CN111965809A

CN111965809A - 可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器

Info

Publication number: CN111965809A
Application number: CN202010757449.8A
Authority: CN
Inventors: 龚元; 韩泽文; 关宏健; 韩冰; 饶云江
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2020-11-20

Abstract

本发明属于机械调制光学斩波器的设计领域，具体提供了一种可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器，包括：稳定频率源、中央处理模块、交互界面、电机驱动A、电机A、固定占空比斩波片A、电机驱动B、电机B、固定占空比斩波片B、电源模块，两个固定占空比斩波片同心平行放置，电机均在电极驱动的驱动下带动固定占空比斩波片绕中心旋转；通过控制两个斩波片的相对位置或者转速，实现不同的占空比的脉冲光；采用机械结构遮挡的方式进行连续光的脉冲调制，对光的波长没有选择性，能够实现对红外光、紫外光、可见光等各种类型的连续光的调制。

Description

可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器

技术领域

本发明属于机械调制光学斩波器的设计领域，特别涉及一种可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器。

背景技术

光学衰减器是一种很常见且很重要的光学无源器件，在光的强度调制中扮演着很重要的角色，并广泛应用在一些需要调整光功率的场合，如光电探测器、激光精密加工等。然而在某些条件下，需要实时可控的对光进行衰减，例如在激光加工中，如果需要一定的切割深度，就需要调节激光器的光功率来实现。目前，光学的可调衰减器主要有以下几种：可变中性密度滤光片、液晶光束快门以及微机械电子光衰减器。然而，这几种光衰减器在承受过高的光功率时会产生损伤，无法使用在高光功率的设备中，同时，这些器件也只能在一定的光谱范围内进行光强调制，限制了其使用范围。

光学斩波器是一种能够把连续光调制成脉冲光的装置，其原理是：在一定时间内使连续光通过，另外的时间内使连续光不通过，使用这种方式将连续光切割为脉冲光；通过确定光通过的时间与不通过的时间和斩波器的斩波频率来确定光波调制后的平均光强、脉冲持续时间和脉冲间隔等参数；这种装置广泛应用于激光调制系统、测量系统或者激光加工系统中。

传统斩波器使用的是带有旋转叶片的斩波片，其形状为带有叶片的转轮。在光路中放置旋转的斩波片的叶片，随着斩波片的旋转，连续光周期性地被叶片遮挡或者从叶片的间隙中通过，从而将连续光切割为脉冲光。然而，传统的斩波片的宽度以及两个斩波片的扇叶之间的距离是固定的，无法改变调制后的光的衰减量和平均光功率，或者需要手动置换斩波片才能改变被调整调制后的光的衰减量和平均光功率，无法实现连续动态的光学透过率调节。

发明内容

本发明的目的在于针对现在光学衰减器无法调制宽谱的高功率的强光的问题，提供了一种可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器。

为实现上述技术目的，本发明提出的解决方案是：

一种可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器，包括：稳定频率源、中央处理模块、交互界面、电机驱动A、电机A、固定占空比斩波片A、电机驱动B、电机B、固定占空比斩波片B、电源模块；其中，所述电机A在电极驱动A的驱动下带动固定占空比斩波片A绕中心旋转，所述电机B在电极驱动B的驱动下带动固定占空比斩波片B绕中心旋转，所述固定占空比斩波片A与固定占空比斩波片B同心平行放置；

所述中央处理模块与稳定频率源、交互界面、电机驱动A、电机驱动B及电源模块均连接，所述稳定频率源用于为中央处理器提供频率同步信号，所述交互界面用于实现可调衰减器的设置及信息交互、并向中央处理器发出调节信号，所述电源模块用于为可调衰减器供电，所述中央处理模块用于接收频率同步信号与调节信号、计算并分别向电机驱动A、电机驱动B发出相应的控制信号、以实现可调衰减器的斩波频率和衰减量的调节。

进一步的，所述固定占空比斩波片A与固定占空比斩波片B的形状与尺寸均相同，且在初始状态下，固定占空比斩波片A与固定占空比斩波片B的扇叶相重合，保证二者的初始角度相同。

更进一步的，所述可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器的调节分辨率D为：

其中，κ为电极与固定衰减量斩波片的传动比，m为固定占空比斩波片的扇叶数量，R_M为电机的旋转角分辨率。

更进一步的，所述电机A与电机B采用相同类型，为步进电机、或者带有编码器的伺服电机；当采用步进电机时，电机驱动方式采用开环控制；当采用带有编码器的伺服电机时，电机驱动方式采用闭环控制，使用编码器的编码值作为反馈信号，对占空比进行细致的调整，从而实现对光强的衰减量的调整。

进一步的，所述电机与固定占空比斩波片之间采用齿轮传动，通过调整齿轮半径比例能够调节可调衰减器的占空比的调节精度，进而进一步提升可调衰减器的衰减量的调整精度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提出了使用两片斩波片对光进行调制，通过调整两个斩波片的相对位置或者转速，实现不同的占空比的脉冲光；采用机械结构遮挡的方式进行连续光的脉冲调制，对光的波长没有选择性，能够实现对红外光、紫外光、可见光等各种类型的连续光的调制，此对一些需要调制特殊波段的光的功率的情况来说十分有必要。

2、相对于固定在光路中中性密度滤光片的衰减器以及微机械电子衰减器，光学斩波器采用高速旋转的斩波片，多个斩波片的扇叶进行斩波，均摊了被调制的光的能量，使得衰减器不容易被高光功率损伤。

3、本发明在添加中央处理模块后，通过重新编写中央处理模块中的执行程序实现自动化光调制，调制精度相对较高；同时，本发明中还能够通过添加通信模块，进而配合其他光学系统进行工作，作为自动化系统中用于光强调制的一部分，例如自动化激光切割机。

4、本发明可调衰减器还能够添加闭环反馈以及增加传动装置实现精度更高的占空比调制，满足各种不同的衰减量精度要求；同时，配合斩波片的旋转，做到对不同的光强的上升沿宽度的控制。

附图说明

图1为本发明可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器的系统原理框图；

图2为本发明可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器的固定占空比斩波片与电机的位置示意图；

图3为本发明可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器在未启动时两片固定占空比斩波片的相对位置示意图；

图4为本发明可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器在占空比为25％时的两片固定占空比斩波片的相对位置示意图；

图5为本发明可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器的两片固定占空比斩波片的相对角度差与调制光占空比的关系图；

图6为发明实施例中将衰减量由50％调节到90％时，中央处理系统向电机驱动所发送的控制信号的时序图；

其中，1为斩波片B，2为传动轴，3为传动齿轮，4为步进电机，5为斩波片A。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器，其系统原理框图如图1所示，具体包括：稳定频率源、中央处理模块、交互界面、电机驱动A、电机A、固定占空比斩波片A、电机驱动B、电机B、固定占空比斩波片B、电源模块以及通讯模块；其中：

所述稳定频率源为中央处理器提供稳定的频率同步，以保证斩波片的转速以及两片斩波片的相对位置不会因为中央处理模块对两路电机的驱动信号的不同步导致调制占空比的偏移，同时，这里的同步脉冲也可以决定斩波器的斩波频率；

所述中央处理模块负责接受频率源信号作为同步信号，当接收到同步信号时会向电机驱动发出相应的控制信号，控制电机转动特定角度；同时，中央处理模块也接受交互界面的输入，输入的数据包括斩波器的斩波频率和调制衰减量；如果有对衰减量按照时间变化的需求，可通过例如个人电脑等上位机传输衰减量和斩波频率等数据；

所述电机驱动按照中央处理模块发出的控制信号驱动电机旋转，为描述方便，本实施例中使用步进电机作为驱动电机，但本发明不限于使用步进电机；步进电机的步距角为1.8度，步进电机驱动为脉冲驱动，即每接收到中央处理模块发出的一个脉冲，便驱动电机旋转1.8度；步进电机直接带动固定占空比斩波片旋转，为方便描述，本实施例中的固定占空比斩波片A和B均使用占空比为50％的固定占空比斩波片，斩波片共10片扇叶，每个扇叶的张角为18度，两个扇叶中的间隙张角也为18度，但本发明不限于使用上述斩波片；

所述交互界面使用TFT电阻式触摸屏，但本发明不限于使用TFT电阻式触摸屏；

所述电源模块为中央处理模块、电机及其驱动、TFT屏幕供电；

所述通讯模块与中央处理模块连接，用于配合其他光学系统进行工作，作为自动化系统中用于光强调制的一部分，例如自动化激光切割机。

更为核心的，本实施例能实现衰减量可调的关键在于如图2所示的机械机构；其中，传动轴2固定连接于斩波片固定的圆心处，步进电机4带动传动齿轮3转动，通过两个传动齿轮后带动传动轴2转动，传动轴带动斩波片A、B转动；斩波片A与斩波片B同心平行放置，A与B之间没有传动关系，二者之间留有间隙以保证在产生相对位置差时不会有相互干涉；控制两片斩波片的电机接收到的信号来源于不同的驱动，当需要保持目前的衰减量时，两个电机驱动接收到的信号相同，两片斩波片的旋转角速度一致；当需要改变衰减量时，两个电机驱动接收到的信号出现差异，导致两片斩波片的旋转角速度产生差值，斩波片A的角速度大于斩波片B的角速度，从而导致二者的相对位置改变，斩波片A的扇叶遮挡了斩波片B的部分空隙，从而导致允许光通过的间隙变小，从而增大了衰减量，在达到所希望的衰减量后，两个电机驱动接收的信号再次变为相同，此时，两片斩波片的旋转角速度再次保持一致；同理，如果需要减小衰减量，只需要在上述的状态下，按照上述描述调整斩波片A的角速度小于斩波片B的角速度，使得斩波片B的空隙被斩波片A的扇叶遮挡的部分减少从而减小衰减量；

如图3所示为斩波片A与斩波片B的初始相对位置，在没有启动时，二者的扇叶完全重合，没有相对角度差，此时的衰减量由斩波片的原始占空比决定，在本实施例中，初始的占空比即为50％；在启动后，若设置占空比为25％，随着控制，二者的相对位置发生改变、如图4所示，可以看到，斩波片A的扇叶与斩波片B的扇叶之间出现了相对位置差，通过光的间隙也变小，实现了调节斩波器的占空比，从而实现了调节衰减量。

更进一步的，从工作原理上讲：

根据斩波器的结构，即可给出衰减器的占空比范围公式：

max{2DR-1,0}≤DR′≤DR (1)

其中，DR为所述固定占空比斩波片A与B的占空比，DR′为所述可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器的占空比；可以看出，占空比的调整范围由两片斩波片的占空比决定，当通过使用占空比较大的斩波片来提升占空比上限时，也会导致衰减器的占空比下限上升，可以计算出最大的占空比可调范围是0％～50％，即上述实施例。

设定φ为两片所述固定占空比斩波片之间的相位差，得到相位差φ与占空比DR′的关系为：

其中，m为固定占空比斩波片的扇叶数；可以看出，φ的上限由DR′决定，当DR′为0时、φ取最大值，即控制两片斩波片的相位差可以控制可调衰减器的占空比；如图5所示给出了上述实施例中衰减器的占空比与两片斩波片的相位差之间的关系；这里需要说明的是，占空比与衰减器的衰减量的关系为二者之和为100％。

考虑电机的旋转角分辨率R_M(对于步进电机来说即为步距角)以及电机与斩波片的传动比κ，可以得出衰减器的调节分辨率为：

通过上式可以看出，电机的旋转角分辨率是影响衰减器的主要因素，衰减器的占空比(或衰减量)的取值是以D为间隔的离散值；同时，适当调节电机与斩波片之间的齿轮的传动比，能够更精确地调整可调衰减器的衰减量分辨率。

在本实施例中，由于使用了步进电机作为电机，而步进电机的角度由输入的步进电机的脉冲数决定，所以可以通过改变发送给电机驱动A和电机驱动B的脉冲数量差k来改变两片斩波片之间的相位差，进而改变衰减器的衰减量；电机驱动A和电机驱动B的脉冲数量的差值Δk(不妨以电机A相位超前于电机B为例)与两片斩波片之间的相位差的调节量Δφ的关系如下：

基于上述电机驱动A和电机驱动B的脉冲数量的差值Δk，本发明的中央处理模块的控制方式既可以使用开环控制、也可以使用闭环控制，为描述方便，本实施例中使用开环控制；具体来说，以衰减量从50％调节到90％，齿轮传动比为1时为例，当衰减量为50％时，对应的占空比为50％，由公式(2)计算出此时的斩波片的相位差为0度；当在TFT屏幕上点击选择90％衰减量时，对应的占空比为10％，此时中央处理模块通过公式(2)计算出斩波片的相位差为14.4度，即两片斩波片之间的相位差的改变量Δφ为+14.4度，由公式(4)算出电机驱动A和电机驱动B的脉冲数量的差值Δk为8，即步进电机驱动A要比步进电机驱动B多接收8个脉冲；中央处理器相电机驱动A和电机驱动B的信号时序图如图6所示，起始时，中央处理系统每收到一个同步脉冲便同时向A和B发送一个脉冲，即图中的同步阶段；在收到更改衰减量命令后的第一个同步脉冲时，向电机驱动A发送两个脉冲并计数，向电机驱动B发送一个脉冲，即图中的产生相位差阶段；当计数到8时，将计数清0，并在下一个同步脉冲时更改脉冲发送方式为，向电机驱动A发送一个脉冲并向电机驱动B发送一个脉冲，即图中的恢复同步阶段；这样做的目的是保证斩波器的斩波频率能够达到最大电机驱动响应频率的一半；如果希望增加斩波器更改衰减量的响应速度，则需要牺牲掉斩波频率，降低同步脉冲的频率，在两个同步脉冲之间可以插入更多的发送给电机驱动A的脉冲；需要说明的是，在图6中的同步信号的频率是不变的，在产生相位差阶段将同步时序中的低电平拉长是为了方便描述时序关系，并不代表真实的时间长度。

如果采用闭环控制，则在传动齿轮处增加一个编码器来确定斩波器的旋转角度与旋转速度，将读取的数据传递到中央处理模块后，中央处理模块根据误差调整发送给电机驱动的脉冲。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims

1.一种可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器，包括：稳定频率源、中央处理模块、交互界面、电机驱动A、电机A、固定占空比斩波片A、电机驱动B、电机B、固定占空比斩波片B、电源模块；其中，所述电机A在电极驱动A的驱动下带动固定占空比斩波片A绕中心旋转，所述电机B在电极驱动B的驱动下带动固定占空比斩波片B绕中心旋转，所述固定占空比斩波片A与固定占空比斩波片B同心平行放置；

所述中央处理模块与稳定频率源、交互界面、电机驱动A、电机驱动B及电源模块均连接，所述稳定频率源用于为中央处理器提供频率同步信号，所述交互界面用于实现可调衰减器的设置及信息交互、并向中央处理器发出调节信号，所述电源模块用于为可调衰减器供电，所述中央处理模块用于接收频率同步信号与调节信号、计算并分别向电机驱动A、电机驱动B发出相应的控制信号、以实现可调衰减器的衰减量的调节。

2.按权利要求1所述可调衰减器，其特征在于，所述固定占空比斩波片A与固定占空比斩波片B的形状与尺寸均相同，且在初始状态下，固定占空比斩波片A与固定占空比斩波片B的扇叶相重合。

3.按权利要求2所述可调衰减器，其特征在于，所述可用于紫外/红外/可见光全波段的可调衰减器的调节分辨率D为：

其中，κ为电极与固定占空比斩波片的传动比，m为固定占空比斩波片的扇叶数量，R_M为电机的旋转角分辨率。

4.按权利要求1所述可调衰减器，其特征在于，所述电机A与电机B采用相同类型，为步进电机、或者带有编码器的伺服电机；当采用步进电机时，电机驱动方式采用开环控制；当采用带有编码器的伺服电机时，电机驱动方式采用闭环控制，使用编码器的编码值作为反馈信号。

5.按权利要求1所述可调衰减器，其特征在于，所述电机与固定占空比斩波片之间采用齿轮传动，通过调整齿轮半径比例能够调节可调衰减器的衰减量的调节精度。