一种探测激光二维方位及波长的装置及方法
【专利摘要】一种探测激光二维方位及波长的装置及方法，包括依次设置的激光器、光栅、显示屏和摄像头，其特征在于：所述光栅具有两组相互垂直的光栅条纹，两组光栅条纹相邻设置，并且两组光栅条纹的周期相同，该光栅为金属光栅，所述显示屏为透明显示屏。该装置及方法可以准确简单地测量入射光束的位置和波长，且测量稳定性高，可靠性好。通过摄像头实时拍照测量并且计算得出。可以快速地得出激光的二维方位和波长。可以用于报警技术，为报警技术的发展提供有效的参考。
【专利说明】
一种探测激光二维方位及波长的装置及方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种探测激光二维方位及波长的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 随着电子技术的发展，激光告警技术己经成为了光电领域的一项重要技术，该技 术主要用来探测激光的入射方位以及波长信息。一般的激光方位探测报警系统计算复杂， 装置昂贵，且只能探测一维方位角，很大程度上限制了激光告警技术的发展，因此，发明一 种操作简单，稳定，实用，且价格便宜的探测激光二维方位及波长的装置和方法就显得尤为 重要。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是利用二维金属光栅的衍射来实现激光方位和波长 的实时探测装置及其方法。
[0004] 本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种探测激光二维方位及波长的 装置，包括依次设置的激光器、光栅、显示屏和摄像头，其特征在于:所述光栅具有两组相互 垂直的光栅条纹，两组光栅条纹相邻设置，并且两组光栅条纹的周期相同，该光栅为金属光 栅，所述显示屏为透明显示屏。
[0005] 激光器发出的激光入射至该光栅的两组光栅的交界处。
[0006] 优选地，该光栅的条纹周期为5um，两组光栅条纹之间的间距小于等于光栅周期。
[0007] 上述装置的探测激光二维方位及波长的方法，包括以下步骤：1)激光器发出与光 栅垂直入射的标准光束，并且在显示屏上成像，并且用摄像头拍摄后记录该光束〇级衍射条 纹的成像点，并设该成像点为原点；
[0008] 2)用激光器发出待测光束，经过光栅衍射后在显示屏上成像，用摄像头拍摄记录 该衍射光斑的〇级衍射条纹的位置和1级衍射条纹的位置，并且计算该待测光束的〇级衍射 条纹和1级衍射条纹与标准光束的成像点之间的投影距离;利用公式
[0012] 计算出待测光束的α，β和λ，其中α为待测光束与水平的X轴之间的夹角，β为待测光 束与竖直的Υ轴之间的夹角，λ为待测光束的波长；
[0013] 待测光束的〇级衍射条纹在Υ轴上的投影与原点之间的距离为Μ，待测光束的0级衍 射条纹在X轴上的投影与原点之间的距离为D，待测光束的1级衍射条纹在Υ轴上的投影与原 点之间的距离为R，L为光栅与显示屏之间的距离，d为光栅的周期。
[0014] 与现有技术相比，本发明的优点在于该装置及方法可以准确简单地测量入射光束 的位置和波长，通过X方向和Y方向上分别测量得到的波长进行对比，可以减小波长测量的 误差，提高测量精度。且测量稳定性高，可靠性好。通过摄像头实时拍照测量并且计算得出， 可以快速地得出激光的二维方位和波长。而且可以用于报警技术，为报警技术的发展提供 有效的参考。
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实施例的探测激光二维方位及波长的装置中的光栅的示意图。
[0016] 图2为本发明实施例的探测激光二维方位及波长的装置的示意图。
[0017] 图3为本发明实施例的探测激光二维方位及波长的装置的显示屏上的示意图。
[0018] 图4为入射光束在光栅的右侧与X轴方向成45度角与Y方向垂直入射时，其衍射光 斑的光强分布图。
[0019] 图5为入射光束与Y轴垂直，与X轴呈一定夹角入射时，测量的其1级衍射条纹偏移Y 轴的距离与入射角的关系示意图。
【具体实施方式】
[0020] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0021] 本发明实施例的探测激光二维方位及波长的装置，如图1-3所示，包括依次设置的 激光器1，光栅2,显示屏3和摄像头4。该显示屏3为透明显示屏，因此，摄像头4能够在显示屏 3后侧进行拍摄记录。
[0022]该光栅2为具有两组相互垂直的光栅条纹，两组光栅条纹相邻设置，并且两组光栅 条纹之间的间距小于等于光栅周期d，并且两组光栅条纹的方向一个为沿水平方向，一个为 垂直方向，如图1所示，并且两组光栅条纹的周期d相同，并且该光栅为金属光栅。
[0023] 如图2、3、4所示，当激光器1发出的标准光束I，以垂直光栅2入射时，入射至光栅2 的两组光栅条纹的交界处，然后在显示屏3上成像，其中0级衍射条纹的成像点为0点，摄像 头4拍摄该0点位置后并且记录。设该0点为原点，即水平的X轴与竖直的Y轴的交界点。
[0024] 当激光器1发出的待测光束Γ，与竖直方向即Y轴方向成β角，与水平方向即X轴成α 角度入射到光栅2的两组光栅条纹的交界处时，显示屏3上的衍射条纹相对于0点产生偏移， 其中Ρ'点为〇级衍射条纹的位置，Ρ"点为1级衍射条纹的位置，该Ρ'点在X轴上的投影为X'， 在Υ轴上的投影为Υ'，Ρ"点在X轴上的投影为X"，在Υ轴上的投影为Υ"。〇级衍射条纹Ρ'在X轴 上的投影X'与原点之间的距离〇X'=D，在Υ轴上的投影Υ'与原点之间的距离0Υ'=Μ，1级衍 射条纹在Υ轴上的投影Ρ"与原点〇之间的距离X"P"=R。则满足以下公式：
[0025] D = L tan α (1)
[0026] R = L tan γ (2)
[0027] d(sin γ-sina) =λ (3)
[0028] M = L tan β (4)
[0029] 其中γ为X方向的衍射角，即该待测光束Γ的入射到光栅的入射点为0'，γ为角X" 0'0。如图2所示，L为光栅2与显示屏3之间的距离。并且上述R，M和D的距离均可以通过摄像 头4拍摄后通过与0点的位置的比较计算得出。
[0030]根据上述公式，可以推导出：
[0034]其中d为光栅周期。
[0035]例如，当测试激光选用波长为632nm的氦氖激光器，当待测光束Γ与X轴成45度角、 与丫轴成30度角入射时，测得:0 = 7.8〇11儿=7.5〇11，]\1 = 5.0〇11，1?=11.3〇]1。所选用的样品光 栅周期(1为511111，通过计算得到：€[ = 44.569，0 = 33.305，丫=56.062，人=640111]1。实验误差很 小，有很好的可靠性，本实例中仅测量了当激光在水平方向成不同角度入射时1级衍射条纹 的偏移情况。也可以选用其它级数的衍射图光斑偏移情况来估算激光入射的大致方位。
[0036] 如图4所示，为当入射光束在光栅2的右侧与X轴方向成45度角与Y方向垂直入射 时，其衍射光斑的光强分布图，可以明显看到其〇级以上衍射条纹有所偏移。当入射光束以 与水平方向上呈一定角度与竖直方向垂直的方向入射时，其竖直方向的〇级以上衍射条纹 会左右发生偏移，即发生X方向的偏移，当入射激光以与竖直方向上呈一定角度与水平方向 垂直的方向入射时，其水平方向的0级以上衍射条纹会上下发生偏移，即发生Y方向的偏移， 当激光与X轴和Y轴方向均呈一定夹角入射时两个方向上的0级以上衍射条纹均会有相应的 偏移，并且偏移的距离和激光的入射角度在一定范围内单调变化。如图5所示，示出了当激 光与Y轴垂直，与X轴呈一定夹角入射时，测量的其1级衍射条纹偏移Y轴的距离，从图中可以 看出，在一定范围内，偏移的距离和入射角度呈单调关系。
[0037] 该装置及方法可以准确简单地测量入射光束的位置和波长，通过X方向和Y方向上 分别测量得到的波长进行对比，可以减小波长测量的误差，提高测量精度。且测量稳定性 高，可靠性好。通过摄像头实时拍照测量并且计算得出，可以快速地得出激光的二维方位和 波长。而且可以用于报警技术，为报警技术的发展提供有效的参考。
【主权项】
1. 一种探测激光二维方位及波长的装置，包括依次设置的激光器(1)、光栅(2)、显示屏 (3) 和摄像头(4)，其特征在于:所述光栅(2)具有两组相互垂直的光栅条纹，两组光栅条纹 相邻设置，并且两组光栅条纹的周期相同，该光栅(2)为金属光栅，所述显示屏(3)为透明显 示屏。2. 如权利要求1所述的探测激光二维方位及波长的装置，其特征在于:激光器（1)发出 的激光入射至该光栅(2)的两组光栅的交界处。3. 如权利要求1所述的探测激光二维方位及波长的装置，其特征在于:该光栅(2)的条 纹周期(d)为加 m，两组光栅条纹之间的间距小于等于光栅周期(d)。4. 具有如权利要求1-3中任一项所述的装置的探测激光二维方位及波长的方法，包括 W下步骤：1)激光器（1)发出与光栅(2)垂直入射的标准光束（I)，并且在显示屏(3)上成像， 并且用摄像头(4)拍摄后记录该光束的0级衍射条纹的成像点（0)，并设该成像点（0)为原 点' ； 2)用激光器（1)发出待测光束（Γ)，经过光栅(2)衍射后在显示屏（3)上成像，用摄像头 (4) 拍摄记录该衍射光斑的0级衍射条纹的位置(P'）和1级衍射条纹的位置(P")，并且计算 该待测光束（Γ)的0级衍射条纹和1级衍射条纹与标准光束（I)的成像点之间的投影距离； 利用公式计算出待测光束（Γ)的α，β和λ，其中α为待测光束（Γ)与水平的X轴之间的夹角，β为待 测光束与竖直的Υ轴之间的夹角，λ为待测光束的波长； 其中，待测光束（Γ)的0级衍射条纹在Υ轴上的投影与原点（0)之间的距离为Μ，待测光 束（Γ )的0级衍射条纹在X轴上的投影与原点(0)之间的距离为D，待测光束（Γ )的1级衍射 条纹在Υ轴上的投影与原点(0)之间的距离为R，L为光栅(2)与显示屏(3)之间的距离，d为光 栅(2)的周期。
【文档编号】G01J9/00GK106092038SQ201610394056
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月6日 公开号201610394056.9, CN 106092038 A, CN 106092038A, CN 201610394056, CN-A-106092038, CN106092038 A, CN106092038A, CN201610394056, CN201610394056.9
【发明人】胡雪芳, 陶卫东, 牛棚楷, 董建峰
【申请人】宁波大学