CN1204047A - 光束方向微小漂移检测系统 - Google Patents

Abstract

一种光束方向微小漂移检测系统,特别适用于激光高精度刻录系统光束方向漂移的检测,也可用于对振动的定量检测。它主要包括两块相同参数、相互平行、中心置于系统光轴上的光栅,在两块光栅之前放置被测光源,在两块光栅之后置有探测器、信号处理器和计算机。本发明的检测系统具有结构简单、系统误差小、测量较直接、测量精度高(可达到微弧度量级)等优点。

Description

光束方向微小漂移检测系统

本发明涉及光束方向高精度检测的一种光束方向微小漂移检测系统，特别适用于激光高精度刻录系统光束方向漂移的检测，也可用于对振动的定量检测。

已有技术中对光束方向漂移的检测常采用间接方法。

已有技术1：

如图1所示，被测光源1的光束0直接照明探测器2(CCD或线阵光电池)的光敏面，通过计算机3采样测出其光斑漂移量d，最后根据被测光源1和探测器件2的距离p计算出方向漂移量 $\mathrm{\θ}=\frac{d}{p}$ 。但由于在实际应用中p不能过大，这种方法的精度受探测器所能达到的分辨率的限制。在p=1m的情况下，借助现有线元尺寸为7～14μm的探测器，其测量精度仅能达到7～14微弧度，不能满足高精度要求。

已有技术2：

如图2所示，在被测光源1与探测器2之间加入望远镜系统4，先用望远镜系统4进行角放大，然后再用上述方法测量。但是根据亥姆霍兹公式，角放大的同时，光束将以相同倍数缩小，影响测量精度的提高；并且，加入望远镜系统4后，对原光束的能量分布的影响也很大，这是难以克服的系统误差。

此外，以上两种方案均有另一个难题：在测量距离p时，仅仅知道一端在探测器的光敏面，另一端可能在被测光源内部某处，难以准确测量。

已有技术3：

如图3所示，为应用泰伯(Talbot)效应和莫尔(Moire)效应的泰伯干涉仪。它的基本结构主要包括两块光栅7、8，第一块光栅7之前，由点光源5发射的光束经过准直透镜6后形成平行光束进入光栅7，在光栅7与光栅8之间插入被测透明物体10，在光栅8之后有观测屏9。若将两块光栅7、8平行放置并互相错位 周期，则置于光栅7的泰伯(Talbot)平面处的光栅8正好挡住光栅7的Talbot像的亮纹，因此在光栅8后面形成暗场。在光栅7和8之间插入被测透明物体10，将使通过光栅7的光位相发生改变，从而在观察屏形成莫尔(Moire)条纹，测量这些条纹，可得被测透明物体10的位相分布。所以，泰伯干涉仪仅是一种测量位相分布的非常灵敏的仪器。

本发明的目的是为了克服已有技术1和已有技术2的困难，巧妙地综合利用已有技术3的结构特点，提供一种光束方向微小漂移的高精度检测系统。

本发明的检测系统主要包括两块相同参数的相互平行放置于系统中心位置上的光栅7、8，而且两光栅7、8的中心恰好在系统的光轴上。被测光源1置于光栅7之前，被测光源1与光栅7之间置有准直器件11。在光栅8之后置有探测器2、信号处理器12和计算机3。在光栅8与探测器2之间置有扩束元件13，如图4所示。若被测光源1发射光束的光斑尺寸足够大，不需再扩束，则在光栅8与探测器2之间就不必置放扩束元件13，如图9所示。

如图4所示的检测系统，当对被测光源1发射光束进行检测时，计量光栅7、8同时实现泰伯效应和莫尔效应；泰伯效应产生“自成像”，莫尔效应完成位移放大。探测器2接收到信号后，由信号处理器12对莫尔条纹计数和细分，然后输入计算机3进行运算和处理，得出检测结果。

上面所说的置于被测光源1与光栅7之间的准直器件11，可以选择透镜，如图9所示；或者是望远镜组件；或者是空缺，即对被测光源1发射光束已是平行光束时，就不必再在被测光源1之后、光栅7之前放置准直器件11，如图8所示。

如图5所示，当平行光束照明光栅7时，则会在其后出现一系列泰伯像且放大率为1。对空间周期为α的线光栅泰伯距离q(泰伯像与光栅7的距离)满足

q=ma²／λ    (m=1，2，3，…)    (1)式中λ为被测光源1的波长，m为一正整数。

另一方面，两块线光栅相互叠合，并使二者栅线以小角度相交，则可形成莫尔条纹，如图6所示。设光栅7的泰伯像光栅14与光栅8的空间周期均为α，栅线夹角为β(β≠0)，则形成横向莫尔条纹，条纹位移W满足： $W=a/2\sin \frac{\mathrm{\β}}{2}--\left(2\right)$ 即当像光栅14沿ox轴移动距离α，则条纹位移为W，放大倍数为 $k=1/2\sin \frac{\mathrm{\β}}{2}\≈\frac{1}{\mathrm{\β}}--\left(3\right)$ 当β很小时，k应很大。这就是莫尔条纹的位移放大作用。

如图7所示，光栅7的自成像光栅14与光栅8在同一平面，构成莫尔光栅付。对比图7(a)、7(b)两种情况，知光束方向改变对应像光栅14、8相对位移的移动，利用莫尔效应，可直接测出放大了的位移。

进一步的理论分析表明：若某段时间光束方向沿ox轴漂移θ_x，则像光栅14、光栅8的相对位移为χ=qθ_x(q为光栅8所在面的泰伯距离)，经莫尔效应放大后，产生位移 $X=\mathrm{kq}{\mathrm{\θ}}_x=\frac{q}{\mathrm{\β}}{\mathrm{\θ}}_x--\left(4\right)$ 多次采样，可得到一系列θ_x值。理论上讲θ_x应满足正态分布(高斯分布)，作数值计算，即可给出光束沿ox的方向漂移角Θ_x。若光束方向漂移无倾向性，Θ_x即反映光束方向漂移角Θ。

测出ox轴方向的方向漂移Θ_x后，可将两光栅再旋转90°，在y轴方向的测出一系列Θ_y，同样可算出漂移角Θ_y。最后，可根据情况对两个数据进行处理：或求平均，或取较大者，或分别记录，或继续对其它方向进行测量。

本发明检测系统的优点：

本发明系统测量光束方向漂移角有以下几个优点：其一，结构简单，光学系统完全可以只引入两块光栅，系统误差小；其二，测量较直接，由于栅线夹角β和泰伯距离q，可根据情况选定，作为系统的参数，测出莫尔条纹的位移X即可算出角漂移θ_x；其三，技术基础好，对莫尔条纹的计数和细分有相当成熟的技术可利用；其四，测量精度高，可达微弧度量级；最后，探测与被测光源1的距离较短，使用方便。

附图说明：

图1：为已有技术1的检测光束方向漂移的普通结构示意图。

图2：为已有技术2利用角放大进行检测的结构示意图。

图3：为已有技术3泰伯干涉仪的结构示意图。

图4：为本发明检测系统基本结构示意图。

图5：为泰伯效应示意图。

图6：为莫尔效应示意图。

图7：为检测情况分析示意图。

其中图7a为光束正入射于光栅7的情况，图7b为光束斜入射于光栅7的情况，可以看出两种情况下光栅7的泰伯像位置发生了变化。

图8：为实施例2所用的检测系统结构示意图。其中插入光栅8与探测器2之间的扩束元件13为一透镜。

图9：为实施例4所用的检测系统结构示意图。在被测光源1与光栅7之间插入一短焦距透镜作为准直器件11。

实施例1：

如图4所示，对于被测光源1的光束为直径R大于1mm的平行光束，可让光束通过光栅7、8，直接测量，不需准直器件11和扩束元件13，即可得到满意的结果。

设R=2mm，a=0．02mm，为保证在视场内观察到2个莫尔条纹，栅线夹角β可取0．02rad。若探测器2选用CCD，其像元尺寸为14μm，泰伯距离q=200mm，则不对条纹进一步细分其测量精度即可达到1．4μrad。

实施例2：

如图8所示，若光斑小于1mm可选用一透镜作为扩束元件13插入光栅8与探测器2之间，对莫尔条纹放大，再采样处理，这样可弥补莫尔条纹放大倍数不足的缺点。

实施例3：

如图4所示，若光栅7、8为相同参数的正交光栅，探测器2选用面阵CCD，计算机3在ox轴和oy轴两方向采样处理，即可一次测出角漂移Θ_x、Θ_y。

实施例4：

如图9所示，被测光源1的光束为发散的球面波。若直接检测，则系统的调节过程较复杂；此时可在被测光源1和光栅7之间加入一短焦距透镜作为准直器件11，将光束转化成平行光束进行检测。

实施例5：

用本发明的检测系统检测机械振动状况。如图4所示的结构，要求一发射光束的方向稳定性很好的光源，则可在被测光源1的位置上，置放该稳定可靠的光源，这样构成的系统可当作新系统。将它放置于被检测振动状况的地方，即可通过测量数据反映出该处的机械振动状况。

Claims (3)

1．一种光束方向微小漂移检测系统，包括两块相同参数的光栅(7)、(8)、探测器(2)、信号处理器(12)和计算机(3)，其特征在于具体结构是：

<1>两块相同参数的光栅(7)、(8)是相互平行地置放于系统的中心位置上，且两光栅(7)、(8)的中心是在系统光轴上；

<2>被测光源(1)是置于光栅(7)之前的系统光轴上；

<3>探测器(2)是置于光栅(8)之后的系统光轴上；

<4>被测光源(1)与光栅(7)之间置有准直器件(11)；

<5>探测器(2)之后有信号处理器(12)和计算机(3)。

2．依据权利要求1的一种检测系统，其特征在于置于被测光源(1)与光栅(7)之间的准直器件(11)，可以是透镜，或者是望远镜组件，或者是空缺。

3．依据权利要求1的一种检测系统，其特征在于在光栅(8)与探测器(2)之间或置有扩束元件(13)，或不置放扩束元件(13)。

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