CN111596279A - 一种激光指向稳定控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光指向稳定控制方法，包括快速偏转镜、分束器、二维位置探测器、压电陶瓷控制器各两台，以及平凸透镜、平面反射镜和上位机；当光束照射到快速偏转镜一上，由其反射到快速偏转镜二上，经过快速偏转镜二反射到分束器一和分束器二，一部分作为输出光束，另一部分作为取样光束进入分束器二，分束器二将激光光束按1:1分为两束，其中一束打到二维位置探测器一，另一束经过平凸透镜、平面反射镜后打到二维位置探测器二上；探测器控制器将信号发送至上位机，上位机通过控制压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二达到控制快速偏转镜一和快速偏转镜二的摆动实现角度偏移和水平偏移校准。其优点在于，可以实现高精度的角度偏移探测。

Description

一种激光指向稳定控制方法
技术领域
本发明涉及激光光束指向精密控制领域，特别是涉及一种激光光束指向稳定控制系统。
背景技术
在光学系统中，光束指向精度是影响系统性能的一个重要因素之一。导致光束指向偏移的主要原因是外界环境的各种动态干扰，比如温度变化，大气湍流，烟雾灰尘以及平台抖动，大地振动等机械振动。由于载体颠簸造成的扰动会引起激光雷达发射光束的指向性改变，导致激光雷达出现较大的测量误差，甚至不能正常工作。为了实现激光雷达的测量的准确性，需要保证雷达在各种载体上的光束指向性稳定，目前，可以采取整体稳定和发射光路稳定两种方法实现。而由于激光雷达体积较大，采用整体稳定的方法在指向性控制精度和制造成本上都有较大的困难，成本也很高。
发明内容
为了解决以上原因导致的光束指向偏移，本发明提出了一种基于双快速偏转镜和双位置探测器的激光光束指向稳定系统，能够实现精度高达50nrad的光束偏移自动校准。其技术方案为，
一种激光指向稳定控制方法，包括快速偏转镜、分束器、二维位置探测器及其控制器、压电陶瓷控制器各两台，平凸透镜、平面反射镜和上位机；
当光束照射到快速偏转镜一上，由其反射到快速偏转镜二上，经过快速偏转镜二反射到分束器一和分束器二，分束器一将光束分为两束，一部分作为输出光束，另一部分作为取样光束进入分束器二，分束器二将取样光束按1:1分为两束，其中一束打到二维位置探测器一，另一束经过平凸透镜、平面反射镜后打到二维位置探测器二上；二维位置探测器一和二维位置探测器二将信号通过探测器控制器发送至上位机，上位机经过数据处理将信号发送至压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二，压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二控制快速偏转镜一和快速偏转镜二的摆动实现角度偏移和水平偏移校准。
进一步的，所述平面反射镜数量为三个，包括平面反射镜一、平面反射镜二和平面反射镜三；所述平面反射镜一安装在分束器二的上方、平面反射镜二安装在分束器二下方、平面反射镜三安装在分束器二右侧。
进一步的，所述平凸透镜、平面反射镜一、平面反射镜二、平面反射镜三和二维位置探测器二安装要求为分束器二滤过的光束经过平凸透镜、平面反射镜一、平面反射镜二、平面反射镜三和二维位置探测器二时的光程等于平凸透镜的焦距。
进一步的，所述快速偏转镜一、快速偏转镜二倾斜安装在外部设备上，与水平线成45°夹角，实现光束水平投射到分束器一上。
进一步的，所述平面反射镜一、平面反射镜二成平行状态。
进一步的，所述二维位置探测器二与水平线成一定度夹角，便于接收平面反射镜反射的光束。
进一步的，所述分束器一、分束器二平行安装，与水平线成45度夹角。
进一步的，所述平面反射镜三与水平线成一定夹角。
进一步的，所述分束器一、分束器二、平凸透镜和平面反射镜三的中心位置都在一个水平面上。
有益效果
本发明的有益效果是：
1)简单易行，能够有效实现激光光束指向偏移自动校准控制，且能达到50nrad的精度。
2)此发明能够发掘空间稳定激光光束加工潜力，缩小常规环境变化引起的激光加工误差，为超快激光高深径比圆孔制造等高品质制造工艺提供设备支撑；满足军工、航空航天行业中器件小型化、精品化生产需求为航空航天设备关键部件减阻减反结构制造提供有力支撑。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明的控制原理图；
图3为角度偏移量探测的等效示意图；
其中1-快速偏转镜一；2-快速偏转镜二；3-分束器一；4-分束器二；5-平凸透镜；6-平面反射镜一；7-平面反射镜二；8-二维位置探测器一；9-二维位置探测器二；10-平面反射镜三；11-压电陶瓷控制器一；12-压电陶瓷控制器二；13-探测器控制器；14-上位机。
具体实施方式
下面结合附图1-3和具体实施例对技术作进一步说明，以助于理解本发明的内容。
一种激光指向稳定控制方法，包括快速偏转镜、分束器、二维位置探测器、压电陶瓷控制器各两台，平凸透镜、平面反射镜和上位机；
所述快速偏转镜一1、快速偏转镜二2倾斜安装在外部设备上，与水平线成30-60度夹角，优选45度，确保光束可以水平投射到分束器一3和分束器二4上，分束器二4上方设有平面反射镜一6、下方设有平面反射镜二7、右方平面反射镜三10；所述分束器二3与其右方平面反射镜三10之间设有平凸透镜5，分束器二3下方还设有二维位置探测器一8和二维位置探测器二9，用于检测光束的水平偏移和角度偏移；
当光束照射到快速偏转镜一1上，由其反射到快速偏转镜二2上，经过快速偏转镜二2反射到分束器一3和分束器二4，分束器一3将光束按95:5分为两束，一部分作为输出光束，另一部分作为取样光束进入分束器二4，分束器二4将取样光束按1:1分为两束，其中一束打到二维位置探测器一8，另一束经过平凸透镜5、平面反射镜后打到二维位置探测器二9上；二维位置探测器一8和二维位置探测器二9将信号通过探测器控制器13发送至上位机14，上位机14经过数据处理将信号发送至压电陶瓷控制器一11、压电陶瓷控制器二12，压电陶瓷控制器一11、压电陶瓷控制器二12控制快速偏转镜一1和快速偏转镜二2的摆动实现角度偏移和水平偏移校准。
所述平凸透镜5、平面反射镜一6、平面反射镜二7、平面反射镜三10和二维位置探测器二9安装要求为分束器二5滤过的光束经过平凸透镜5、平面反射镜一6、平面反射镜二7、平面反射镜三10和二维位置探测器9时的光程等于平凸透镜5的焦距。
所述分束器二4上方、下方安装的平面反射镜一6、平面反射镜三10成平行状态。
所述二维位置探测器二9与水平线成一定夹角，便于接收平面反射镜一6、平面反射镜一7、平面反射镜三10反射的光束。
所述分束器一3、分束器二4平行，与水平线形成45度夹角。
所述分束器二右方的平面反射镜二7与水平线形成一定夹角。
所述分束器一3、分束器二4、平凸透镜5和分束器二右侧的平面反射镜二7的中心位置都在一个水平面上。
工作原理
二维位置探测器8得到光束的平移偏移量(x1，y1)，二维位置探测器9得到光束的角度偏移量(x2，y2)，然后分别通过探测器控制器13传输到上位机14，然后由上位机14计算得出快速偏转镜一1和快速偏转镜二2需要在两个自由度上补偿的角度(θx1，θy1)和(θx2，θy2)然后发送给压电陶瓷控制器一11和压电陶瓷控制器二12，压电陶瓷控制器一11和压电陶瓷控制器二12再实现出快速偏转镜一1和快速偏转镜二2的偏转，从而形成闭环控制，实现校准光束的指向。
图3是角度偏移量探测的等效示意图，平凸透镜5的作用一方面汇聚平行光束从而消除空间平移偏移带来的误差，另一方面如图1所示，平面反射镜一6、平面反射镜二7、平面反射镜三10用来增加光程，使光程距离与平凸透镜5焦距一致，即使二维位置探测器二9的探测平面与平凸透镜5焦平面重合，因此可以将平面反射镜一6、平面反射镜二7、平面反射镜三10的光程等效为直线光束，如图3所示，OD为平凸透镜5焦距2m，B点为二维位置探测器二9的探测点，根据OD与BD的长度可以得到光束的角度偏移量，而且即便是微小的角度偏移，都会因为平凸透镜5长度两米的焦距而放大成为二维位置探测器二9上的一个长度偏移量，因此我们可以通过高精度二维位置探测器实现更高精度的角度偏移探测。

Claims (9)

1.一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，包括快速偏转镜、分束器、二维位置探测器及压电陶瓷控制器各两台，以及探测器控制器、平凸透镜、平面反射镜和上位机；
当光束照射到快速偏转镜一上，由其反射到快速偏转镜二上，经过快速偏转镜二反射到分束器一和分束器二，分束器一将光束分为两束，一部分作为输出光束，另一部分作为取样光束进入分束器二，分束器二将取样光束按1:1分为两束，其中一束打到二维位置探测器一，另一束经过平凸透镜、平面反射镜后打到二维位置探测器二上；二维位置探测器一和二维位置探测器二将信号通过探测器控制器发送至上位机，上位机经过数据处理将信号发送至压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二，压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二控制快速偏转镜一和快速偏转镜二的摆动实现角度偏移和水平偏移的校准。
2.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述平面反射镜数量为三个，包括平面反射镜一、平面反射镜二和平面反射镜三；所述平面反射镜一安装在分束器二的上方、平面反射镜二安装在分束器二下方、平面反射镜三安装在分束器二右侧。
3.根据权利要求2所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述平凸透镜、平面反射镜一、平面反射镜二、平面反射镜三和二维位置探测器二安装要求为分束器二滤过的光束经过平凸透镜、平面反射镜一、平面反射镜二、平面反射镜三和二维位置探测器二时的光程等于平凸透镜的焦距。
4.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述快速偏转镜一、快速偏转镜二倾斜安装在外部设备上，与水平线成45°夹角，实现光束水平投射到分束器一上。
5.根据权利要求2所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述平面反射镜一、平面反射镜二成平行状态。
6.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述二维位置探测器二与水平线成一定夹角，便于接收平面反射镜反射的光束。
7.根据权利要求3所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述分束器一、分束器二平行安装，与水平线成45度夹角。
8.根据权利要求2所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述平面反射镜三与水平线成一定夹角。
9.根据权利要求2所述的一种激光指向稳定控制方法，其特征在于，所述分束器一、分束器二、平凸透镜和平面反射镜三的中心位置都在一个水平面上。
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