CN111765853A - 一种高分辨力一维测角激光传感器 - Google Patents

一种高分辨力一维测角激光传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高分辨力一维测角激光传感器，包括激光器、缩束器、第一衰减片、针孔滤波器、偏振分光镜、四分之一波片、待测面、分光镜、第二衰减片、第一三次反射棱镜、第二三次反射棱镜、第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管；偏振分光镜将激光光束分为s光和p光，p光被第一光电二极管接收，s光经四分之一波片后在待测面反射后经四分之一波片后变为p光，经四分之一波片处理后的p光透过偏振分光镜后进入分光镜并被其分为透射光和反射光；透射光经第二衰减片后进入第一三次反射棱镜，经三次反射后被第二光电二极管接收；反射光进入第二三次反射棱镜，经三次反射后被第三光电二极管接收。本发明可实现小角度的高分辨力检测。

Description

一种高分辨力一维测角激光传感器
技术领域
本发明涉及激光测量技术，特别涉及一种利用内反射原理和差分测量原理实现高分辨力一维测角激光传感器。
背景技术
高精度角度测量是精密仪器科学研究中的重要研究之一，近些年来，随着微纳制造和精密加工技术的发展，对测量仪器的精度要求也越来越高。在精密测角领域，目前一些测量主流方法有自准直法、激光干涉法、光学分度头法、圆光栅测角法和内反射测角法等，不同的方法有着各自的优缺点，其中内反射测角在小角度和动态测量中，有着极大的优势。
内反射测角一般分为两种测量方案，一种是根据激光在棱镜中发生全反射时相位变化来实现角度测量，但是需要相位测量装置，难以小型化；另一种方案是激光在临界角棱镜中发生反射，当入射角小于临界角时，反射光的强度随入射角变化，光电二极管将光强变化转化为电信号，结构简单，可以实现角度传感器的小型化，但同时光强会受到环境光、温度变化、镜面反射光、分光比等问题的影响而导致测量精度大打折扣。为此，设计了一种可靠的光路结构，在保证测量精度的同时，有较强的稳定性，该传感器在实际应用中具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种高分辨力一维测角激光传感器，本发明传感器利用内反射原理检测光强变化实现小角度的高分辨力检测，同时解决了内反射原理应用小角度测量中传感器的光源稳定性和立体分光镜分光比误差对测角分辨力带来的影响。
本发明所采用的技术方案是：一种高分辨力一维测角激光传感器，包括：
激光器；
缩束器，用于调整所述激光器发射的激光光束的直径；
第一衰减片，用于调整经所述缩束器后的激光光束的光强；
针孔滤波器，用于过滤经所述第一衰减片后的激光光束；
偏振分光镜，用于将经所述针孔滤波器后的激光光束分为s光和p光，其中，p光透射，s光反射；
第一光电二极管，用于接收所述p光；
四分之一波片，用于将所述s光变为椭圆偏振光；
待测面，所述椭圆偏振光在所述待测面反射形成反射光，所述反射光经过所述四分之一波片后变为p光；
分光镜，经所述四分之一波片处理后的所述p光透过所述偏振分光镜后进入所述分光镜并被所述分光镜分为透射光和反射光；
第二衰减片，用于调整所述透射光的光强；
第一三次反射棱镜，用于对经所述第二衰减片后的所述透射光进行三次反射；
第二光电二极管，用于接收经所述第一三次反射棱镜后的所述透射光；
第二三次反射棱镜，用于对所述反射光进行三次反射；以及，
第三光电二极管，用于接收经所述第二三次反射棱镜后的所述反射光。
进一步地，所述激光器为半导体圆点激光器，所述激光器发射的激光光束的波长为635nm，所述激光器发射的激光光束所形成的光斑直径为1.5mm。
进一步地，所述缩束器集成有两个会聚透镜，所述缩束器正对所述激光器发射的激光光束布置，所述缩束器出射的激光光束所形成的光斑直径为300um。
进一步地，所述第一衰减片和所述第二衰减片均为线性平板衰减片，所述第一衰减片正对所述缩束器出射的激光光束布置，所述第二衰减片正对所述透射光布置。
进一步地，所述针孔滤波器为孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔直径为300um，所述针孔滤波器正对所述第一衰减片出射的激光光束布置。
进一步地，所述偏振分光镜为立体偏振分束器，所述偏振分光镜的入射面与所述针孔滤波器出射的激光光束垂直。
进一步地，所述四分之一波片为石英波片，所述四分之一波片正对所述s光布置。
进一步地，所述分光镜为立体分光束，所述分光镜的分光界面与所述偏振分光镜的分光界面平行。
进一步地，所述第一三次反射棱镜和所述第二三次反射棱镜均为BK7材质的棱镜，所述第一三次反射棱镜和所述第二三次反射棱镜的两个底角角度一致，所述底角角度比临界角小0.1度，所述第一三次反射棱镜和所述第二三次反射棱镜的尺寸满足当激光在临界角附近入射时能实现三次反射。
进一步地，所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管为同型号硅光二极管，所述第一光电二极管、第二光电二极管和第三光电二极管的感光尺寸满足角度测量过程中光斑的移动在感光面内，其中，所述第一光电二极管的感光面正对经所述偏振分光镜后得到的所述p光，所述第二光电二极管的感光面与所述第一三次反射棱镜的出射面平行，所述第三光电二极管的感光面与所述第二三次反射棱镜的出射面平行。
本发明的有益效果是：本发明一种高分辨力一维测角激光传感器，设计了一种简单可靠的光路结构，利用内反射原理检测待测面的角度，在一定量程内，光电二极管接收的光强变化与角度成线性关系，利用衰减片对分光镜误差进行补偿，同时用光电二极管对激光光源的波动和漂移进行检测，具有较强的稳定性，可以实现小角度的高分辨力检测，可应用多种精密测量领域。
附图说明
图1：本发明一种高分辨力一维测角激光传感器的结构示意图(实际上棱镜内反射三次)；
图2a：本发明所涉及的内反射原理图(θ＞临界角，实际上棱镜内反射三次)；
图2b：本发明所涉及的内反射原理图(θ＜临界角，实际上棱镜内反射三次)；
图3：折射定律示意图；
图4：待测面角度变化△θ示意图；
附图标注：1、激光器；2、缩束器；3、第一衰减片；4、针孔滤波器；5、偏振分光镜；6、四分之一波片；7、待测面；8、分光镜；9、第二衰减片；10、第一三次反射棱镜；11、第二三次反射棱镜；12、第三光电二极管；13、第二光电二极管；14、第一光电二极管。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，一种高分辨力一维测角激光传感器，包括激光器1、缩束器2、第一衰减片3、针孔滤波器4、偏振分光镜5、四分之一波片6、待测面7、分光镜8、第二衰减片9、第一三次反射棱镜10、第二三次反射棱镜11、第一光电二极管14、第二光电二极管13和第三光电二极管12。
所述激光器1为半导体圆点激光器，所述激光器1发射的激光光束的波长为635nm，所述激光器1发射的激光光束所形成的光斑直径为1.5mm。所述缩束器2用于调整所述激光器1发射的激光光束的直径；所述缩束器2集成有两个会聚透镜，所述缩束器2正对所述激光器1发射的激光光束布置，所述缩束器2出射的激光光束所形成的光斑直径为300um。所述第一衰减片3用于调整经所述缩束器2后的激光光束的光强；所述第一衰减片3为线性平板衰减片，所述第一衰减片3正对所述缩束器2出射的激光光束布置。所述针孔滤波器4用于过滤经所述第一衰减片3后的激光光束；所述针孔滤波器4为孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔直径为300um，所述针孔滤波器4正对所述第一衰减片3出射的激光光束布置。所述偏振分光镜5用于将经所述针孔滤波器4后的激光光束分为s光和p光，其中，p光透射，s光反射；所述偏振分光镜5为立体偏振分束器，所述偏振分光镜5的入射面与所述针孔滤波器4出射的激光光束垂直。所述四分之一波片6用于将所述s光变为椭圆偏振光，所述椭圆偏振光在所述待测面7反射形成反射光，所述反射光经过所述四分之一波片6后变为p光；其中，所述四分之一波片6为石英波片，所述四分之一波片6正对所述s光布置；所述待测面7为具有镜面反射能力的平面或曲面。所述四分之一波片6处理后的所述p光透过所述偏振分光镜5后进入所述分光镜8并被所述分光镜8分为透射光和反射光，其中，所述分光镜8为立体分光束，所述分光镜8的分光界面与所述偏振分光镜5的分光界面平行。所述第二衰减片9用于调整所述透射光的光强；所述第二衰减片9为线性平板衰减片，所述第二衰减片9正对所述透射光布置。第一三次反射棱镜10用于对经所述第二衰减片9后的所述透射光进行三次反射，所述第二三次反射棱镜11用于对所述反射光进行三次反射；其中，所述第一三次反射棱镜10和所述第二三次反射棱镜11均为BK7材质的棱镜，所述第一三次反射棱镜10和所述第二三次反射棱镜11的两个底角角度一致，所述底角角度比临界角小0.1度，所述第一三次反射棱镜10和所述第二三次反射棱镜11的尺寸满足当激光在临界角附近入射时能实现三次反射，如图2a和图2b所示，其中，θ表示p光在棱镜內的入射角。第一光电二极管14用于接收所述p光，所述第二光电二极管13用于接收经所述第一三次反射棱镜10后的所述透射光，所述第三光电二极管12用于接收经所述第二三次反射棱镜11后的所述反射光，所述第一光电二极管14、第二光电二极管13和第三光电二极管12为同型号硅光二极管，所述第一光电二极管14、第二光电二极管13和第三光电二极管12的感光尺寸满足角度测量过程中光斑的移动在感光面内，其中，所述第一光电二极管14的感光面正对经所述偏振分光镜5后得到的所述p光，所述第二光电二极管13的感光面与所述第一三次反射棱镜10的出射面平行，所述第三光电二极管12的感光面与所述第二三次反射棱镜11的出射面平行。
所述激光器1出射的激光光束经过缩束器2，变为300um的细直激光光束，所述第一衰减片3可以对出射光的光强调节，由于所述激光器1为半导体圆点激光器，而半导体圆点激光器通常在高功率下有较好稳定性，在激光器1的高功率模式下，利用第一衰减片3调节出射光强，得到适合测量的出射光强，针孔滤波器4滤除激光中的杂散光，偏振分光镜5将入射的线偏光分为s光和p光，p光透射，s光反射，s光经过四分之一波片6变为椭圆偏振光，在待测面7反射，在此经过四分之一波片6变为p光，透过偏振分光镜5后有分光镜8分为两束能量接近的光，实际上透射光的能量稍大于反射光的能量，在透射光的光路上安装第二衰减片9调节光强，使分束的两路光强一致，透射光经过第二衰减片9后进去第一三次反射棱镜10，反射三次后被第二光电二极管13接收，分束器的反射光入射第二三次反射棱镜11，反射三次后被第三光电二极管12接收，第一光电二级管接收偏振分光镜5的透射光p光，对激光光源的漂移和波动检测，对测量结果进行补偿。
本发明所涉及的原理如下：
1、内反射测角原理：
如图3所示，当光从光密介质1射向光梳介质2时，根据折射定律有
Figure BDA0002608423140000061
式中，θ1为入射角，θ2为折射角，n1、n2分别为介质1和介质2的折射率。此外，图3中，θ1'为反射角。
对于入射光的两个相互垂直的分量p波和s波，反射波和折射波的能量和相位是不一样的，由菲涅尔公式可知p光的反射比Rp可表示为：
Figure BDA0002608423140000062
当p光在棱镜内入射角发生小角度变化△θ，如图4所示，记反射率为Rp(△θ)，
本发明传感器采用p光进行测量，即进入三次反射棱镜的光为p光，且入射角小于临界角，当待侧平面发生小角度偏转△θ时，第三光电二极管12接收到的p光三次反射后的反射比表示为
Figure BDA0002608423140000063
第二光电二极管13接收到的p光三次反射后的反射比为
Figure BDA0002608423140000064
满足：
Figure BDA0002608423140000065
Figure BDA0002608423140000066
假设进入分光镜8的激光光强为E，理想情况下第三光电二极管12和第二光电二极管13的输出分别为XA、XB：
Figure BDA0002608423140000067
Figure BDA0002608423140000068
随着待测面7角度变化，一个传感器输出增加，一个传感器输出变小，根据差分测量原理，他们的差值(XA-XB)可以降低信号共模噪声的同时提高灵敏度。差值(XA-XB)在小角度内有线性变化，这就是内反射光强测角基本原理。
2、第二衰减片9的调节
假设待测面7处于水平位置，则待测面7反射激光沿原路返回，分光镜8分束后的两束光进入第二三次反射棱镜11和第一三次反射棱镜10的入射角度一致，经过第二三次反射棱镜11和第一三次反射棱镜10后，光强变化一致，所以第三光电二极管12和第二光电二极管13接受的光强相同，输出的信号相差为零；如果待测面7有小角度倾斜，则待测面7返回的激光经过分光镜8分束后，入射到第二三次反射棱镜11和第一三次反射棱镜10的角度发生变化，一个增大，一个减小，则经过三次反射后一个光强变大，一个光强变小。
实际上分光镜8的分光比不是理想的1:1，存在一定偏差，经过测量，分光镜8的分光比偏差不可以忽略，选用的立体分光镜的透过光束的能量要大于反射光束的能量，因此在分光镜8后增加一个线性光强衰减片(即，第二衰减片9)。当待测面7处于水平位置时，用光功率计测量反射光束和和透射光束的光强，同时调节第二衰减片9，使两束光能量相同，可以保证差分测角的分辨力。
3、第一光电二极管14的补偿原理
激光光源会因自身发热和环境变化存在漂移，这点影响对高精度检测不可乎略，所以第一光电二极管14的在测量激光的漂移后需要结果进行补偿，使结果具有真实价值。
第一光电二极管14测的光强不受测量光束的影响，仅受激光光源和环境的影响而变化，在测量初期会记录一个初始值XC，使用过程中测量值为XC'，当出现温度变化或光源漂移时，漂移系数记为ε：
Figure BDA0002608423140000071
角度变化时，第三光电二极管12和第二光电二极管13变化是不一样大的，单纯利用差分原理来减小漂移会存在失真的，应该用(XA-XB)(1-ε)来计算，更具科学性。
本发明的原理
本发明利用内反射原理中临界角附近小角度变化时，输出光强与角度变化成线性关系，设计出一种高分辨力一维测角激光传感器，将被测光分为两束，进行差分测量，实现共模光源噪声的消除并提高测角分辨力，同时能够对激光光源的温漂和光路分光元件的分光比误差补偿可以实现角度变化的高分辨力测量。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，包括：
激光器(1)；
缩束器(2)，用于调整所述激光器(1)发射的激光光束的直径；
第一衰减片(3)，用于调整经所述缩束器(2)后的激光光束的光强；
针孔滤波器(4)，用于过滤经所述第一衰减片(3)后的激光光束；
偏振分光镜(5)，用于将经所述针孔滤波器(4)后的激光光束分为s光和p光，其中，p光透射，s光反射；
第一光电二极管(14)，用于接收所述p光；
四分之一波片(6)，用于将所述s光变为椭圆偏振光；
待测面(7)，所述椭圆偏振光在所述待测面(7)反射形成反射光，所述反射光经过所述四分之一波片(6)后变为p光；
分光镜(8)，经所述四分之一波片(6)处理后的所述p光透过所述偏振分光镜(5)后进入所述分光镜(8)并被所述分光镜(8)分为透射光和反射光；
第二衰减片(9)，用于调整所述透射光的光强；
第一三次反射棱镜(10)，用于对经所述第二衰减片(9)后的所述透射光进行三次反射；
第二光电二极管(13)，用于接收经所述第一三次反射棱镜(10)后的所述透射光；
第二三次反射棱镜(11)，用于对所述反射光进行三次反射；以及，
第三光电二极管(12)，用于接收经所述第二三次反射棱镜(11)后的所述反射光。
2.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述激光器(1)为半导体圆点激光器，所述激光器(1)发射的激光光束的波长为635nm，所述激光器(1)发射的激光光束所形成的光斑直径为1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述缩束器(2)集成有两个会聚透镜，所述缩束器(2)正对所述激光器(1)发射的激光光束布置，所述缩束器(2)出射的激光光束所形成的光斑直径为300um。
4.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述第一衰减片(3)和所述第二衰减片(9)均为线性平板衰减片，所述第一衰减片(3)正对所述缩束器(2)出射的激光光束布置，所述第二衰减片(9)正对所述透射光布置。
5.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述针孔滤波器(4)为孔径光阑，所述孔径光阑的通光孔直径为300um，所述针孔滤波器(4)正对所述第一衰减片(3)出射的激光光束布置。
6.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述偏振分光镜(5)为立体偏振分束器，所述偏振分光镜(5)的入射面与所述针孔滤波器(4)出射的激光光束垂直。
7.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述四分之一波片(6)为石英波片，所述四分之一波片(6)正对所述s光布置。
8.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述分光镜(8)为立体分光束，所述分光镜(8)的分光界面与所述偏振分光镜(5)的分光界面平行。
9.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述第一三次反射棱镜(10)和所述第二三次反射棱镜(11)均为BK7材质的棱镜，所述第一三次反射棱镜(10)和所述第二三次反射棱镜(11)的两个底角角度一致，所述底角角度比临界角小0.1度，所述第一三次反射棱镜(10)和所述第二三次反射棱镜(11)的尺寸满足当激光在临界角附近入射时能实现三次反射。
10.根据权利要求1所述的一种高分辨力一维测角激光传感器，其特征在于，所述第一光电二极管(14)、第二光电二极管(13)和第三光电二极管(12)为同型号硅光二极管，所述第一光电二极管(14)、第二光电二极管(13)和第三光电二极管(12)的感光尺寸满足角度测量过程中光斑的移动在感光面内，其中，所述第一光电二极管(14)的感光面正对经所述偏振分光镜(5)后得到的所述p光，所述第二光电二极管(13)的感光面与所述第一三次反射棱镜(10)的出射面平行，所述第三光电二极管(12)的感光面与所述第二三次反射棱镜(11)的出射面平行。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113466979A (zh) * 2021-07-01 2021-10-01 希烽光电科技(南京)有限公司 一种光电监控用双反射棱镜及其光电监控组件
CN113740946A (zh) * 2021-08-30 2021-12-03 中国科学院上海应用物理研究所 一种偏振保持反射镜组
CN114705136A (zh) * 2022-03-15 2022-07-05 清华大学 基于光谱辨析技术的自准直绝对测角方法及系统

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