CN2655268Y - 精密旋转双棱镜光束扫描器 - Google Patents

Abstract

一种用于激光束空间扫描的精密旋转双棱镜光束扫描器，该精密旋转双棱镜光束扫描器包括驱动电路、两电机、传动机构、双圆形棱镜，其特点是在驱动电路之前有计算机和PID控制器，该计算机内设有专用数据库，该数据库存有双圆形棱镜的旋转角度(θ₁，θ₂)与透射光束俯仰角和方位角(δ，Φ)的对应数值，在传动机构的输出端与双圆形棱镜相对应设有两个角度传感器，其输出端连接计算机。本实用新型的精密旋转双棱镜光束扫描器，可使透射光束的仰角δ和方位角Φ精度达到毫弧度量级，并且扩大了扫描器的扫描范围。

Description

精密旋转双棱镜光束扫描器

技术领域

本实用新型与激光束的空间扫描和捕获有关，特别是一种精密旋转双棱镜光束扫描器。

背景技术

激光束的空间扫描和捕获一直是空间光通信和激光雷达技术的重点发展研究方向之一。空间光通信和激光雷达必须将激光束对有效的探测空间进行扫描和捕获目标，达到准确实现通信和测量目标距离及方位的目的。为达到该目的在先前技术[1](参见Optics Guide 5，Chapter 10，Page12.)和在先技术[2](参见祖继锋等专利，申请号：03129234.8，申请日2003年6月)提到利用旋转双棱镜装置实现激光束在特定范围内的二维扫描。其基本原理是用两个电机分别带动两个棱镜旋转，当某一激光束沿棱镜的旋转轴方向入射后，经过两个棱镜折射后光束可以在一个特定的圆锥内连续偏转而产生一定的俯仰角和方位角(捕获或扫描的目标在上述能够获得的最大圆锥角内)在计算光束通过旋转双棱镜系统后的偏转角的过程中，在先技术都是在假设棱镜的顶角很小并且光束垂直照射在棱镜上而得到偏转角的近似公式

$\mathrm{\δ}=2(n-1)\mathrm{\α}\cos \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2}{2}\right)--------\left(1\right)$

及方位角

$\mathrm{\Φ}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2}{2}-------\left(2\right)$

其控制过程是根据(1)(2)推导出θ₁＝f₁(δ，Φ)，θ₂＝f₂(δ，Φ)然后借助于数据转换电路而实现的(附图1)1数据转换电路；2伺服控制电路；3驱动电路；4、5电机；6传动机构；7、8圆形棱镜。因为公式(1)是在棱镜的顶角很小的情况下近似得到的，因此其精度和扫描范围受到一定的限制。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题在于克服上述在先技术的的不足，给出光束通过旋转双棱镜系统后的偏转角δ和方位角Φ的精确公式，并根据该公式提出了一种精密旋转双棱镜光束扫描器，以提高双棱镜的精度达到毫弧度量级并扩大扫描范围。

本实用新型的设计思想可以阐述如下：

假设开始时两圆形棱镜的主截面都在XY面内，棱的方向沿Z的方向，在XYZ坐标系内入射光束的单位矢量为A＝(sincosθ，sinsinθ，cos)，可以推导出经两棱镜后光束的偏转角δ和方位角Φ与两个棱镜的旋转角θ₁、θ₂之间的关系为：

Φ＝0，(sin²₂sin²(θ₂₂+δ₂)＝1)                                                          (4)

(3)(4)两式中：

₂＝cos^-1{sin[cos^-1(sincosθsinθ₁+cosθ₁cos)]cos(θ₁₁+δ₁)sin(θ₂-θ₁)+cos(θ₂-θ₁)cos₁}

                                                                                           (5)

(5)(6)式中

₁＝cos^-1(sincosθsinθ₁+cosθ₁cos)

(7)式中

(8)式中

根据上述结果可知当入射光束的方向确定后，就可得出不同的转角θ₁、θ₂对应的光束的偏转角δ和方位角Φ。

但扫描器的控制过程是如何由给定的参数(δ，Φ)确定两棱镜的旋转角度(θ₁，θ₂)？由(3)(4)并不能得出解析式θ₁＝f₁(δ，Φ)，θ₂＝f₂(δ，Φ)，因此在先技术中的控制方法对该装置是不适用的，但由公式(3)(4)可以得出(θ₁，θ₂)和(δ，Φ)之间对应的数值解。为此，以公式(3)(4)为基础编写matlab程序，根据实际情况对棱镜的顶角α、材料的折射率n赋初值，使θ₁、θ₂在[0  2π]内分别以一定的步长取值，可以得出一系列与(θ₁，θ₂)对应的(δ，Φ)，保持所有(θ₁，θ₂)和(δ，Φ)之间的对应关系并存入一数据库。该数据库的精度由θ₁、θ₂的步长确定，比如当步长为 $\frac{2\mathrm{\π}}{1500}(\frac{2\mathrm{\π}}{1500}\≈0.004)$ 可以精确到毫弧度量级，当然根据精度要求还可以缩短步长，但其精度不可能超过衍射极限

当给定(δ，Φ)后可以在该数据库中查找出满足 $\mathrm{\Δ}=\sqrt{{\left({\mathrm{\δ}-\mathrm{\δ}}_n\right)}^2+{(\mathrm{\Φ}-{\mathrm{\Φ}}_n)}^2}$ 为最小值的(δ_n，Φ_n)，则数据库中与(δ_n，Φ_n)对应的(θ_1n，θ_2n)即为两个圆形棱镜各自旋转的角度。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种用于激光束空间扫描的精密旋转双棱镜光束扫描器，包括驱动电路、电机、传动机构、双圆形棱镜、驱动电路接收指令并按该指令驱动电机通过传动机构分别使双圆形棱镜旋转，其特征是在驱动电路之前还有计算机和PID控制器，该计算机内设有专用数据库，该数据库存有双圆形棱镜的旋转角度(θ₁，θ₂)与透射光束俯仰角和方位角(δ_n，Φ_n)的对应数值，在传动机构的输出端还设有角度传感器，其输出端接计算机。

所述的精密旋转双棱镜光束扫描器的控制方法，其特征是包括下列步骤：

①根据双圆形棱镜的顶角α、材料的折射率n，使θ₁、θ₂在(0～2π)之间分别按选定的步长取值，按下列公式：

Φ＝0，(sin²₂sin²(θ₂₂+δ₂)＝1)                                           (4)

(3)(4)两式中：

₂cos^-1{sin[cos^-1(sincosθsinθ₁+cosθ₁ cos)]cos(θ₁₁+δ₁)sin(θ₂-θ₁)+cos(θ₂-θ₁)cos₁}

                                                                             (5)

(5)(6)式中

₁＝cos^-1(sincosθsinθ₁+cosθ₁cos)

(7)式中

(8)式中

利用计算机(1)求出一系列与(θ₁、θ₂)对应于目标位置(δ_n、φ_n)的数值解，并存入计算机(1)的专用数据库中；

②将目标位置信息(δ_x，φ_x)输入计算机后，计算机即在专用数据库找出满足 $\mathrm{\Δ}=\sqrt{{({\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_n)}^2+{({\mathrm{\Φ}}_x-{\mathrm{\Φ}}_n)}^2}$ 为最小值的(δ_n，Φ_n)，计算机找到(δ_n，Φ_n)后，再在专用数据库中选取与之对应的(θ_1n，θ_2n)；

③将(θ_1n，θ_2n)和角度传感器测量到的实际角度(θ_1n′，θ_2n′)进行比较，所得到的差值输入到PID控制器，该PID控制器产生相应的控制信号通过驱动电路分别驱动双电机通过传动系统带动双圆形棱镜旋转到新位置；

④这时，两角度传感器又会将各自感测双圆形棱镜的新角度(θ″_1n，θ″_2n)送入计算机，计算机再将(θ_1n，θ_2n)与(θ″_1n，θ″_2n)进行比较，并将差值输入到PID控制器，该控制器产生相应的控制信号通过驱动电路分别驱动两电机通过传动系统带动双圆形棱镜旋转到新位置；

⑤如此循环，最后使光束的偏转角和方位角满足目标位置信息(δ_x，Φ_x)。所述的旋转角度θ₁，θ₂的步长选为

所述的专用数据库(9)Datebase1.00分为四个子库：Datebase1.01中方位角的范围是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范围是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范围是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范围是(3π/2，2π)。

本实用新型的技术效果：

本实用新型与在先技术[1][2]的不同之处是用计算机及计算机中存有的数据库代替在先技术中的数据转换电路，另外还增加了两个角度传感器来提高棱镜转动的精度。在先技术中的数据转换电路是根据近似公式(1)(2)把伺服控制信号转变为控制信号的，而本实用新型中的数据库是根据公式(3)(4)得出的精确解，因此根据给定的(δ_x，Φ_x)在库中找到的控制信号(θ_1n，θ_2n)是比较精确的，将(θ_1n，θ_2n)和角度传感器测得的棱角实际角度(θ_1n′，θ_2n′)的差值输入PID控制器，控制器产生控制信号通过驱动电路带动棱镜旋转使透射光束偏转到(δ_x′，Φ_x′)，理论计算表明当θ₁、θ₂的步长为 时，(δ_x′，Φ_x′)与实际的目标位置信号(δ_x，Φ_x)的误差可控制在毫弧度量级，该发明的精度至少比在先技术的精度高一个数量级。另外公式(1)(2)的推导过程还受到光束垂直入射在棱镜上的条件的限制，而公式(3)(4)的得出并不受此条件的限制，因此该发明可实现对任意角度入射光的控制。

附图说明：

图1是在先技术的结构框图，图中：1⁰-数据转换电路；2⁰-伺服控制电路；3-驱动电路；4、5-电机；6-传动机构；7、8-圆形棱镜。

图2是本实用新型的结构框图，图中：1-计算机；2-PID控制器；3-驱动电路；4、5-电机；6-传动机构；7、8-圆形棱镜；9-数据库；10、11-角度传感器

图3是圆形棱镜的截面图，棱镜的顶角为α＝15°，直径Φ＝250mm。

图4是表示光束经过双圆棱镜后的偏转角δ和方位角Φ的定义。

图5是旋转双棱镜的立体示意图。

图6本实用新型控制方法的流程示意图。

具体实施方式：

先请参阅图3，图3是本实用新型精密旋转双棱镜光束扫描器对的结构框图，由图可见，本实用新型精密旋转双棱镜光束扫描器，包括驱动电路3、两电机4，5、传动机构6、双圆形棱镜7，8，该驱动电路3接收指令并按该指令驱动两电机4，5通过传动机构6分别使双圆形棱镜7，8旋转，其特征是在驱动电路3之前还有计算机1和PID控制器2，该计算机1内设有专用数据库9，在传动机构6的输出端还设有两角度传感器10，11，该两角度传感器10，11的输出端接计算机1。

所述的精密旋转双棱镜光束扫描器的控制方法，包括下列步骤：

①根据双圆形棱镜7，8的顶角α、材料的折射率n，使θ₁、θ₂在(0～2π)之间分别按选定的步长取值，按下列公式：

Φ＝0，(sin²₂ sin²(θ₂₂+δ₂)＝1)                                                       (4)

(3)(4)两式中：

₂＝cos^-1{sin[cos^-1(sincosθsinθ₁+cosθ₁cos)]cos(θ₁₁+δ₁)sin(θ₂-θ₁)+cos(θ₂-θ₁)cos₁}

                                                                                         (5)

(5)(6)式中

₁＝cos^-1(sincosθsinθ₁+cosθ₁cos)

(7)式中

(8)式中

利用计算机1求出一系列与(θ₁，θ₂)对应于目标位置(δ_n，Φ_n)的数值解，并存入计算机1的数据库9中；

②当将目标位置信息(δ_x，Φ_x)输入计算机1后，计算机1即在专用数据库9找出满足 $\mathrm{\Δ}=\sqrt{{({\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_n)}^2+{({\mathrm{\Φ}}_x-{\mathrm{\Φ}}_n)}^2}$ 为最小值的(δ_n，Φ_n)，计算机1找到(δ_n，Φ_n)后，再在专用数据库9中选取与之对应的(θ_1n，θ_2n)，将(θ_1n，θ_2n)和角度传感器10、11测量到的实际角度(θ_1n′，θ_2n′)进行比较，所得到的差值输入到PID控制器2，该控制器2产生的控制信号通过驱动电路3分别驱动两电机4、5通过传动系统6带动双圆形棱镜7、8旋转到新位置：

③这时，角度传感器10、11又会将感测圆形棱镜7、8的新的角度(θ″_1n，θ″_2n)送入计算机1，计算机1再将(θ_1n，θ_2n)与(θ″_1n，θ″_2n)进行比较，并将差值输入到PID控制器2，该控制器2产生的控制信号通过驱动电路3分别驱动电机4、5通过传动系统6带动圆形棱镜7、8旋转到新位置，如此循环，最后使光束的偏转角和方位角满足目标位置信息(δ_x，Φ_x)。

所述的旋转角度θ₁、θ₂的步长选为

所述的数据库(9)Datebase1.00分为四个子库：Datebase1.01中方位角的范围是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范围是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范围是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范围是(3π/2，2π)。

圆形棱镜7、8的材料为K9玻璃，直径Φ为250mm，如图2所示，波长为632.8nm的入射光沿棱镜的旋转轴入射，要求其扫描范围在±15°，扫描精度为毫弧度量级。

根据给定的条件可得折射率n＝1.51467，入射矢量为(0，1，0)；由公式(3)(4)的推导，得知当两个圆形棱镜7、8的旋转角θ₁＝θ₂＝0时，光束有最大偏转角，分别代入公式(3)(4)可求出当棱镜的顶角α为14.375°时，光束的最大偏转角可达15°。为保证其规定的扫描范围，我们令两个棱镜的顶角α为15°，两棱镜的旋转角度θ₁，θ₂的步长为 该系统的精密度可达到毫弧度量级，也可根据精度的不同要求，进一步缩短步长，但该方法的控制精度受实际光机械结构的影响，极限精度应为计算机1运行后，按照公式(3)/(4)可得到数据库9-Datebase1.00，为缩短整个过程的响应时间根据方位角Φ的范围把Datebase1.00分为四个子库并存入计算机1，Datebase1.01中方位角的范围是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范围是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范围是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范围是(3π/2，2π)。

当系统接收到目标位置信息(δ_x，Φ_x)，计算机1即可按照图6的流程进行控制：根据Φ_x的值判断(δ_x，Φ_x)在哪个子库中，并在该子库中搜寻到满足 $\mathrm{\Δ}=\sqrt{{({\mathrm{\δ}}_x-{\mathrm{\δ}}_n)}^2+{({\mathrm{\Φ}}_x-{\mathrm{\Φ}}_n)}^2}$ 为最小值的(δ_n，Φ_n)，然后调用与(δ_n，Φ_n)对应的(θ_1n，θ_2n)，将(θ_1n，θ_2n)和角度传感器10、11测量到的实际角度(θ_1n′，θ_2n′)进行比较，所得到的差值输入到PID控制器2。该控制器产生的控制信号通过驱动电路3驱动电机4、5转动相应的角度，由传动机构6带动双圆形棱镜7、8旋转到相应的位置，透射光束偏转到(δ_x′，Φ_x′)，此时和目标位置(δ_x，Φ_x)的误差控制精度在毫弧度量级。

Claims (2)

1、一种用于激光束空间扫描的精密旋转双棱镜光束扫描器，包括驱动电路(3)、两电机(4、5)、传动机构(6)、双圆形棱镜(7、8)，其特征是在驱动电路(3)之前有计算机(1)和PID控制器(2)，该计算机(1)内设有专用数据库(9)，该数据库(9)存有双圆形棱镜(7、8)的旋转角度θ₁、θ₂与透射光束俯仰角δ_n和方位角Φ_n的对应数值，在传动机构(6)的输出端与双圆形棱镜(7、8)相对应设有两个角度传感器(10，11)，其输出端连接计算机(1)。

2、根据权利要求1所述的精密旋转双棱镜光束扫描器，其特征在于所述的专用数据库(9)-Datebase1.00分为四个子库：Datebase1.01中方位角的范围是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范围是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范围是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范围是(3π/2，2π)。

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