一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方法
【專利摘要】本發明涉及光束傳輸領域,涉及一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方法,包括步驟:S1,分別將兩個分束鏡、兩個光敏傳感器PSD設置在測量位置上,所述兩個分束鏡水平、等高設置,在激光方向無偏狀態下,激光光束與分束鏡面成45°,且激光經過兩個分束鏡的反射后分別垂直射入兩個光敏傳感器PSD屏幕的中心位置;S2:測量無偏激光光束與兩個分束鏡的交點距離兩個PSD屏幕的距離,并測量兩個分束鏡的間距;S3:使待測激光光束沿水平方向射向兩個分束鏡;S4:讀取兩個PSD屏幕上的激光光斑坐標值;S5:計算得出激光光束偏轉角θ的正切值,求得到光束偏轉角θ。本發明得到的光束偏轉角轉化為可直接用于系統控制的參量,測量方法簡便,精度較高。
【專利說明】
-種基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方法
技術領域
[0001] 本發明屬于光束傳輸領域,尤其設及一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方 法。
【背景技術】
[0002] 激光光束具有光束方向性好的重要特點,常應用于高能激光器、激光通訊等高精 度光學系統中。但是,由于溫度變化、平臺振動、激光器指向漂移等原因,激光光束方向容易 發生改變,如光束抖動、光束漂移,導致較大指向誤差的產生。激光光束的方向是否發生偏 轉,指向精度是否達到要求,運需要依靠精確的測量做出決定。因此,需要研究一種測量精 度高、簡單可靠的光束偏轉測量方法。
[0003] 目前廣泛應用的光敏傳感器(PhotoelechicSensitive Detector,W下簡稱PSD) 的敏感屏幕大多是一個二維面,使用運類PSD必須解決兩個問題:(1)如何將面內測得的光 斑偏差量轉化為系統的控制參量,即光束偏轉角;(2)如何在空間定位PSD的光敏面位置。現 有方法大多先連續采集大量圖像,并計算相應光斑中屯、坐標的平均值和標準偏差,然后根 據標準偏差計算激光光束的抖動或漂移角偏差,數據龐大、計算有延遲,且沒有考慮PSD光 敏面的定位問題。
【發明內容】
[0004] 為解決上述技術問題,本發明提出了一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方 法。具體技術方案包括W下步驟:
[0005] S1:分別將兩個分束鏡、兩個光敏傳感器PSD設置在測量位置上,所述兩個分束鏡 水平、等高設置,在激光方向無偏狀態下,激光光束與分束鏡面成45°,且滿足激光經過兩個 分束鏡的反射后分別垂直射入兩個光敏傳感器PSD屏幕的中屯、位置;
[0006] S2:測量無偏激光光束與兩個分束鏡的交點距離兩個PSD屏幕的距離,并測量兩個 分束鏡在無偏激光光束線路上的間距;
[0007] S3:使待測激光光束沿水平方向射向兩個分束鏡;
[000引 S4:讀取兩個PSD屏幕上的激光光斑坐標值;
[0009] S5:根據下式計算得出激光光束偏轉角Θ的正切值,
[0010]
[00川其中對、71分別為激光光斑在第一個PSD屏幕上的坐標值,X2、y2分別為激光光斑在 第二個PSD屏幕上的坐標值,hi、h2分別為無偏光束與兩個分束鏡的交點距離兩個PSD屏幕的 距離,L為兩個分束鏡在激光光束線路上之間的間距;根據正切值tan0,求解得到光束偏轉 角9,即為測量得到的光束偏差量。
[0012]進一步地,所述步驟S5中獲得的光束偏轉角Θ記為某一時刻0的光束偏轉角θ〇,并 記e〇在水平面內和豎直面內的分量表示為α〇,β〇,良I
[0013] 記任意時刻k的光束偏轉角0k為名義光束偏轉角,將0k轉為與時刻0的光束偏轉角 9〇關系為
'其中ak,0k為0k水平面內和豎直面內的分 量,xi,o,yi,o表示時刻0時激光光斑在第一個PSD屏幕上的坐標值,xi,k,yi,k表示時刻k時激光 光斑在第一個PSD屏幕上的坐標值,進一步,得到
,進而得到名義 光束偏轉角。實際操作中可將名義光束偏轉角直接用作控制系統的參量。
[0014] 采用本發明的有益效果:利用現有應用最普遍的光敏傳感器PSD和分束鏡,根據本 發明方法能夠對光束偏轉角進行測量,并提供了一種光束指向控制實際操作中可直接用作 控制參量的名義光束偏轉角的測量計算方法,并給出了實驗操作中如何安裝PSD和分束鏡 的位置,W降低測量誤差。本發明計算得到的光束偏轉角轉化為可直接用于系統控制的參 量,即名義光束偏轉角,測量方法簡便,精度較高。
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明方法流程圖;
[0016] 圖2是本發明中相關儀器安裝布局示意圖;
[0017] 圖3是光束偏轉角Θ的空間分解圖;
[0018] 圖4是理想條件下光束偏轉角計算幾何關系圖;
[0019] 圖5是PSD安裝有誤差時讀數光束偏轉角計算幾何關系圖;
[0020] 圖6是分束鏡安裝有誤差時讀數光束偏轉角計算幾何關系圖;
[0021] 圖7是10化激勵情況下主動光學調整架控制效果曲線及其總位移局部放大圖。
[0022] 圖8是50化激勵情況下主動光學調整架控制效果曲線及其總位移局部放大圖。
[0023] 圖9是150Hz激勵情況下主動光學調整架控制效果曲線及其總位移局部放大圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0025] W主動光學調整架光束指向控制實驗為依托,具體描述基于雙光敏傳感器的光束 偏差測量方法,下面結合【附圖說明】【具體實施方式】。實施例中,設置一個激光發射器,無偏狀 態下激光發射器平行于地面放置,即發出的激光方向平行于地面,坐標原點0為激光發生器 的激光發射出口,坐標軸Y平行于地面且指向激光發射方向,坐標軸Z垂直地面且正向為豎 直向上,坐標軸X與坐標軸Y、Z成右手系。
[0026] 如圖1所示,本發明方法流程圖,具體步驟如下。
[0027] S1:分別將兩個分束鏡、兩個光敏傳感器PSD設置在測量位置上,所述兩個分束鏡 水平、等高設置;如圖2所示,實施例中兩個分束鏡(分束鏡1與分束鏡2)與無偏狀態激光方 向成45°角并垂直地面放置,兩個分束鏡之間彼此平行,兩個PSD(PSD1與PSD2)的光學敏感 屏幕均垂直地面放置且平行于激光方向,光學敏感屏幕平均分為四個象限,其中屏幕的幾 何中屯、為坐標原點,水平向右為X軸正向,豎直向上為y軸正向,激光方向無偏狀態下激光發 射器發出的激光依次經過兩個分束鏡的反射后分別垂直射入兩個PSD光學敏感屏幕的中 屯、,在本主動光學調整架光束指向控制實驗中,PSD采用的是THORLABS的PDP90A,為2D橫向 效應位置傳感器,光敏屏幕尺寸為9mm X 9mm,敏感波長范圍為320nm到1 lOOnm,位置分辨率 為錯誤!未找到引用源。。
[0028] S2:測量無偏激光光束與兩個分束鏡的交點距離兩個PSD屏幕的距離,并測量兩個 分束鏡在激光光束線路上之間的間距;如圖4所示,hi = 0.7m、h2 = 0.7m分別為無偏光束與兩 個分束鏡的交點距離兩個PSD屏幕的距離,L = 0.7m為兩個分束鏡之間的間距,J=10m為光 束偏轉點距離第一個分束鏡的距離,運里的光束偏轉點為被控光學調整架上普通光學鏡面 的激光反射點。
[0029] S3:使待測激光光束沿水平方向射向兩個分束鏡;
[0030] S4:讀取兩個PSD屏幕上的激光光斑坐標值;依據激光光斑在兩個PSD屏幕上水平 方向和豎直方向的偏移量,即在兩個PSD屏幕的坐標值,
[0031 ] S5:計算得出激光光束偏轉角Θ的正切值,如圖3所示,光束偏轉角Θ在水平面內的 分量α和豎直面內的分量β;根據圖4中所示關系,在Ξ角形ABC內由Ξ角關系計算獲得,則激 光光束在X0Y平面上的投影與Y軸正向夾角α表示為,
[0032]
[0033] 根據圖中關系也可由下式進行求解
[0034]
[0035] 同理,激光光束在Υ0Ζ平面上的投影與Υ軸正向夾角β可W表示為,
[0036]
[0037] 同樣也可由下式進行求佑
[0038] 光束偏轉角目的正切值為,
[0039]
[0040] W上角度值均W逆時針為正。
[0041] 在實際操作中,手動測量距離參數過程可能出現的較大誤差可通過引入名義光束 偏轉角9k進行修正,通常是通過計算某一時刻0的光束偏轉角在水平面內和豎直面內的分 量為α〇,β〇:
[0045] 之后任意時刻k的光束偏轉角在水平面內和豎直面內的分量表示為,
[0046]
[0047]貝化時刻的光束偏轉角,因其基于某一初始時刻0的測量值得到的一個相對的值, 也即最終得到的名義光束偏轉角為,
[004引
[0049] 此時測量得到的名義光束偏轉角0k可能會由于hi, J的測量存在偏差而與真實光束 偏轉角4存在偏差,但是二者之間的比例總是恒定的,即:
[0050] Θ扣二 const 是
[0051] 式中,const為一個常數,故利用名義光束偏轉角不影響控制的精度,名義光束偏 轉角可作為最終的控制參數。
[0052] 在實際安裝PSD和分束鏡的過程中,安裝誤差會直接影響到偏轉角的測量精度,具 體原理為:
[0053] 如圖5所示,為減小PSD安裝誤差帶來的影響,優化PSD的安裝位置、安裝角度,在 PSD光敏屏幕有傾斜的情況下,不同時刻的光束偏轉角正切值與PSD讀數不再為簡單的比例 關系,而是與各光學原件擺放位置參數有關,如下公式所示,
[0化4]
[0化5]
[0056 ] 式中,腳標i , j分別表不i時刻和j時刻P SD測量參數,X1, i,y 1, i表不時刻i時激光光 斑在第一個PSD屏幕上的坐標值,X2,i,y2,i表示時刻i時激光光斑在第二個PSD屏幕上的坐標 值,δι,δ2分別為第一個PSD和第二個PSD的光學敏感屏幕安裝誤差角,W逆時針方向為正,故 增大距離hi和J,減小安裝誤差角δι,δ2,有利于減小誤差,即盡可能增大光束偏轉點與PSD之 間的光程并使得光束盡可能的垂直入射PSD屏幕,有利于提高測量精度。
[0057]如圖6所示,為減小分束鏡安裝誤差帶來的影響,優化分束鏡的安裝位置、安裝角 度,當分束鏡的安裝存在誤差時,由于反射光束與PSD屏幕夾角發生變化,不同時刻的光束 偏轉角正切值與PSD讀數不再為簡單的比例關系,而是與各光學原件擺放位置參數有關,如 下公式所示,
[0060] 式中,腳標i,j分別為i時刻和j時刻PSD測量參數,丫 1, 丫2分別為第一個分束鏡和 第二個分束鏡的安裝誤差角,W逆時針方向為正,故增大距離hi和J,減小安裝誤差角丫,有 利于減小誤差,即盡可能增大光束偏轉點與PSD之間的光程并使得光束盡可能的垂直入射 PSD屏幕,有利于提高測量精度。
[0061 ]對被控光學調整架在幅值相同的簡諧激勵10化,50Hz,150ΗζΞ個頻點上的控制效 果曲線及其總位移局部放大圖分別如圖7至圖9所示。由圖可觀察到,該系統在不同工況下 控制實驗的穩態幅值均不超過化rad,所W通過本發明計算得到的名義光束偏轉角去作為 系統的控制輸入的動態角度控制,維持測量角度在真值附近一定的精度內波動,說明光束 指向的控制精度能夠達到微弧度量級,驗證了基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方法的有 效性和測量結果的高精度。
【主權項】
1. 一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方法,其特征在于,包括以下步驟: S1:分別將兩個分束鏡、兩個光敏傳感器PSD設置在測量位置上,所述兩個分束鏡水平、 等高設置,在激光方向無偏狀態下,激光光束與分束鏡面成45°,且滿足激光經過兩個分束 鏡的反射后分別垂直射入兩個光敏傳感器PSD屏幕的中心位置; S2:測量無偏激光光束與兩個分束鏡的交點距離兩個PSD屏幕的距離,并測量兩個分束 鏡在無偏激光光束線路上的間距; S3:使待測激光光束沿水平方向射向兩個分束鏡; S4:讀取兩個PSD屏幕上的激光光斑坐標值; S5:根據下式計算得出激光光束偏轉角Θ的正切值,其中XI、yi分別為激光光斑在第一個PSD屏幕上的坐標值,X2、y2分別為激光光斑在第二 個PSD屏幕上的坐標值,分別為無偏光束與兩個分束鏡的交點距離兩個PSD屏幕的距 離,L為兩個分束鏡在激光光束線路上的間距;根據正切值tan0,求解得到光束偏轉角Θ,即 為測量得到的光束偏差量。2. 如權利要求1所述的一種基于雙光敏傳感器的光束偏差測量方法,其特征在于:所述 步驟S5中獲得的光束偏轉角Θ記為某一時刻〇的光束偏轉角θ〇,并記θ〇在水平面內和豎直面 內的分量表不SaQ,0〇,記任意時刻k的光束偏轉角0k為名義光束偏轉角,將0k轉為與時刻〇的光束偏轉角θ〇關 系為:,其中ak,0k為平面內和豎直面內的分量, 11,〇,丫1,()表不時刻〇時激光光斑在第一個PSD屏幕上的坐標值,XI, k,yi,k表不時刻k時激光光 斑在第一個PSD屏幕上的坐標值,進一步,,進而得到名義光 束偏轉角。
【文檔編號】G01B11/26GK105823441SQ201610227175
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月13日
【發明人】馮世鵬, 李東旭, 周易, 劉望, 羅青, 蔣建平
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學