CN113405490A - 高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置 - Google Patents

高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学计量与测量技术领域，具体涉及一种高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置。所述测量装置包括：激光器、空间滤波器、参考反射镜、电动三维位移台、汇聚透镜、高速CCD相机；本发明采用参考反射镜与FSM光路折转的方式，将FSM偏转角度提高为2n倍，可以实现较高分辨率的测量。当FSM的倾斜角度分辨率为0.02″时，当光线反射四次后，其光束最小偏向角约为0.001″，该方法较自准直法的分辨率有明显的提升。本发明采用TEM00模式的激光光斑作为测量目标，可以避免自准直仪测量时十字线目标亮度损失较大的问题。

Description

高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置
技术领域
本发明属于光学计量与测量技术领域，具体涉及一种高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置。
背景技术
二维快速控制反射镜(FSM)以其系统集成度高、转动惯量小、动态性能高等优点，广泛应用于光电跟踪系统、激光通信、自适应光学等领域，其动态角度的分辨率及测量误差直接决定着光电系统的指示精度。
目前，通常使用的FSM控制角度范围大约为1.0"～15°以内，控制带宽约为100Hz～3000Hz，角度分辨率约为0.2"～0.02"。但是，随着工艺的提高，其角度范围及角度分辨率正在逐步提高，某些FSM的角度分辨率已经达到了0.004"，甚至更高。
目前，针对二维快速控制反射镜动态角度测量主要采用自准直法。2007年西安理工大学苏力的硕士学位论文及2009年湖北工业大学何海霞的硕士论文均对基于光电自准直法的二维小角度测量技术进行了介绍。该方法通常采用自准直仪发射一个光学十字目标，该目标经过FSM反射后其十字中心会发生变化，通过测量光电接收器上十字中心的线量变化可以计算出FSM的角度变化。
该方法优点是测量原理简单，操作简便。但存在以下缺点：
(1)目前，采用光电自准直法的分辨率只能达到0.01"(国外最高能达到0.005")，难以满足目前FSM角度分辨率0.004"以及更高分辨率的测量需求。
(2)目前国内外生产的光电自准直仪主要是用于静态测试,其响应频率不高，还无法满足3000Hz等高速测量的需要。
(3)采用自准直仪进行测量时，亮度损失较大，自准直像比较暗，对测量精度有一定影响。
为了解决以上问题，且随着二维快速控制反射镜性能的不断提升，迫切需要研制一种新的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，如何提出一种高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，所述测量装置包括：激光器1、空间滤波器2、参考反射镜3、电动三维位移台4、汇聚透镜5、高速CCD相机6；
所述激光器1采用TEM00模式，输出圆形光斑的激光光束，作为测试目标；
所述空间滤波器2包括：显微物镜2-1、小孔光阑2-2、准直物镜2-3和可变光阑2-4；其用于对输入的激光光束进行会聚，同时在光斑会聚的位置上通过小孔光阑2-2实现空间滤波整形，滤波后的激光光束通过准直物镜2-3形成准直出射光束，该准直出射光束发射至被测二维快速控制反射镜；
所述参考反射镜3为平面反射镜，安装在电动三维位移台4之上，接收经过被测二维快速控制反射镜的反射光束，并在经过与被测二维快速控制反射镜之间多次反射之后，输出激光光束；
所述电动三维位移台4用于沿定义为Z轴的光轴方向以及垂直Z轴的X轴和Y轴进行三维移动，控制光线的折转次数；
所述汇聚透镜5与高速CCD相机6通过标准接口相连接，对经过参考反射镜3的激光光束进行接收。
其中，所述测量装置还包括：计算机采集处理系统7；
所述计算机采集处理系统7分别连接高速CCD相机6以及外部控制器。
其中，所述外部控制器连接被测二维快速控制反射镜，用于控制被测二维快速控制反射镜运动。
其中，所述激光器1与空间滤波器2、参考反射镜3、汇聚透镜5及高速CCD相机6共光轴。
其中，所述激光器1采用TEM00模式，输出圆形光斑，避免了自准直法测量中十字线目标亮度损失较大的问题。
其中，所述高速CCD相机6，其开窗帧频大于3000Hz，用于实现控制带宽为3000Hz下的高频动态角度测量。
其中，所述高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置的工作方式为，激光器1产生圆形光斑作为测量目标，经过空间滤波器2整形后进入被测二维快速控制反射镜，经被测反射镜反射后进入参考反射镜3；当待测二维快速控制反射镜的反射镜面倾斜一个微小角度α角时，每经过一次反射，光束就倾斜2α角；若光线在待测二维快速控制反射镜与参考反射镜3之间反射n次后，则出射光线就倾斜了2nα，这样使二维快速反射镜角度测量的分辨率提高了2n倍，经过反射后的光束经过5与高速CCD相机6进行接收；使得高速CCD相机6会得到激光光斑的初始位置D(x0,y0,t0)；
当外部控制器控制二维快速控制反射镜运动时，高速CCD相机6的CCD靶面上的光斑图像位置就发生了变化，变为D(x,y,t,n)，由此，通过D(x0,y0,t0)和D(x,y,t,n)，可得到待测二维快速控制反射镜的偏转角度α。
其中，所述通过D(x0,y0,t0)和D(x,y,t,n)，可得到待测二维快速控制反射镜的偏转角度α，具体为：
通过下式得到快速控制反射镜的偏转角度α：
Figure BDA0003120211960000041
上式中，f为物镜的焦距。
其中，所述激光器1选择波长527nm的半导体激光器，输出功率：20mW，发散角：1.2mrad，稳定性＜0.12％。
其中，小孔光阑2-2的大小通过下述公式进行计算和选型：
Figure BDA0003120211960000042
式中：Dopt为小孔光阑直径，F为显微物镜焦距，λ为波长，a为激光光斑半径。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
(1)本发明采用参考反射镜与FSM光路折转的方式，将FSM偏转角度提高为2n倍，可以实现较高分辨率的测量。当FSM的倾斜角度分辨率为0.02″时，当光线反射四次后，其光束最小偏向角约为0.001″，该方法较自准直法的分辨率有明显的提升。
(2)本发明采用精密程控的电动三维位移台控制参考反射镜的轴向运动，可以精确控制光线的折转次数。
(3)本发明采用空间滤波器进行激光光斑的空间整形，结合高速CCD相机，可以实现控制带宽为3000Hz下的高频动态角度测量。
(4)本发明采用TEM00模式的激光光斑作为测量目标，可以避免自准直仪测量时十字线目标亮度损失较大的问题。
附图说明
图1是本发明的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置的构成示意图。
图2是空间滤波器组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，如图1及图2所示，所述测量装置包括：激光器1、空间滤波器2、参考反射镜3、电动三维位移台4、汇聚透镜5、高速CCD相机6；
所述激光器1采用TEM00模式，输出圆形光斑的激光光束，作为测试目标；
所述空间滤波器2包括：显微物镜2-1、小孔光阑2-2、准直物镜2-3和可变光阑2-4；其用于对输入的激光光束进行会聚，同时在光斑会聚的位置上通过小孔光阑2-2实现空间滤波整形，滤波后的激光光束通过准直物镜2-3形成准直出射光束，该准直出射光束发射至被测二维快速控制反射镜；
所述参考反射镜3为平面反射镜，安装在电动三维位移台4之上，接收经过被测二维快速控制反射镜的反射光束，并在经过与被测二维快速控制反射镜之间多次反射之后，输出激光光束；
所述电动三维位移台4用于沿定义为Z轴的光轴方向以及垂直Z轴的X轴和Y轴进行三维移动，精确控制光线的折转次数；
所述汇聚透镜5与高速CCD相机6通过标准接口相连接，对经过参考反射镜3的激光光束进行接收。
其中，所述测量装置还包括：计算机采集处理系统7；
所述计算机采集处理系统7分别连接高速CCD相机6以及外部控制器。
其中，所述外部控制器连接被测二维快速控制反射镜，用于控制被测二维快速控制反射镜运动。
其中，所述激光器1与空间滤波器2、参考反射镜3、汇聚透镜5及高速CCD相机6共光轴。
其中，所述激光器1采用TEM00模式，输出圆形光斑，避免了自准直法测量中十字线目标亮度损失较大的问题。
其中，所述高速CCD相机6，其开窗帧频大于3000Hz，用于实现控制带宽为3000Hz下的高频动态角度测量。
其中，所述高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置的工作方式为，激光器1产生圆形光斑作为测量目标，经过空间滤波器2整形后进入被测二维快速控制反射镜，经被测反射镜反射后进入参考反射镜3；当待测二维快速控制反射镜的反射镜面倾斜一个微小角度α角时，每经过一次反射，光束就倾斜2α角；若光线在待测二维快速控制反射镜与参考反射镜3之间反射n次后，则出射光线就倾斜了2nα，这样使二维快速反射镜角度测量的分辨率提高了2n倍，经过反射后的光束经过5与高速CCD相机6进行接收；使得高速CCD相机6会得到激光光斑的初始位置D(x0,y0,t0)；
当外部控制器控制二维快速控制反射镜运动时，高速CCD相机6的CCD靶面上的光斑图像位置就发生了变化，变为D(x,y,t,n)，由此，通过D(x0,y0,t0)和D(x,y,t,n)，可得到待测二维快速控制反射镜的偏转角度α。
其中，所述通过D(x0,y0,t0)和D(x,y,t,n)，可得到待测二维快速控制反射镜的偏转角度α，具体为：
通过下式得到快速控制反射镜的偏转角度α：
Figure BDA0003120211960000061
上式中，f为物镜的焦距。
其中，所述激光器1选择波长527nm的半导体激光器，输出功率：20mW，发散角：1.2mrad，稳定性＜0.12％。
其中，小孔光阑2-2的大小通过下述公式进行计算和选型：
Figure BDA0003120211960000071
式中：Dopt为小孔光阑直径，F为显微物镜焦距，λ为波长，a为激光光斑半径。
实施例1
如图1所示,本实施例中的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其包括：激光器1、空间滤波器2、参考反射镜3、电动三维位移台4、汇聚透镜5、高速CCD相机6和计算机采集处理系统7。
所述激光器1采用TEM00模式，输出圆形光斑，作为测试目标，其与空间滤波器2、参考反射镜3、汇聚透镜5及高速CCD相机6共光轴。在本优选实施例中，考虑到工作体积、效率、功率损耗及稳定性等方面，选择波长527nm的半导体激光器，输出功率：20mW，发散角：1.2mrad，稳定性＜0.12％。
如图2所示，所述空间滤波器2包括：显微物镜2-1、小孔光阑2-2和准直物镜2-3、可变光阑2-4；其作用是对输入的激光光束进行会聚，同时在光斑会聚的位置上通过小孔光阑实现空间滤波，滤波后的激光光束通过准直物镜形成准直出射光束。在本优选实施例中，小孔光阑的大小可以经过下述公式进行计算和选型：
Figure BDA0003120211960000072
式中：Dopt为小孔光阑直径，F为显微物镜焦距，λ为波长，a为激光光斑半径。
所述参考反射镜3为平面反射镜，安装在电动三维位移台4之上，接收经过FSM的反射光束，经过与FSM之间多次反射后输出激光束；在本优选实施例中，平面发射镜的材料可以选用石英或微晶玻璃。
所述电动三维位移台4可以沿光轴方向Z轴以及垂直Z轴的X轴和Y轴进行三维移动，精确控制光线的折转次数。
所述汇聚透镜5与高速CCD相机6通过标准接口相连接，对经过参考反射镜的激光光束进行接收。在本优选实施例中，高速相机的型号采用EoSens 4CXP型，其分辨率为2336×1728，开窗帧频：3020fps，像元尺寸：7μm，能够满足高速测量的需要。
所述高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于：其工作方式为，激光器1产生圆形光斑作为测量目标，经过空间滤波器2整形后进入被测二维快速控制反射镜，经被测反射镜反射后进入参考反射镜3。当待测反射镜面倾斜一个微小角度α角时，每经过一次反射，光束就倾斜2α角。若光线反射n次后，出射光线就倾斜了2nα，这样使二维快速反射镜角度测量的分辨率提高了2n倍，经过反射后的光束经过5与高速CCD相机6进行接收。高速CCD相机6可以得到激光光斑的初始位置D(x0,y0,t0)。当控制器控制快速反射镜运动时，CCD靶面上的光斑图像位置就发生了变化，变为D(x,y,t)，通过下式就可以得到快速控制反射镜的偏转角度α：
Figure BDA0003120211960000081
上式中，f为物镜的焦距。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述测量装置包括：激光器(1)、空间滤波器(2)、参考反射镜(3)、电动三维位移台(4)、汇聚透镜(5)、高速CCD相机(6)；
所述激光器(1)采用TEM00模式，输出圆形光斑的激光光束，作为测试目标；
所述空间滤波器(2)包括：显微物镜(2-1)、小孔光阑(2-2)、准直物镜(2-3)和可变光阑(2-4)；其用于对输入的激光光束进行会聚，同时在光斑会聚的位置上通过小孔光阑(2-2)实现空间滤波整形，滤波后的激光光束通过准直物镜(2-3)形成准直出射光束，该准直出射光束发射至被测二维快速控制反射镜；
所述参考反射镜(3)为平面反射镜，安装在电动三维位移台(4)之上，接收经过被测二维快速控制反射镜的反射光束，并在经过与被测二维快速控制反射镜之间多次反射之后，输出激光光束；
所述电动三维位移台(4)用于沿定义为Z轴的光轴方向以及垂直Z轴的X轴和Y轴进行三维移动，控制光线的折转次数；
所述汇聚透镜(5)与高速CCD相机(6)通过标准接口相连接，对经过参考反射镜(3)的激光光束进行接收。
2.如权利要求1所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：计算机采集处理系统(7)；
所述计算机采集处理系统(7)分别连接高速CCD相机(6)以及外部控制器。
3.如权利要求2所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述外部控制器连接被测二维快速控制反射镜，用于控制被测二维快速控制反射镜运动。
4.如权利要求1所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述激光器(1)与空间滤波器(2)、参考反射镜(3)、汇聚透镜(5)及高速CCD相机(6)共光轴。
5.如权利要求1所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述激光器(1)采用TEM00模式，输出圆形光斑，避免了自准直法测量中十字线目标亮度损失较大的问题。
6.如权利要求1所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述高速CCD相机(6)，其开窗帧频大于3000Hz，用于实现控制带宽为3000Hz下的高频动态角度测量。
7.如权利要求1所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置的工作方式为，激光器(1)产生圆形光斑作为测量目标，经过空间滤波器(2)整形后进入被测二维快速控制反射镜，经被测反射镜反射后进入参考反射镜(3)；当待测二维快速控制反射镜的反射镜面倾斜一个微小角度α角时，每经过一次反射，光束就倾斜2α角；若光线在待测二维快速控制反射镜与参考反射镜(3)之间反射n次后，则出射光线就倾斜了2nα，这样使二维快速反射镜角度测量的分辨率提高了2n倍，经过反射后的光束经过(5)与高速CCD相机(6)进行接收；使得高速CCD相机(6)会得到激光光斑的初始位置D(x0,y0,t0)；
当外部控制器控制二维快速控制反射镜运动时，高速CCD相机(6)的CCD靶面上的光斑图像位置就发生了变化，变为D(x,y,t,n)，由此，通过D(x0,y0,t0)和D(x,y,t,n)，可得到待测二维快速控制反射镜的偏转角度α。
8.如权利要求7所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述通过D(x0,y0,t0)和D(x,y,t,n)，可得到待测二维快速控制反射镜的偏转角度α，具体为：
通过下式得到快速控制反射镜的偏转角度α：
Figure FDA0003120211950000031
上式中，f为物镜的焦距。
9.如权利要求1所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，所述激光器(1)选择波长527nm的半导体激光器，输出功率：20mW，发散角：1.2mrad，稳定性＜0.12％。
10.如权利要求1所述的高分辨率二维快速控制反射镜动态角度测量装置，其特征在于，小孔光阑(2-2)的大小通过下述公式进行计算和选型：
Figure FDA0003120211950000032
式中：Dopt为小孔光阑直径，F为显微物镜焦距，λ为波长，a为激光光斑半径。
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