一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法
【专利摘要】本发明涉及光束传输领域，涉及一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法，包括步骤：S1，分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜水平、等高设置，在激光方向无偏状态下，激光光束与分束镜面成45°，且激光经过两个分束镜的反射后分别垂直射入两个光敏传感器PSD屏幕的中心位置；S2：测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个分束镜的间距；S3：使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜；S4：读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值；S5：计算得出激光光束偏转角θ的正切值，求得到光束偏转角θ。本发明得到的光束偏转角转化为可直接用于系统控制的参量，测量方法简便，精度较高。
【专利说明】
-种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法
技术领域
[0001] 本发明属于光束传输领域，尤其设及一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方 法。
【背景技术】
[0002] 激光光束具有光束方向性好的重要特点，常应用于高能激光器、激光通讯等高精 度光学系统中。但是，由于溫度变化、平台振动、激光器指向漂移等原因，激光光束方向容易 发生改变，如光束抖动、光束漂移，导致较大指向误差的产生。激光光束的方向是否发生偏 转，指向精度是否达到要求，运需要依靠精确的测量做出决定。因此，需要研究一种测量精 度高、简单可靠的光束偏转测量方法。
[0003] 目前广泛应用的光敏传感器(PhotoelechicSensitive Detector，W下简称PSD) 的敏感屏幕大多是一个二维面，使用运类PSD必须解决两个问题：（1)如何将面内测得的光 斑偏差量转化为系统的控制参量，即光束偏转角；（2)如何在空间定位PSD的光敏面位置。现 有方法大多先连续采集大量图像，并计算相应光斑中屯、坐标的平均值和标准偏差，然后根 据标准偏差计算激光光束的抖动或漂移角偏差，数据庞大、计算有延迟，且没有考虑PSD光 敏面的定位问题。
【发明内容】
[0004] 为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方 法。具体技术方案包括W下步骤：
[0005] S1:分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜 水平、等高设置，在激光方向无偏状态下，激光光束与分束镜面成45°，且满足激光经过两个 分束镜的反射后分别垂直射入两个光敏传感器PSD屏幕的中屯、位置；
[0006] S2:测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个 分束镜在无偏激光光束线路上的间距；
[0007] S3:使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜；
[000引 S4:读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值；
[0009] S5:根据下式计算得出激光光束偏转角Θ的正切值，
[0010]
[00川其中对、71分别为激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，X2、y2分别为激光光斑在 第二个PSD屏幕上的坐标值，hi、h2分别为无偏光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的 距离，L为两个分束镜在激光光束线路上之间的间距;根据正切值tan0，求解得到光束偏转 角9，即为测量得到的光束偏差量。
[0012]进一步地，所述步骤S5中获得的光束偏转角Θ记为某一时刻0的光束偏转角θ〇,并 记e〇在水平面内和竖直面内的分量表示为α〇，β〇，良I
[0013] 记任意时刻k的光束偏转角0k为名义光束偏转角，将0k转为与时刻0的光束偏转角 9〇关系为
'其中ak，0k为0k水平面内和竖直面内的分 量，xi,o，yi,o表示时刻0时激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，xi,k，yi,k表示时刻k时激光 光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，进一步，得到
，进而得到名义 光束偏转角。实际操作中可将名义光束偏转角直接用作控制系统的参量。
[0014] 采用本发明的有益效果:利用现有应用最普遍的光敏传感器PSD和分束镜，根据本 发明方法能够对光束偏转角进行测量，并提供了一种光束指向控制实际操作中可直接用作 控制参量的名义光束偏转角的测量计算方法，并给出了实验操作中如何安装PSD和分束镜 的位置，W降低测量误差。本发明计算得到的光束偏转角转化为可直接用于系统控制的参 量，即名义光束偏转角，测量方法简便，精度较高。
【附图说明】
[0015] 图1是本发明方法流程图；
[0016] 图2是本发明中相关仪器安装布局示意图；
[0017] 图3是光束偏转角Θ的空间分解图；
[0018] 图4是理想条件下光束偏转角计算几何关系图；
[0019] 图5是PSD安装有误差时读数光束偏转角计算几何关系图；
[0020] 图6是分束镜安装有误差时读数光束偏转角计算几何关系图；
[0021] 图7是10化激励情况下主动光学调整架控制效果曲线及其总位移局部放大图。
[0022] 图8是50化激励情况下主动光学调整架控制效果曲线及其总位移局部放大图。
[0023] 图9是150Hz激励情况下主动光学调整架控制效果曲线及其总位移局部放大图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0025] W主动光学调整架光束指向控制实验为依托，具体描述基于双光敏传感器的光束 偏差测量方法，下面结合【附图说明】【具体实施方式】。实施例中，设置一个激光发射器，无偏状 态下激光发射器平行于地面放置，即发出的激光方向平行于地面，坐标原点0为激光发生器 的激光发射出口，坐标轴Y平行于地面且指向激光发射方向，坐标轴Z垂直地面且正向为竖 直向上，坐标轴X与坐标轴Y、Z成右手系。
[0026] 如图1所示，本发明方法流程图，具体步骤如下。
[0027] S1:分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜 水平、等高设置;如图2所示，实施例中两个分束镜(分束镜1与分束镜2)与无偏状态激光方 向成45°角并垂直地面放置，两个分束镜之间彼此平行，两个PSD(PSD1与PSD2)的光学敏感 屏幕均垂直地面放置且平行于激光方向，光学敏感屏幕平均分为四个象限，其中屏幕的几 何中屯、为坐标原点，水平向右为X轴正向，竖直向上为y轴正向，激光方向无偏状态下激光发 射器发出的激光依次经过两个分束镜的反射后分别垂直射入两个PSD光学敏感屏幕的中 屯、，在本主动光学调整架光束指向控制实验中，PSD采用的是THORLABS的PDP90A，为2D横向 效应位置传感器，光敏屏幕尺寸为9mm X 9mm，敏感波长范围为320nm到1 lOOnm，位置分辨率 为错误!未找到引用源。。
[0028] S2:测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个 分束镜在激光光束线路上之间的间距;如图4所示，hi = 0.7m、h2 = 0.7m分别为无偏光束与两 个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，L = 0.7m为两个分束镜之间的间距，J=10m为光 束偏转点距离第一个分束镜的距离，运里的光束偏转点为被控光学调整架上普通光学镜面 的激光反射点。
[0029] S3:使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜；
[0030] S4:读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值;依据激光光斑在两个PSD屏幕上水平 方向和竖直方向的偏移量，即在两个PSD屏幕的坐标值，
[0031 ] S5:计算得出激光光束偏转角Θ的正切值，如图3所示，光束偏转角Θ在水平面内的 分量α和竖直面内的分量β;根据图4中所示关系，在Ξ角形ABC内由Ξ角关系计算获得，则激 光光束在X0Y平面上的投影与Y轴正向夹角α表示为，
[0032]
[0033] 根据图中关系也可由下式进行求解
[0034]
[0035] 同理，激光光束在Υ0Ζ平面上的投影与Υ轴正向夹角β可W表示为，
[0036]
[0037] 同样也可由下式进行求佑
[0038] 光束偏转角目的正切值为，
[0039]
[0040] W上角度值均W逆时针为正。
[0041] 在实际操作中，手动测量距离参数过程可能出现的较大误差可通过引入名义光束 偏转角9k进行修正，通常是通过计算某一时刻0的光束偏转角在水平面内和竖直面内的分 量为α〇，β〇:
[0045] 之后任意时刻k的光束偏转角在水平面内和竖直面内的分量表示为，
[0046]
[0047]贝化时刻的光束偏转角，因其基于某一初始时刻0的测量值得到的一个相对的值， 也即最终得到的名义光束偏转角为，
[004引
[0049] 此时测量得到的名义光束偏转角0k可能会由于hi, J的测量存在偏差而与真实光束 偏转角4存在偏差，但是二者之间的比例总是恒定的，即：
[0050] Θ扣二 const 是
[0051] 式中，const为一个常数，故利用名义光束偏转角不影响控制的精度，名义光束偏 转角可作为最终的控制参数。
[0052] 在实际安装PSD和分束镜的过程中，安装误差会直接影响到偏转角的测量精度，具 体原理为：
[0053] 如图5所示，为减小PSD安装误差带来的影响，优化PSD的安装位置、安装角度，在 PSD光敏屏幕有倾斜的情况下，不同时刻的光束偏转角正切值与PSD读数不再为简单的比例 关系，而是与各光学原件摆放位置参数有关，如下公式所示，
[0化4]
[0化5]
[0056 ] 式中，脚标i , j分别表不i时刻和j时刻P SD测量参数，X1, i，y 1, i表不时刻i时激光光 斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，X2,i，y2,i表示时刻i时激光光斑在第二个PSD屏幕上的坐标 值，δι，δ2分别为第一个PSD和第二个PSD的光学敏感屏幕安装误差角，W逆时针方向为正，故 增大距离hi和J，减小安装误差角δι，δ2,有利于减小误差，即尽可能增大光束偏转点与PSD之 间的光程并使得光束尽可能的垂直入射PSD屏幕，有利于提高测量精度。
[0057]如图6所示，为减小分束镜安装误差带来的影响，优化分束镜的安装位置、安装角 度，当分束镜的安装存在误差时，由于反射光束与PSD屏幕夹角发生变化，不同时刻的光束 偏转角正切值与PSD读数不再为简单的比例关系，而是与各光学原件摆放位置参数有关，如 下公式所示，
[0060] 式中，脚标i,j分别为i时刻和j时刻PSD测量参数，丫 1, 丫2分别为第一个分束镜和 第二个分束镜的安装误差角，W逆时针方向为正，故增大距离hi和J，减小安装误差角丫，有 利于减小误差，即尽可能增大光束偏转点与PSD之间的光程并使得光束尽可能的垂直入射 PSD屏幕，有利于提高测量精度。
[0061 ]对被控光学调整架在幅值相同的简谐激励10化，50Hz，150ΗζΞ个频点上的控制效 果曲线及其总位移局部放大图分别如图7至图9所示。由图可观察到，该系统在不同工况下 控制实验的稳态幅值均不超过化rad,所W通过本发明计算得到的名义光束偏转角去作为 系统的控制输入的动态角度控制，维持测量角度在真值附近一定的精度内波动，说明光束 指向的控制精度能够达到微弧度量级，验证了基于双光敏传感器的光束偏差测量方法的有 效性和测量结果的高精度。
【主权项】
1. 一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法，其特征在于，包括以下步骤： S1:分别将两个分束镜、两个光敏传感器PSD设置在测量位置上，所述两个分束镜水平、 等高设置，在激光方向无偏状态下，激光光束与分束镜面成45°，且满足激光经过两个分束 镜的反射后分别垂直射入两个光敏传感器PSD屏幕的中心位置； S2:测量无偏激光光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距离，并测量两个分束 镜在无偏激光光束线路上的间距； S3:使待测激光光束沿水平方向射向两个分束镜； S4:读取两个PSD屏幕上的激光光斑坐标值； S5:根据下式计算得出激光光束偏转角Θ的正切值，其中XI、yi分别为激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，X2、y2分别为激光光斑在第二 个PSD屏幕上的坐标值，分别为无偏光束与两个分束镜的交点距离两个PSD屏幕的距 离，L为两个分束镜在激光光束线路上的间距;根据正切值tan0，求解得到光束偏转角Θ，即 为测量得到的光束偏差量。2. 如权利要求1所述的一种基于双光敏传感器的光束偏差测量方法，其特征在于:所述 步骤S5中获得的光束偏转角Θ记为某一时刻〇的光束偏转角θ〇,并记θ〇在水平面内和竖直面 内的分量表不SaQ，0〇，记任意时刻k的光束偏转角0k为名义光束偏转角，将0k转为与时刻〇的光束偏转角θ〇关 系为：，其中ak，0k为平面内和竖直面内的分量， 11,〇，丫1,()表不时刻〇时激光光斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，XI, k，yi,k表不时刻k时激光光 斑在第一个PSD屏幕上的坐标值，进一步，，进而得到名义光 束偏转角。
【文档编号】G01B11/26GK105823441SQ201610227175
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】冯世鹏, 李东旭, 周易, 刘望, 罗青, 蒋建平
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学