CN205785113U - 一种用于激光干涉仪测量远距离的光学系统 - Google Patents
一种用于激光干涉仪测量远距离的光学系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，包括：参考光路组件、远距离测量光学组件和第一角锥反射镜，所述远距离测量光学组件设置于所述参考光路组件和第一角锥反射镜之间，其中，所述远距离测量光学组件包括出射光学部件和接收光学部件。本实用新型所述远距离测量光学组件中的出射光学部件通过斜方棱镜将光束上移一段距离，这样就算是激光光斑由于传输距离较远而变大，也不会导致出射光斑和反射光斑的重合，而且通过出射光学部件可以让激光光束传播的更远；通过接收光学部件的第二望远镜的大口径光束返回结构，可以最大程度地保证了回射光的信号强度，能够大幅度降低对光学元件的加工要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光学系统，尤其涉及一种用于激光干涉仪测量远距离的光学系统。
背景技术
由于激光固有的属性，在传输一段距离后，激光的光斑会发散的比较大，因此会导致光电接收器的信号大幅减弱，在短距离(20m左右)，此信号的减弱还不影响信号的测量，但是当测量的距离大于30m时，由于信号的衰减严重影响到了探测器信号的接收。因此，测量远距离时必须考虑到信号的衰减问题；同时，激光远距离传输后，光斑尺寸会变大，这样会容易导致光斑反射回激光器中，导致激光器不能工作。
现有的技术中，有部分远距离测量方案是直接截取了部分信号光，这样会使得本来就比较微弱的信号光变得更为微弱，虽然能通过电子方面的处理来放大信号，但是这样会增加电子噪音，使得电子方面的处理更为困难。并且由于激光发散的问题，直接截取部分信号的方法使得其信号更加的微弱。这种通过直接截取信号的做法对电子电路的要求很高，其主要问题就是信号的强弱比较弱，因此需要从电路上将信号进行增益放大处理，增益放大后又会导致噪音的增大，还会导致测量速度的降低；最为关键，这种方法没有从源头上去增强信号，而是靠电子和软件去实现，且由于激光发散角的存在，也会导致激光传输很长一段距离后回射激光的能量变弱。
现有技术的另一种远距离测量方案中，用一个望远镜直接将入射光扩束，这样可以减小激光的发散角，同时在信号光回射时望远镜又可以作为缩束镜使用，可以最大化信号光回来的强度。但是这种方法对外加的望远镜要求非常高，并且难以制造，并且此方法对机械安装的要求也比较高，这样不仅仅会增加设计的难度也会增加镜片制造和机械封装的难度；加之，在远距离传输后，激光的光斑变大，可能会导致激光返回到激光头出光孔里面，导致有害的激光反馈，引起激光器跳模失锁。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是需要提供一种能够避免由于光斑发散太大从而导致测量信号变弱以及由于反射光斑较大从而导致反射光反馈到激光器引起的激光器不能稳频等问题的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，进而保证了激光干涉仪的远距离测量，并且还降低了对光学元件的设计和加工要求。
对此，本实用新型提供一种用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，包括：参考光路组件、远距离测量光学组件和第一角锥反射镜，所述远距离测量光学组件设置于所述参考光路组件和第一角锥反射镜之间，其中，所述远距离测量光学组件包括出射光学部件和接收光学部件。
本实用新型的进一步改进在于，所述参考光路组件包括偏振分光棱镜和第二角锥反射镜，所述第二角锥反射镜设置于所述偏振分光棱镜上方。
本实用新型的进一步改进在于，所述偏振分光棱镜设置于所述出射光学部件和接收光学部件的正前方。
本实用新型的进一步改进在于，所述出射光学部件包括斜方棱镜和第一望远镜，所述第一望远镜的扩束端口设置于所述斜方棱镜的光束出口处。
本实用新型的进一步改进在于，所述接收光学部件包括第二望远镜，所述第二望远镜设置于所述第一角锥反射镜的接收光路上。
本实用新型的进一步改进在于，所述第二望远镜中凸透镜的通光孔径比所述第一望远镜中凸透镜的通光孔径大。
本实用新型的进一步改进在于，所述第二望远镜中凸透镜的通光孔径为所述第一望远镜中凸透镜的通光孔径的1.1~2倍。
本实用新型的进一步改进在于，所述第二望远镜中凸透镜的通光孔径为所述第一望远镜中凸透镜的通光孔径的1.25倍。
本实用新型的进一步改进在于，第一角锥反射镜的两个反射面均与所述参考光路组件所发出的测量光成45°角。
本实用新型的进一步改进在于，所述第一望远镜包括负透镜和正透镜。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：所述远距离测量光学组件设置于所述参考光路组件和第一角锥反射镜之间，所述远距离测量光学组件中的出射光学部件通过斜方棱镜将光束上移一段距离，这样就算是激光光斑由于传输距离较远而变大，也不会导致出射光斑和反射光斑的重合，而且通过第一望远镜的扩束，可以让激光光束传播的更远，在此基础上，通过第二望远镜的大口径光束返回结构，相比于第一望远镜的小口径，所述接收光学部件的第二望远镜有着更大的通光口径，这样可以最大程度地保证了回射光的信号强度。
附图说明
图1是本实用新型一种实施例的系统结构示意图；
图2是本实用新型一种实施例的远距离测量光学组件的出射光学部件和接收光学部件的通光孔径结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，本例提供一种用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，包括：参考光路组件1、远距离测量光学组件2和第一角锥反射镜3，所述远距离测量光学组件2设置于所述参考光路组件1和第一角锥反射镜3之间，其中，所述远距离测量光学组件2包括出射光学部件和接收光学部件。
如图1所示，本例所述参考光路组件1包括偏振分光棱镜101和第二角锥反射镜102，所述第二角锥反射镜102设置于所述偏振分光棱镜101上方，该偏振分光棱镜101和第二角锥反射镜102构成了激光干涉仪测量系统的参考光部分；所述偏振分光棱镜101设置于所述出射光学部件和接收光学部件的正前方。
参考光路组件1与普通的线性测量的干涉分光系统的结构一样，测量光在偏振分光棱镜101处一部分透射成为测量光，另一部分向上反射，作为参考光，经PBS反射的参考光再由位于PBS上部的第二角锥反射镜102反射与回射的信号光一起进入到激光干涉仪的探测系统。
如图1所示，本例所述出射光学部件包括斜方棱镜201和第一望远镜202，所述第一望远镜202的扩束端口设置于所述斜方棱镜201的光束出口处；所述接收光学部件包括第二望远镜203，所述第二望远镜203设置于所述第一角锥反射镜3的接收光路上。所述第一角锥反射镜3的两个反射面均与所述参考光路组件1所发出的测量光优选成45°角；所述第一望远镜202优选包括负透镜和正透镜。
远距离测量光学组件2将激光干涉仪的出射光和反射回来的信号光的中心距离增大，并且压缩出射光的发散角，使得激光光束能够传输的更远，同时增大信号光的接收面积，最大可能的增大信号光的强度。
所述参考光路组件1的测量光，进入到远距离测量光学组件2后，测量光先通过一个斜方棱镜201向上偏移一段距离，斜方棱镜201的两个反射面都与测量光成45°角，这样的角度大于了棱镜的全反射临界角，最大限度的避免了能量的损失；同时也保证测量光仅仅只是发生了平移，通过斜方棱镜201平移后，进入到第一望远镜202，第一望远镜202由一个负透镜和一个正透镜组成，相比于两个正透镜形式的望远镜，此类望远镜在望远镜镜片中间没有实的焦点。由于激光光学中：；由望远镜扩束后，相应的激光光束的发散角也减小，而激光传输一段距离后光斑的尺寸：；也就是光斑的尺寸与发散角成正比，这就要求尽可能的压缩光斑的发散角，使得激光光束传播的更远。虽然如此，激光通过远距离传输后光斑不可避免的增大，此时通过一个反向的望远镜，可以起到压缩光斑的作用，并且第二望远镜203的凸透镜有着尽可能大的通光孔径，这样可以最大限度的收集反射回来的激光信号，保证激光干涉仪的信号可以测量。
本例所述第一角锥反射镜3和第二角锥反射镜102均为棱椎反射镜，亦可简称角锥；为了保证第一角锥反射镜3能够覆盖中心变大后的测量光以及该第一角锥反射镜3反射后的信号光，这里的第一角锥反射镜3应大于普通常用的角锥反射镜的尺寸。
如图2所示，本例所述第二望远镜203中凸透镜的通光孔径比所述第一望远镜202中凸透镜的通光孔径大；优选的，所述第二望远镜203中凸透镜的通光孔径为所述第一望远镜202中凸透镜的通光孔径的1.1~2倍，经测试，所述第二望远镜203中凸透镜的通光孔径为所述第一望远镜202中凸透镜的通光孔径的1.25倍时效果最佳。
本例在测量远距离的线性信息时，将远距离测量光学组件2安装在参考光路组件1上，所述参考光路组件1发出的测量光经过斜方棱镜201向上偏移一段距离，通过斜方棱镜201后，由第一望远镜202将测量光的光束扩束，由于此时的测量光的光束由第一望远镜202的中心射入，所以只需考虑系统的球差就好，而由于激光光斑一般比较小，此时系统的球差也比较小。
测量光的光束通过第一角锥反射镜3反射时，由于激光通过远距离的传输，光斑比出射的光斑大，因此第二望远镜203中的凸透镜的通光孔径会比第一望远镜202中凸透镜的通光孔径大，相比与第一望远镜202的通光孔径，此处的第二望远镜203的通光孔径是第一望远镜202的通光孔径的1.25倍，如图2所示。这样便于最大程度的反射后的信号光，保证信号光的强度，同时也保证远距离测量的准确性。
本例能够解决以下几个问题：第一、能够解决激光远距离传输后激光信号变弱的问题，由于激光的固有属性，激光光斑在传输一端距离后不可避免的会发散变大。本例通过第一望远镜202的扩束，同时压缩激光的发散角，可以尽可能的让激光光斑减小；同时，通过一个大口径反向的第二望远镜203系统压缩反射回来的光斑，保证激光干涉仪的信号强，并减少了光学反射面。第二、降低了对光学元件加工的苛刻要求，本例只要矫正好球差就可以达到很好的效果，大大降低了对光学元件的要求。第三、避免了光路系统调试问题，现有技术中望远镜的位置，特别是上下位置非常重要，一点点的偏差，可能就会导致信号不能返回到激光头里面，本例不再存在这个问题。
本例所述远距离测量光学组件2中的出射光学部件通过斜方棱镜201将光束上移一段距离，这样就算是激光光斑由于传输距离较远而变大，也不会导致出射光斑和反射光斑的重合，而且通过第一望远镜202的扩束，可以让激光光束传播的更远，在此基础上，通过第二望远镜203的大口径光束返回结构，相比于第一望远镜202的小口径，所述接收光学部件的第二望远镜203有着更大的通光口径，这样可以最大程度地保证了回射光的信号强度。
本例解决了激光信号由于远距离传输而变弱的问题，首先通过一个斜方棱镜201，而不是两个独立的三角反射镜，减少了光学传输的能量反射浪费；其次通过第一望远镜202所在的望远镜扩束系统，压缩了激光的发散角，保证了激光远距离的传输；解决了测量光学系统中对光学元件苛刻的价格和误差要求，通过用分离望远镜系统代替一个单独的望远镜系统，使得系统的光学元件的加工要求大大降低；同时，灵活的分离结构还能保证信号光的收集；简化了远距离测量光学系统中的调试和安装，通过机械结构的保证，可以让本例的结构得以快速安装调试。
以上所述之具体实施方式为本实用新型的较佳实施方式，并非以此限定本实用新型的具体实施范围，本实用新型的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本实用新型之形状、结构所作的等效变化均在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，包括：参考光路组件、远距离测量光学组件和第一角锥反射镜，所述远距离测量光学组件设置于所述参考光路组件和第一角锥反射镜之间，其中，所述远距离测量光学组件包括出射光学部件和接收光学部件。
2.根据权利要求1所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述参考光路组件包括偏振分光棱镜和第二角锥反射镜，所述第二角锥反射镜设置于所述偏振分光棱镜上方。
3.根据权利要求2所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜设置于所述出射光学部件和接收光学部件的正前方。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述出射光学部件包括斜方棱镜和第一望远镜，所述第一望远镜的扩束端口设置于所述斜方棱镜的光束出口处。
5.根据权利要求4所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述接收光学部件包括第二望远镜，所述第二望远镜设置于所述第一角锥反射镜的接收光路上。
6.根据权利要求5所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述第二望远镜中凸透镜的通光孔径比所述第一望远镜中凸透镜的通光孔径大。
7.根据权利要求6所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述第二望远镜中凸透镜的通光孔径为所述第一望远镜中凸透镜的通光孔径的1.1~2倍。
8.根据权利要求7所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述第二望远镜中凸透镜的通光孔径为所述第一望远镜中凸透镜的通光孔径的1.25倍。
9.根据权利要求1至3任意一项所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，第一角锥反射镜的两个反射面均与所述参考光路组件所发出的测量光成45°角。
10.根据权利要求4所述的用于激光干涉仪测量远距离的光学系统，其特征在于，所述第一望远镜包括负透镜和正透镜。
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