 多个第一棱镜按照第一预定角度连接，所述第一镜组固定在所述移动位移台 上；所述第二镜组包括多个第二棱镜，所述多个第二棱镜按照第二预定角度 连接；所述第二镜组的棱镜个数与第一镜组的棱镜个数相等，所述第二镜组 相对于所述第一镜组平行排列，所述第二镜组的第二棱镜的位置与所述第一 镜组的第一棱镜的位置对应设置，所述第二镜组的棱镜位置延迟于所述第一 镜组的棱镜位置；入射光入射到第一镜组的第一个第一棱镜，经反射至第二 镜组的第一个第二棱镜、第二个第一棱镜、第二个第二棱镜、第三个第一棱 镜、第三个第二棱镜，……直至最后一个第二棱镜反射至所述固定反射镜并 输出反射光；所述固定反射镜，接收所述反射光，反射后按照所述入射光的 路线反向返回；所述移动位移台，根据所述消除飞秒光频梳连续测距盲区系 统的计算的移动距离带动所述第二镜组相对于所述第一镜组的垂直方向移动以改变所述第一镜组和第二镜组间的距离。

为了实现飞秒光频梳连续干涉测距，通过连续改变参考光路，使参考光 路与测量光路脉冲能够实现连续干涉，但传统意义上参考光路的调节需要较 大的空间，如图1所示，即参考光路L1需要具有足够的长度，但不利于测距 系统的小型化。

在一个具体的示例中，如图2所示，所述光路结构包括固定安装在移动 位移台上的第一镜组，所述第一镜组包括多个第一棱镜，每个棱镜分为两个 部分，如图3所示，第一部分和第二部分的夹角为90度，能够保证入射光与 反射光保持平行状态。同时所述第一镜组的多个棱镜均为直角棱镜，并且各 棱镜间采用胶接固定，各棱镜间的夹角为直角。值得说明的是，本实施例的 棱镜结构仅用于解释说明，本领域技术人员应当根据实际应用场景进行设置， 以满足入射光和出射光保持平行状态为设计准则，在此不再赘述。

与所述第一镜组的位置相对应设置的还包括属于测距光路上的第二镜组， 所述第二镜组包括多个直角棱镜，夹角为90度，结构形式与第一镜组相同。 并且所述第二镜组的棱镜个数与第一镜组的棱镜个数相等，所述第二镜组相 对于所述第一镜组平行排列。

为满足光路的传输，所述第二镜组的棱镜位置延迟于所述第一镜组的棱 镜位置，如图2所示，在本实施例中，所述第二镜组的棱镜位置相对于所述 第一镜组的棱镜位置延迟半个棱镜。

入射光入射到第一镜组的第一个第一棱镜，经反射至第二镜组的第一个 第二棱镜，所述第二棱镜将入射光反射至第二个第一棱镜，经反射至第二个 第二棱镜，以此类推，直至最后一个第二棱镜反射至所述固定反射镜并输出 反射光，所述反射光按照入射光原路返回测距光路中。即所述固定反射镜输 出的反射光进入第二镜组的最后一个第二棱镜，经反射至第一镜组的最后一 个第一棱镜，所述最后一个第一棱镜将反射光反射至倒数第二个第二棱镜， 经反射至倒数第二个第一棱镜，以此类推，直至第一镜组的第一个第一棱镜， 所述第一个第一棱镜按照入射光入射的路线反向返回，即按照入射光原路返 回测距光路中。

所述移动位移台根据所述测距系统接收的参考光路和测量光路的时间差 计算所述参考光路需要移动的移动距离，根据该移动距离带动所述第二镜组 相对于所述第一镜组的垂直方向移动以改变所述第一镜组和第二镜组间的距 离。即当飞秒光频梳干涉测距处于盲区状态时，通过计算控制移动位移台实 现第一镜组的连续移动，直至出现干涉现象，并且参考光路光程能够通过位 移动移台的距离和第一镜组的棱镜个数获得，从而消除了干涉测距中的盲区， 并且在小范围内实现参考光路的大范围连续调节，有效解决了现有方法无法 连续测距的缺陷。

考虑到飞秒光频梳测距系统的小型化要求，所述移动位移台带动所述第 一镜组的移动距离保持在一定范围内，则所述第一镜组和第二镜组的棱镜个 数与所述移动距离成正比例关系。即参考光路需要调整的调整距离越长，则 所需的棱镜个数越多，如图2所示，本实施例中所述第一镜组和第二镜组的 棱镜个数为5。

与上述实施例提供的光路结构相对应，本发明的一个实施例还提供一种利 用上述光路结构的使用方法，由于本申请实施例提供的使用方法与上述几种实 施例提供的光路结构相对应，因此在前述实施方式也适用于本实施例提供的使 用方法，在本实施例中不再详细描述。

如图4所示，本发明的一个实施例提供了利用上述光路结构的使用方法， 包括：S11：所述移动位移台根据初始移动距离设置所述第一镜组的位置；S12： 入射光入射到所述第一镜组的第一个第一棱镜，经反射至第二镜组的第一个 第二棱镜、第二个第一棱镜、第二个第二棱镜、第三个第一棱镜、第三个第 二棱镜，……直至最后一个第二棱镜反射至所述固定反射镜并输出反射光按 照所述入射光的路线反向返回；S13：所述移动位移台接收并根据所述飞秒光 频梳测距系统计算的移动距离调整量调整所述第一镜组的位置，跳转至S12， 直至所述移动距离为0。

如图5所示，本发明的另一个实施例提供了一种消除飞秒光频梳连续测 距盲区的测量系统，包括飞秒光频梳、分光镜、参考光路、测量光路、光电 探测器、控制器和上述光路结构，其中所述飞秒光频梳生成飞秒脉冲，经所 述分光镜分为两束光线分别进入所述参考光路和测量光路；所述光电探测器 接收从所述参考光路反射的参考反射光和从所述测量光路反射的测量反射光， 并根据到达的时间差判断所述时间差是否为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数 倍；若否则根据所述时间差计算所述参考光路的调整距离和所述调整距离对 应的所述光路结构的移动距离，直到所述参考反射光和测量反射光到达所述 光电探测器的时间差为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数倍以实现连续测距。

与上述测量系统相对应的，如图6所示，本发明的另一个实施例提供了 一种利用上述测量系统的测量方法，包括：S21：飞秒光频梳生成飞秒脉冲光 信号，经所述分光镜分为两束光线分别进入所述参考光路和测量光路；S22： 从所述参考光路反射的参考反射光和从所述测量光路反射的测量反射光进入 所述光电探测器，所述光电探测器根据参考反射光和测量反射光到达的时间 差判断所述时间差是否为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数倍，否则跳转至S23 调节所述移动距离，是则停止；S23：根据所述时间差计算所述参考光路的调 整距离和所述调整距离对应的所述光路结构的移动距离，并跳转至S21。

在一个优选的实施例中，在所述S21之前，所述方法还包括：设置所述 参考光路的距离等于所述测量光路的距离，计算所述光路结构的初始移动距 离。即所述移动位移台在测试初始阶段带动所述第一镜组到达的位置，也即 所述第一镜组距离所述第二镜组的距离。

本发明针对目前现有的问题，制定一种用于消除飞秒光频梳连续测距盲 区的测量系统的光路结构、光路结构的使用方法、消除飞秒光频梳连续测距 盲区的测量系统和方法，通过设计折叠棱镜组反射光路，并利用高精度移动 位移台驱动镜组移动，实现小空间范围内参考光路的大范围调节，使得参考 光路信号能够与测距光路信号干涉来消除测量死区，实现飞秒光频梳全量程 绝对距离的干涉测量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而 并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在 上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有 的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变 化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种用于消除飞秒光频梳连续测距盲区的测量系统的光路结构，其特征在于，包括第一镜组、第二镜组、固定反射镜和移动位移台，其中

所述第一镜组包括多个第一棱镜，所述多个第一棱镜按照第一预定角度连接，所述第一镜组固定在所述移动位移台上；

所述第二镜组包括多个第二棱镜，所述多个第二棱镜按照第二预定角度连接；

所述第二镜组的棱镜个数与第一镜组的棱镜个数相等，所述第二镜组相对于所述第一镜组平行排列，所述第二镜组的第二棱镜的位置与所述第一镜组的第一棱镜的位置对应设置，所述第二镜组的棱镜位置延迟于所述第一镜组的棱镜位置；

入射光入射到第一镜组的第一个第一棱镜，经反射至第二镜组的第一个第二棱镜、第二个第一棱镜、第二个第二棱镜、第三个第一棱镜、第三个第二棱镜，……直至最后一个第二棱镜反射至所述固定反射镜并输出反射光；

所述固定反射镜，接收所述反射光，反射后按照所述入射光的路线反向返回；

所述移动位移台，根据所述消除飞秒光频梳连续测距盲区系统的计算的移动距离带动所述第二镜组相对于所述第一镜组的垂直方向移动以改变所述第一镜组和第二镜组间的距离。

2.根据权利要求1所述的光路结构，其特征在于，所述第一镜组和第二镜组的每个棱镜为直角棱镜，所述第一预定角度和第二预定角度为直角。

3.根据权利要求2所述的光路结构，其特征在于，所述第二镜组的棱镜位置相对于所述第一镜组的棱镜位置延迟半个棱镜。

4.根据权利要求3所述的光路结构，其特征在于，所述第一镜组和第二镜组的直角棱镜使用胶接固定。

5.根据权利要求4所述的光路结构，其特征在于，所述第一镜组和第二镜组的棱镜个数与所述移动距离成正比例关系。

6.根据权利要求5所述的光路结构，其特征在于，所述第一镜组和第二镜组的棱镜个数为5。

7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的光路结构的使用方法，其特征在于，包括：

S11：所述移动位移台根据初始移动距离设置所述第一镜组的位置；

S12：入射光入射到所述第一镜组的第一个第一棱镜，经反射至第二镜组的第一个第二棱镜、第二个第一棱镜、第二个第二棱镜、第三个第一棱镜、第三个第二棱镜，……直至最后一个第二棱镜反射至所述固定反射镜并输出反射光按照所述入射光的路线反向返回；

S13：所述移动位移台接收并根据所述飞秒光频梳测距系统计算的移动距离调整量调整所述第一镜组的位置，跳转至S12，直至所述移动距离为0。

8.一种消除飞秒光频梳连续测距盲区的测量系统，其特征在于，包括飞秒光频梳、分光镜、参考光路、测量光路、光电探测器、控制器和权利要求1-6中任一项所述光路结构，其中

所述飞秒光频梳生成飞秒脉冲，经所述分光镜分为两束光线分别进入所述参考光路和测量光路；

所述光电探测器接收从所述参考光路反射的参考反射光和从所述测量光路反射的测量反射光，并根据到达的时间差判断所述时间差是否为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数倍；

若否则根据所述时间差计算所述参考光路的调整距离和所述调整距离对应的所述光路结构的移动距离，直到所述参考反射光和测量反射光到达所述光电探测器的时间差为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数倍以实现连续测距。

9.一种利用权利要求8所述的测量系统的测量方法，其特征在于，包括：

S21：飞秒光频梳生成飞秒脉冲光信号，经所述分光镜分为两束光线分别进入所述参考光路和测量光路；

S22：从所述参考光路反射的参考反射光和从所述测量光路反射的测量反射光进入所述光电探测器，所述光电探测器根据参考反射光和测量反射光到达的时间差判断所述时间差是否为所述飞秒脉冲的脉冲间隔的整数倍，否则跳转至S23调节所述移动距离，是则停止；

S23：根据所述时间差计算所述参考光路的调整距离和所述调整距离对应的所述光路结构的移动距离，并跳转至S21。

10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征在于，在所述S21之前，所述方法还包括：

设置所述参考光路的距离等于所述测量光路的距离，计算所述光路结构的初始移动距离。