CN114993210A - 二维快速控制反射镜角度温漂测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其包括：准直光发射模块、偏振分光系统、温度控制箱、光点位置传感器、数据采集传输模块和主控计算机；待测FSM布置在温度控制箱内；准直光发射模块发出的激光被偏振分光系统分为两部分，分别为S分量和P分量，S分量在经过温度控制箱的入射窗口后到达FSM，经FSM反射后，反射光出射后经偏振分光系统到达光点位置传感器，光点位置传感器将输出的信号转换后经数据采集传输模块上传至主控计算机，主控计算机通过PSD输出光电压和激光光斑的位移量，解算出FSM的角度变化量。本发明能够有效抑制普通分光棱镜所产生的鬼影现象，可以直接解算处FSM在在温度变化情况下的角度变化值。

Description

二维快速控制反射镜角度温漂测量装置

技术领域

本发明属于光学计量与测量技术领域，涉及一种二维快速控制反射镜角度温漂测量装置。

背景技术

高精度光电稳定平台目前广泛应用于对目标的捕获、跟踪以及瞄准任务。为了进一步提高光束指向精度，已经逐渐由采用整体稳定技术的两轴四框架方式向采用二级稳定技术的多轴多框架方式发展。这种二级稳定技术在原有陀螺稳定平台的基础上，增加了二维快速控制反射镜(FSM)，实现对残余扰动的补偿，进而实现高精度的稳定。

目前常用的FSM主要有压电陶瓷(PZT)驱动和音圈电机(VCA)驱动两种激励方式。PZT驱动器对温度的变化相对敏感，而且陶瓷本身在温度变化时会产生蠕变现象，导致驱动性能发生变化。而VCA驱动在复杂温度条件下工作时，电机电磁材料参数会发生一定改变，影响电机的驱动性能。因此，当温度变化时，FSM的零位会出现一定的温度漂移，会影响光电稳定平台的光束指向精度。

针对二维快速控制反射镜动态角度测量主要采用激光自准直法。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。该方法的优点是原理简单，便于实施。缺点为：(1)无法对FSM在高低温下的角度偏移进行准确的测量；(2)当系统加入分光棱镜时，会在传感器上引入一定的鬼影现象，影响测量精度。

发明专利201811607996.7“一种应变式角度传感器温漂零位补偿方法”，公开了一种应变式角度传感器温漂零位补偿系统，包括：外环CCD，分别测得摆台x轴、y轴方向的光束角度偏差，光束角度偏差结合环境干扰输送至角度控制器形成角度主令，角度主令结合零位补偿器的优化输出传送至内环驱动控制器给出摆台控制电压，实现驱动闭环控制。该专利从控制算法的角度提出了应变式角度传感器温漂零位的补偿方法，其缺点是：(1)该方法只针对PZT驱动的偏摆镜，没有考虑VCA驱动机制的FSM温漂测量问题；(2)该方法直接将传感器随温度变化的电压信号反馈该控制器，并不能获得FSM在温度变化情况下的角度变化值。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：针对现有技术的不足，且随着二维快速控制反射镜性能的不断提升，研制一种二维快速控制反射镜角度温漂测量装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其包括：准直光发射模块1、偏振分光系统2、温度控制箱3、光点位置传感器4、数据采集传输模块5和主控计算机6；待测FSM布置在温度控制箱3内；准直光发射模块1发出的激光被偏振分光系统2分为两部分，分别为S分量和P分量，S分量在经过温度控制箱3的入射窗口后到达FSM，经FSM反射后，反射光出射后经偏振分光系统2到达光点位置传感器4，光点位置传感器4将输出的信号转换后经数据采集传输模块5上传至主控计算机6，主控计算机6通过PSD输出光电压和激光光斑的位移量，解算出FSM的角度变化量。

其中，所述准直光发射模块1采用内置光功率闭环传感器的激光二极管作为光源，经光阑及非球面光学系统后实现光束整形及准直输出。

其中，所述偏振分光系统2包括偏振分光棱镜2-1和1/4波片2-2，1/4波片2-2布置在偏振分光棱镜2-1上，并朝向温度控制箱3的入射窗口；

其中，所述FSM反射光出射后穿过1/4波片2-2，其偏振方向旋转90°。

其中，所述光点位置传感器4包括二维PSD探测器、外围电路及AD转换电路，二维PSD探测器接收偏振后的反射光并输出光电流，外围电路将光电流转换为电压信号并进行差分放大，AD转换电路将差分放大信号转换为数字信号。

其中，所述数据采集传输模块5包括USB接口芯片，将光点位置传感器4输出的数据经缓存后上传至主控计算机6。

其中，所述主控计算机6通过二维PSD探测器输出光电压和激光光斑的位移量d，解算出FSM的角度变化量θ：

上式中，L为FSM上光斑位置距离PSD表面的垂直距离。

其中，所述温度控制箱3设置为分体式，包括分离的压缩机组与工作箱体，工作箱体置于气浮光学平台之上，隔绝外界振动。

其中，所述偏振分光棱镜2-1选择635nm波长的偏振分光镜，1/4波片2-2选择635nm的零级1/4波片。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，具备如下有益效果：

(1)采用激光二极管发射、光点位置传感器解算以及温度控制箱控温的方式，实现了能够满足PZT驱动和VCA驱动机制的FSM温漂测量问题。

(2)采用偏振分光棱镜和1/4波片相组合的方式，能够有效抑制普通分光棱镜所产生的鬼影现象；

(3)利用了PSD信号电压与光斑位置之间的关系，可以直接解算处FSM在在温度变化情况下的角度变化值。

附图说明

图1是本发明的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置的构成示意图。

图2是偏振分光系统示意图。

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。

如图1所示，本实施例中的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置包括：准直光发射模块1、偏振分光系统2、温度控制箱3、光点位置传感器4、数据采集传输模块5和主控计算机6。

所述准直光发射模块1采用内置光功率闭环传感器的激光二极管作为光源，经光阑及非球面光学系统后实现光束整形及准直输出。在本优选实施例中，采用Thorlabs公司的L635P5型LD配合LTN330-A型可调非球面激光准直系统，并采用MDL203CLNE型驱动模块确保激光器功率的恒定输出。

如图2所示，所述偏振分光系统2主要由偏振分光棱镜2-1和1/4波片2-2组成，其主要功能是与准直光发射模块1的工作波长相匹配，抑制普通分光棱镜所产生的鬼影现象。本优选实施例中，选择635nm波长的偏振分光镜和635nm的零级1/4波片；

所述温度控制箱3用来提供测试用的工作温度，其在侧面应有入射窗口；在本优选实施例中，采用分体式温度控制箱，压缩机组与工作箱体分离，工作箱体置于气浮光学平台之上，可以有效隔绝外界振动带来的影响；

所述光点位置传感器4一般由二维PSD探测器、外围电路及AD转换电路组成，其主要功能是将PSD传感器输出的光电流转换为电压信号并进行差分放大，并转换为数字信号。在本优选实施例中，二维PSD探测器选用滨松公司的S1880型产品，其带宽大于2MHz，阶跃时间小于2μs，光敏面尺寸为12mm×12mm。电路部分采用AD7902及AD7903型模数转换器，采样率为1MHz/s。

所述数据采集传输模块5主要包括USB接口芯片，将采集到的上述数据经缓存后上传至主控计算机6，由主控计算机6完成角度的解算。在本优选实施例中，采用cy7c68013型USB接口芯片，其数据带宽为40MB，可以完全满足数据传输的要求。

所述二维快速控制反射镜角度温漂测量装置的工作方式为：准直光发射模块1发出的激光被偏振分光系统2分为两部分，分别为S分量和P分量。其中，S分量在经过温度控制箱3的入射窗口后到达FSM，经FSM反射后，反射光出射后穿过1/4波片2-2，其偏振方向旋转90°，到达光点位置传感器4，光点位置传感器4将输出的信号转换后经USB接口上传至主控计算机6，主控计算机通过PSD输出光电压和激光光斑的位移量d，解算出FSM的角度变化量θ：

上式中，L为FSM上光斑位置距离PSD表面的垂直距离。

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)

1.一种二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，包括：准直光发射模块(1)、偏振分光系统(2)、温度控制箱(3)、光点位置传感器(4)、数据采集传输模块(5)和主控计算机(6)；待测FSM布置在温度控制箱(3)内；准直光发射模块(1)发出的激光被偏振分光系统(2)分为两部分，分别为S分量和P分量，S分量在经过温度控制箱(3)的入射窗口后到达FSM，经FSM反射后，反射光出射后经偏振分光系统(2)到达光点位置传感器(4)，光点位置传感器(4)将输出的信号转换后经数据采集传输模块(5)上传至主控计算机(6)，主控计算机(6)通过PSD输出光电压和激光光斑的位移量，解算出FSM的角度变化量。

2.如权利要求1所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述准直光发射模块(1)采用内置光功率闭环传感器的激光二极管作为光源，经光阑及非球面光学系统后实现光束整形及准直输出。

3.如权利要求2所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述偏振分光系统(2)包括偏振分光棱镜(2-1)和1/4波片(2-2)，1/4波片(2-2)布置在偏振分光棱镜(2-1)上，并朝向温度控制箱(3)的入射窗口。

4.如权利要求3所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述FSM反射光出射后穿过1/4波片(2-2)，其偏振方向旋转90°。

5.如权利要求4所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述光点位置传感器(4)包括二维PSD探测器、外围电路及AD转换电路，二维PSD探测器接收偏振后的反射光并输出光电流，外围电路将光电流转换为电压信号并进行差分放大，AD转换电路将差分放大信号转换为数字信号。

6.如权利要求5所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述数据采集传输模块(5)包括USB接口芯片，将光点位置传感器(4)输出的数据经缓存后上传至主控计算机(6)。

7.如权利要求6所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述主控计算机(6)通过二维PSD探测器输出光电压和激光光斑的位移量d，解算出FSM的角度变化量θ：

上式中，L为FSM上光斑位置距离PSD表面的垂直距离。

8.如权利要求7所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述温度控制箱(3)设置为分体式，包括分离的压缩机组与工作箱体，工作箱体置于气浮光学平台之上，隔绝外界振动。

9.如权利要求8所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置，其特征在于，所述偏振分光棱镜(2-1)选择635nm波长的偏振分光镜，1/4波片(2-2)选择635nm的零级1/4波片。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的二维快速控制反射镜角度温漂测量装置在光学计量与测量技术领域中的应用。

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