CN111596456A - 一种激光指向稳定控制系统 - Google Patents

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张昊伟
梁洋洋
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Abstract

本发明公开了一种激光指向稳定控制系统，包括由两台快速偏转镜及其压电陶瓷控制器，两台二维位置探测器及其控制器，两个分束器，两片平面反射镜，一片平凸透镜和上位机组成；二维位置探测器能够实时监测光斑位置偏移量，得出光束空间平移与角度偏移量的实时数据；压电陶瓷控制器控制所述的快速偏转镜，实现对光束指向的控制；上位机连通所述的二维位置探测器的控制器和所述的快速偏转镜的压电陶瓷控制器，构建光斑位置探测与光束指向控制闭合回路，实现光束指向实时控制；平凸透镜与两片平面反射镜以及二维位置探测器共同组成了该系统的角度偏移探测模块，其优点在于，可以通过该探测模块实现高精度的角度偏移探测。

Description

一种激光指向稳定控制系统
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系统，包括角度调整模块、探测控制模块和数据处理模块；
所述角度调整模块包括两台平行安装的快速偏转镜一和快速偏转镜二、与快速偏转镜二对应安装的分束器一；快速偏转镜一、快速偏转镜二分别与压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二电性连接；所述角度调整模块实现快速偏转镜一和快速偏转镜二角度的调整，确保光束输出指向稳定；
所述探测控制模块包括与分束器一平行安装的分束器二，分束器二上方、下方、右方分别设有平面反射镜；所述分束器二与其右侧平面反射镜之间设有平凸透镜，分束器二下方还设有二维位置探测器一和二维位置探测器二，检测光束的水平偏移和角度偏移；
所述数据处理模块包括上位机，上位机通过探测控制器分别与二维位置探测器一和二维位置探测器二连接；上位机处理二维位置探测器一和二维位置探测器发送的数据，并将数据处理后发送至压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二。
进一步的，所述平凸透镜、平面反射镜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、平面反射镜和二维位置探测器二时的光程等于平凸透镜的焦距，即保证探测面与平凸透镜的焦平面重合。
进一步的，所述快速偏转镜一倾斜安装在外部设备上，与水平线成45°夹角。
进一步的，所述分束器二上方、下方安装的两个平面反射镜成平行状态。
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、分束器二与水平线成45度夹角。
进一步的，所述分束器一、分束器二、平凸透镜和分束器二右侧的平面反射镜中心位置都在一个水平面上。
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系统，包括角度调整模块、探测控制模块和数据处理模块；
所述角度调整模块包括两台平行安装的快速偏转镜一1和快速偏转镜二2、与快速偏转镜二2对应安装的分束器一3；快速偏转镜一1、快速偏转镜二2分别与压电陶瓷控制器一11、压电陶瓷控制器二12电性连接；所述角度调整模块实现快速偏转镜一1和快速偏转镜二2角度的调整，确保光束输出指向稳定；
所述探测控制模块包括与分束器一3平行安装的分束器二4，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；
所述快速偏转镜一1倾斜安装在外部设备上，与水平线成45度夹角。
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与水平线成一定度数夹角，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与水平线形成45度夹角。
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。
所述数据处理模块包括上位机14，上位机14通过探测控制器13分别与二维位置探测器一8和二维位置探测器二9连接；上位机14处理二维位置探测器一8和二维位置探测器9发送的数据，并将数据处理后发送信号至压电陶瓷控制器一11、压电陶瓷控制器二12。
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探测控制模块，分束器二4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的摆动实现实现角度偏移和水平偏移的校准。
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。
当然，上述说明并非对本技术的限制，本技术也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本技术的保护范围。

Claims (7)

1.一种激光指向稳定控制系统，其特征在于，包括角度调整模块、探测控制模块和数据处理模块；
所述角度调整模块包括两台平行安装的快速偏转镜一和快速偏转镜二、与快速偏转镜二对应安装的分束器一；快速偏转镜一、快速偏转镜二分别与压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二电性连接；所述角度调整模块实现快速偏转镜一和快速偏转镜二角度的调整，确保光束输出指向稳定；
所述探测控制模块包括与分束器一平行安装的分束器二，分束器二上方、下方、右方分别设有平面反射镜；所述分束器二与其右侧平面反射镜之间设有平凸透镜，分束器二下方还设有二维位置探测器一和二维位置探测器二，检测光束的水平偏移和角度偏移；
所述数据处理模块包括上位机，上位机通过探测控制器分别与二维位置探测器一和二维位置探测器二连接；上位机处理二维位置探测器一和二维位置探测器发送的数据，并将数据处理后发送至压电陶瓷控制器一、压电陶瓷控制器二。
2.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制系统，其特征在于，所述平凸透镜、平面反射镜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、平面反射镜和二维位置探测器二时的光程等于平凸透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制系统，其特征在于，所述快速偏转镜一倾斜安装在外部设备上，与水平线成45度夹角。
4.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制系统，其特征在于，所述分束器二上方、下方安装的两个平面反射镜成平行状态。
5.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制系统，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。
6.根据权利要求3所述的一种激光指向稳定控制系统，其特征在于，所述分束器一、分束器二与水平线成45度夹角。
7.根据权利要求1所述的一种激光指向稳定控制系统，其特征在于，所述分束器一、分束器二、平凸透镜和分束器二右侧的平面反射镜中心位置都在一个水平面上。
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