一种分时式多波长激光干涉测距系统

1.本实用新型涉及多波长激光干涉测量技术领域，特别涉及一种分时式多波长激光干涉测距系统。


背景技术：

2.激光的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛：精密长度、角度的测量，如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等。在大多数激光干涉测量系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构。
3.专利号为cn106093956a，名称为《一种激光测距系统》的专利，公开了基于迈克尔逊干涉原理，增加合光装置和分光装置的测量系统，将至少两束波长不等的激光通过合光装置合成一束复合激光，再通过分光装置，将一束复合激光分成至少两束单色光，使各单色光沿不同方向射出。但该方案中多束激光经过合光装置、分光镜、分光装置后，会经历激光光强减弱，从而造成激光最终到达干涉光电探测器的极大衰减，对于光电探测器的测量造成影响。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于降低了激光最终到达干涉测量光电探测器的衰减，提高激光的光强度，取消分光光路，减少干涉测量光电探测器的光路及光电探测器的数量，提供一种分时式多波长激光干涉测距系统和方法。
5.为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例提供了以下技术方案：
6.一种分时式多波长激光干涉测距系统，包括激光源、固定平面反射镜、分光镜、移动平面反射镜、干涉测量光电探测器，还包括合光装置、光控开关，其中，
7.所述激光源包括至少两个激光器，每个激光器所发射的激光的波长各不相同，且没有公约数；
8.所述光控开关包括至少两个，且光控开关与所述激光器一一对应设置，用于开启或关断其对应的激光器向所述合光装置发射的激光；
9.所述合光装置将接收到的激光反射或透射至分光镜，激光经分光镜反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，然后经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，最终经分光镜透射和反射至干涉测量光电探测器。
10.在上述方案中，当任一光控开启时，其他光控开关关闭，使得此时仅有一束激光射入合光装置，合光装置再将激光反射或透射至分光镜，由于各激光不再同时发射至合光装置由合光装置合成一束复合激光，因此仅需设置一个干涉测量光电探测器即可，每次仅会接收到一束激光，则不用再设置分光装置将一束复合激光分为各单束激光，但各激光通过
合光装置后到达干涉测量光电探测器的路径都相同，本方案降低了激光在分光时的光强度衰减，并且简化了光路，减小系统整体体积。
11.更进一步地，所述合光装置包括合光镜，合光镜具有两个面，分别为反射面和透射面，反射面设置增反膜，透射面设置增透膜。
12.当激光入射至反射面时，大部分激光会被合光镜反射，当激光入射至透射面时，大部分激光会被合光镜透射，降低了激光在分光时对光强度的损耗。
13.更进一步地，所述激光源包括n个激光器，则所述合光装置包括n
‑
1个合光镜，且相邻的两个合光镜之间的夹角为90
°
。
14.更进一步地，所述激光源包括三个激光器，该三个激光器发射的激光分别为第一激光、第二激光、第三激光，三束激光的波长各不相同，且没有公约数；
15.所述光控开关包括三个，分别为第一光控开关，第二光控开关，第三光控开关，所述第一光控开关开启或关断第一激光射向所述合光装置，所述第二光控开关开启或关断第二激光射向所述合光装置，所述第三光控开关开启或关断第三激光射向所述合光装置。
16.在上述方案中，使各波长不相同的激光分别参与干涉测量后，获得各激光干涉测量的小数部分，比如第一激光参与干涉测量后，该第一激光的干涉测量结果是干涉相长条纹数量为3.4个，那么获取其小数部分0.4即可，使用该小数部分通过小数重合理论参与距离计算。小数重合理论可参考王国超《基于飞秒激光光学频率梳的大尺寸绝对测距方法研究》
17.更进一步地，每个所述光控开关使对应的激光不同时射向所述合光装置。
18.在上述方案中，由于每次只有一个光控开关开启，其他光控开关都关闭，因此各激光都不会同时射向合光装置，而是分别参与干涉测量，从而获得各自的干涉测量小数部分，因此不再需要分光装置，无需再将一束激光或一束复合激光分为多束激光，降低激光在分光时对光强度的衰减。虽然多束激光不再合并为一束复合激光参与干涉，但各激光通过合光装置到达干涉测量光电探测器的路径都是相同的。
19.一种分时式多波长激光干涉测距方法，包括以下步骤：
20.步骤s1：依次开启光控开关，使得开启的光控开关所对应的激光器能够向合光装置发射激光，当任一光控开关开启时，其他光控开关关闭，使得任一时刻只有一个激光能够射入合光装置，使得仅有该激光参与干涉测量，从而获得激光干涉测量的小数部分；
21.步骤s2：直到获得所有激光干涉测量的小数部分后，根据各激光干涉测量的小数部分，获得激光测量的绝对距离。
22.更进一步地，包括三个激光器，分别发射第一激光、第二激光、第三激光，则所述步骤s1具体包括以下步骤：
23.首先开启第一光控开关，同时关闭第二光控开关、第三光控开关，使得第一光控开关对应的第一激光器能够向合光装置发射第一激光，从而第一激光参与干涉测量，以获得第一激光干涉测量的小数部分；
24.然后开启第二光控开关，同时关闭第一光控开关、第三光控开关，使得第二光控开关对应的第二激光器能够向合光装置发射第二激光，从而第二激光参与干涉测量，以获得第二激光干涉测量的小数部分；
25.最后开启第三光控开关，同时关闭第一光控开关、第二光控开关，使得第三光控开
关对应的第三激光器能够向合光装置发射第三激光，从而第三激光参与干涉测量，以获得第三激光干涉测量的小数部分。
26.更进一步地，当有三个激光器时，所述合光装置包括两个合光镜，分别为第一合光镜、第二合光镜；所述第一激光、第二激光和第三激光参与干涉测量的步骤，包括：
27.第一激光器通过开启的第一光控开关，将第一激光发射至第二合光镜的反射面，使得第一激光经第二合光镜的反射面反射至分光镜，分光镜将第一激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第一激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第一激光参与干涉测量；
28.第二激光器通过开启的第二光控开关，将第二激光发射至第一合光镜的透射面，经第一合光镜透射后发射至第二合光镜的透射面，使得第二激光经第二合光镜透射后发射至分光镜，分光镜将第二激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第二激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第二激光参与干涉测量；
29.第三激光器通过开启的第三光控开关，将第三激光发射至第一合光镜的反射面，经第一合光镜反射至第二合光镜的透射面，使得第三激光经第二合光镜透射后发射至分光镜，分光镜将第三激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第三激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第三激光参与干涉测量。
30.与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
31.对比专利号为cn106093956a，名称为《一种激光测距系统》的现有技术，本方案通过设置高速控制的光控开关，通过合光装置改变激光器发射的激光光路，使激光入射至分光镜，省去了分光装置，仅使用一个干涉测量光电探测器即可获得激光干涉测量的小数部分，减少了激光的分光的次数，能够有效降低激光最终到达干涉测量光电探测器的光强度衰减，使得干涉测量的激光光强度提高，从而提高测量精度。并且去除分光装置和减少干涉测量光电探测器的数量后，整个测距系统的体积变小，同时简化了光路，因此本实用新型在多波长激光干涉测距的领域起到了显著的进步。
附图说明
32.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍， 应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
33.图1为现有技术测距系统结构示意图；
34.图2为本实用新型测距系统结构示意图。
35.主要元件符号说明
36.第一激光器11，第二激光器12，第三激光器13，第一光控开关21，第二光控开关22，第三光控开关23，合光装置3，第一合光镜31，第二合光镜32，分光镜4，固定平面反射镜5，移动平面反射镜6，干涉测量光电探测器7，分光装置8，第一分光镜81，第二分光镜82，第一光
电探测器71，第二光电探测器72，第三光电探测器73。
具体实施方式
37.下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
38.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
39.实施例1：
40.本实用新型通过下述技术方案实现，如图2所示，包括激光源、固定平面反射镜、分光镜、移动平面反射镜、干涉测量光电探测器、合光装置、光控开关，其中，所述激光源包括至少两个激光器，每个激光器所发射的激光的波长各不相同，且没有公约数。至少两个激光器分别一一对应设置一个光控开关，当任一光控开关开启时，其他光控开关关闭，使得开启的光控开关所对应的激光器能够向合光装置发射激光，而此时其他的光控开关所对应的激光器不能向合光装置发射激光。
41.所述合光装置将接收到的激光反射或透射至分光镜，激光经分光镜反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，然后经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，最终经分光镜透射和反射至干涉测量光电探测器。
42.详细来说，所述合光装置包括合光镜，若激光器的数量为n，则合光镜的数量应为n
‑
1，且每相邻的两个合光镜之间的夹角为90
°
。所述合光镜有两个面，一个面为反射面，另一个面为透射面，反射面设置增反膜，透射面设置增透膜。也就是说，当激光入射至合光镜的反射面时，大部分激光会被合光镜反射；当激光入射至合光镜的透射面时，大部分激光会被合光镜透射。
43.作为举例，本实施有三个激光器，为便于理解，分别定义为第一激光器、第二激光器、第三激光器，那么发射激光分别为第一激光、第二激光、第三激光，这三束激光的波长各不相同，且没有公约数。
44.相应的，光控开关也有三个，分别为第一光控开关、第二光控开关、第三光控开关。所述第一光控开关开启或关断第一激光射向所述合光装置，所述第二光控开关开启或关断第二激光射向所述合光装置，所述第三光控开关开启或关断第三激光射向所述合光装置。
45.当有三个激光器时，所述合光装置应有两个合光镜，分别为第一合光镜、第二合光镜，第一合光镜与第二合光镜之间的夹角为90
°
，且第一合光镜的反射面与第二合光镜的透射面相对应。
46.请参见图2，首先开启第一光控开关，同时关闭第二光控开关、第三光控开关，使得
第一光控开关对应的第一激光器能够向合光装置发射第一激光，当任一光控开关开启时，其他光控开关关闭，使得任一时刻只有一个激光能够射入合光装置；第一激光入射至第二合光镜的反射面，使得第一激光经第二合光镜的反射面反射至分光镜，分光镜将第一激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜；再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第一激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第一激光参与干涉测量，并得到第一激光干涉测量的小数部分。
47.由于所述固定平面反射镜和移动平面反射镜到分光镜上同一点的距离不相等，因此第一激光经分光镜反射至固定平面反射镜，以及经分光镜透射至移动平面反射镜后，第一激光被分为两束激光，且两束激光的相位发生变化，从而最终回到分光镜，从分光镜透射和反射至干涉测量光电探测器时，第一激光也会产生干涉现象。
48.同理，然后开启第二光控开关，同时关闭第一光控开关、第三光控开关，使得第二光控开关对应的第二激光器能够向合光装置发射第二激光；第二激光入射至第一合光镜的透射面，使得第二激光经第一合光镜透射至第二合光镜的透射面，再经第二合光镜透射至分光镜，分光镜将第二激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜；再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第二激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第二激光参与干涉测量，并得到第二激光干涉测量的小数部分。
49.最后开启第三光控开关，同时关闭第一光控开关、第二光控开关，使得第三光控开关对应的第三激光器能够向合光装置发射第三激光；第三激光入射至第一合光镜的发射面，使得第三激光经第一合光镜反射至第二合光镜的透射面，再经第二合光镜透射至分光镜，分光镜将第三激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜；再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第三激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第三激光参与干涉测量，并得到第三激光干涉测量的小数部分。
50.获得第一激光、第二激光、第三激光的干涉测量小数部分后，根据三束激光的波长小数部分，获得激光测量的绝对距离。
51.对比专利号为cn106093956a，名称为《一种激光测距系统》的现有技术，本方案通过设置高速控制的光控开关，通过合光装置改变激光器发射的激光光路，使激光入射至分光镜，省去了分光装置，仅使用一个干涉测量光电探测器即可获得激光干涉的小数部分，减少了激光的分光的次数，能够降低激光最终到达干涉测量光电探测器的衰减，使得激光的光强度提高，从而提高测量精度。并且去除分光装置和减少干涉测量光电探测器的数量后，整个测距系统的体积变小，同时简化了光路，因此本实用新型在多波长激光干涉测距的领域起到了显著的进步。
52.本实用新型还提出一种分时式多波长激光干涉测距方法，包括以下步骤：
53.步骤s1：依次开启光控开关，使得开启的光控开关所对应的激光器能够向合光装置发射激光，当任一光控开关开启时，其他光控开关关闭，使得任一时刻只有一束激光能够射入合光装置，使得仅有该激光参与干涉测量，从而获得激光干涉测量的小数部分。
54.1、包括三个激光器，分别发射第一激光、第二激光、第三激光，则所述步骤s1具体
包括以下步骤：
55.首先开启第一光控开关，同时关闭第二光控开关、第三光控开关，使得第一光控开关对应的第一激光器能够向合光装置发射第一激光，从而第一激光参与干涉测量，以获得第一激光干涉测量的小数部分；
56.然后开启第二光控开关，同时关闭第一光控开关、第三光控开关，使得第二光控开关对应的第二激光器能够向合光装置发射第二激光，从而第二激光参与干涉测量，以获得第二激光干涉测量的小数部分；
57.最后开启第三光控开关，同时关闭第一光控开关、第二光控开关，使得第三光控开关对应的第三激光器能够向合光装置发射第三激光，从而第三激光参与干涉测量，以获得第三激光干涉测量的小数部分。
58.2、当有三个激光器时，所述合光装置包括两个合光镜，分别为第一合光镜、第二合光镜；所述第一激光、第二激光和第三激光参与干涉测量的步骤，包括：
59.第一激光器通过开启的第一光控开关，将第一激光发射至第二合光镜的反射面，使得第一激光经第二合光镜的反射面反射至分光镜，分光镜将第一激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第一激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第一激光参与干涉测量；
60.第二激光器通过开启的第二光控开关，将第二激光发射至第一合光镜的透射面，经第一合光镜透射后发射至第二合光镜的透射面，使得第二激光经第二合光镜透射后入射至分光镜，分光镜将第二激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第二激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第二激光参与干涉测量；
61.第三激光器通过开启的第三光控开关，将第三激光发射至第一合光镜的反射面，经第一合光镜反射至第二合光镜的透射面，使得第三激光经第二合光镜透射后入射至分光镜，分光镜将第三激光反射至固定平面反射镜，以及透射至移动平面反射镜，再经固定平面反射镜和移动平面反射镜反射回分光镜，分光镜将固定平面反射镜和移动平面反射镜反射的第三激光透射和反射至干涉测量光电探测器，从而第三激光参与干涉测量。
62.步骤s2：直到获得所有激光干涉测量的小数部分后，根据各激光干涉测量的小数部分，获得激光测量的绝对距离。
63.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。