本發(fā)明涉及一種激光抖動補償系統(tǒng)，具體地，是一種基于雙對稱半透半反鏡的激光抖動差分補償系統(tǒng)。

背景技術：

在應用領域，激光抖動是影響測量精度的重要因素之一。如在激光三角位移傳感器中，毫弧度的激光抖動會引起毫米級的位移測量誤差。

引起激光抖動的原因主要有以下三種：晶體熱效應引起的光學畸變，溫度引起的機械畸變和機械振動引起的激光器晶體棒和諧振腔鏡相對位置偏離。

由于激光抖動在激光測量領域中非常重要，國內外對此作了大量研究。研究內容包括激光指向性精密測量及改善激光指向性方法。

K.C.Fan提出了一種激光二極管指向控制裝置，該裝置采用四象限探測器采集控制信號，可將激光抖動降低到0.3μm。F.Breitling采用低通濾波和人工神經網絡技術將慢脈沖鈦藍寶石激光器的光束抖動由0.577rad降低至0.247μrad。

Andrei Stalmashonak設計了一種飛秒激光輸出光束指向穩(wěn)定裝置。該裝置由一個反射鏡和一個CCD組成，可將激光抖動油40μrad降低至0.5μrad。

B.Frohlich等介紹了一種雙頻聲光調制控制器，可以將激光光束功率控制為一個常數(shù)，而且可將激光抖動降低1/20。

Ranjeet Singh介紹一種由單色CCD相機和壓力驅動反射鏡構成的魯棒控制裝置。該裝置可通過校正頻率為30Hz的高功率納秒Nd:YAG激光的光束的脈沖誤差達到控制光束指向的目的，實驗表明光束抖動可由±60μrad減小到±5μrad。

然而這些方法有以下三種缺點：系統(tǒng)組成復雜、體積大，不適用于小型測量系統(tǒng)和裝置；補償過程效率低、耗時長，不適用于測量速度要求高的在線實時測量場合需求；需要增加反饋信號，對于某些測量裝置是不必要的或者難于實現(xiàn)。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有激光抖動補償系統(tǒng)存在的問題，本發(fā)明公開一種基于雙對稱半透半反鏡的激光抖動差分補償系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以產生對稱的左右兩束激光光束，因此無論激光光束抖動角度如何變化，雙光束位置的均值保持不變，故可達到激光去抖的目的；本系統(tǒng)由多個小型棱鏡組成，結構緊湊，適用于小型緊湊的裝置中；而且本系統(tǒng)無信號處理電路，故可避免電磁干擾，極大的提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種基于雙對稱半透半反鏡的激光抖動差分補償系統(tǒng)，包括：直角棱鏡、雙對稱半透半反鏡、五角棱鏡、半五角棱鏡和光電探測器，其中：

所述直角棱鏡布置于激光器的正前方；所述雙對稱半反半透鏡和所述五角棱鏡布置于所述直角棱鏡的左側；所述半五角棱鏡布置于所述直角棱鏡的右前方；所述光電探測器布置于整個系統(tǒng)的正前方；所述的直角棱鏡、雙對稱半透半反鏡、五角棱鏡、半五角棱鏡和光電探測器的中心處于同一個高度，以保證所有光束工作于同一個平面之內；

由激光器發(fā)出的準直激光束投向所述直角棱鏡后向左側反射，并投向所述雙對稱半反半透鏡；激光光束經所述雙對稱半透半反鏡后分為兩束光：一束為透射光束，透射光束投向所述五角棱鏡，并經所述五角棱鏡反射后形成左光束后投向所述光電探測器；另一束為反射光束，反射光束投向所述半五角棱鏡，并經所述半五角棱鏡反射后形成右光束后也投向上述光電探測器；當激光器的指向性出現(xiàn)抖動時，激光器發(fā)出的光束出現(xiàn)左右擺動，經過所述系統(tǒng)產生左光束和右光束在所述光電探測器上的位置將會同步產生變化；布置直角棱鏡、雙對稱半透半反鏡、五角棱鏡和半五角棱鏡的位置，實現(xiàn)左光束與右光束的位置變化的大小相等、方向相反，即左光束和右光束的中心位置將保持不變，由此有效補償激光器抖動造成的指向性變化。

優(yōu)選地，所述的直角棱鏡的入射面與激光束方向垂直，直角棱鏡的反射面與激光束成45°，以實現(xiàn)激光束的轉向。

優(yōu)選地，所述的雙對稱半反半透鏡由兩塊尺寸相同、材質相同的玻璃鏡片粘合組成，玻璃鏡片材料采用高透射率材料。

更優(yōu)選地，所述的兩塊玻璃鏡片之間鍍有半反半透膜；當激光束投射到雙對稱半透半反鏡后，首先透過第一塊玻璃鏡片，經過半反半透膜后分束為兩束光，其中一束為透射光束，進入第二塊玻璃鏡片后向左側射出；另一束為反射光束，經過第一塊玻璃鏡片后向右前方射出。

更優(yōu)選地，所述的雙對稱半透半反鏡的入射面與直角棱鏡的出射面之間的夾角必須滿足22.5°，從而保證反射光束的方向與激光器出射激光束的方向成45°。

優(yōu)選地，所述的五角棱鏡的入射面與激光器出射光束方向平行，五角棱鏡的出射面與激光器出射光束方向垂直，從而保證經過兩次折射后出射的左光束與激光器發(fā)出的光束完全平行，并投向光電探測器。

優(yōu)選地，所述的半五角棱鏡的入射面與激光器出射激光束的方向成45°，半五角棱鏡的出射面與激光器出射激光束的方向垂直，從而使得反射光束經過半五角棱鏡的兩次反射后形成與激光器出射光束平行的右光束，并投向光電探測器。

更優(yōu)選地，所述的半五角棱鏡和五角棱鏡的材料一致，即具有相同的折射率。

更優(yōu)選地，所述的半五角棱鏡45度小邊尺寸是五角棱鏡直角邊尺寸的2倍。

優(yōu)選地，所述的直角棱鏡、雙對稱半透半反鏡、五角棱鏡和半五角棱鏡的布局滿足如下條件：

當激光器發(fā)出的激光束產生指向性偏移時，左光束和右光束的位置偏移量大小相等、方向相反。

優(yōu)選地，所述的光電探測器為線性探測器件，用于同時檢測兩個光束的位置。

更優(yōu)選地，所述的光電探測器采用線陣CCD、線陣CMOS。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明提供一種基于雙對稱半透半反鏡的激光抖動差分補償系統(tǒng)，生成對稱的左右兩束激光光束，因此無論激光光束抖動角度如何變化，雙光束位置的中心位置始終保持不變，故可達到激光去抖的目的。所述系統(tǒng)由多種棱鏡以一定位置配合組成，結構緊湊，適用于密閉緊湊的系統(tǒng)中。而且所述系統(tǒng)無信號處理電路，故可避免電磁干擾，極大的提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。與此同時由于所述系統(tǒng)為一個獨立裝置，可移植性高。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實施例的激光抖動差分補償系統(tǒng)示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例的雙光束在光電探測器上的位置變化示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例的雙對稱半透半反鏡示意圖；

圖4為本發(fā)明一實施例的激光抖動差分補償系統(tǒng)的光程展開圖；

圖中：

1為激光器，2為直角棱鏡，3為雙對稱半透半反鏡，4為五角棱鏡，5為半五角棱鏡，6為光電探測器。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，一種基于雙對稱半透半反鏡的激光抖動差分補償系統(tǒng)，所述系統(tǒng)由直角棱鏡2、雙對稱半透半反鏡3、五角棱鏡4、半五角棱鏡5和光電探測器6組成，其中：

直角棱鏡2布置于激光器1的正前方，雙對稱半反半透鏡3和五角棱鏡4布置于直角棱鏡2的左側，半五角棱鏡5布置于直角棱鏡2的右前方，光電探測器6布置于整個系統(tǒng)的正前方；所述直角棱鏡2、雙對稱半透半反鏡3、五角棱鏡4、半五角棱鏡5和光電探測器6的中心處于同一個高度，以保證所有光束工作于同一個平面之內。

所述系統(tǒng)的工作過程與原理如下：

由激光器1發(fā)出的準直激光束投射到直角棱鏡2后向左側反射，并投射到雙對稱半反半透鏡3；激光束經雙對稱半透半反鏡3后分為兩束光：一束為透射光束，并投射向五角棱鏡4，經五角棱鏡4反射后形成左光束投射向光電探測器6；另一束為反射光束，投射向半五角棱鏡5，經半五角棱鏡5反射后形成右光束也投射向光電探測器6；

當激光器1的指向性出現(xiàn)抖動時，激光器1發(fā)出的激光束出現(xiàn)左右擺動，經過所述系統(tǒng)產生左光束和右光束在光電探測器6上的位置將會同步產生變化；布置直角棱鏡、雙對稱半透半反鏡、五角棱鏡和半五角棱鏡的位置，可以實現(xiàn)左光束與右光束的位置變化大小相等、方向相反，即左光束和右光束的中心位置將保持不變，由此有效補償激光器1抖動造成的指向性變化。

如圖2所示，為雙光束在光電探測器上的位置變化示意圖，假設激光束抖動之前，激光束經過所述系統(tǒng)后形成的左光束和右光束成像于光電探測器6上的位置分別是P₁₁和P₂₁；若激光抖動一定角度之后，激光束經過所述系統(tǒng)后形成的左光束和右光束于光電探測器6上成像的位置分別是P₁₂和P₂₂，那么只要直角棱鏡2、雙對稱半透半反鏡3、五角棱鏡4和半五角棱鏡5的位置關系滿足|a+e-c+f|＝K(詳見圖4)，便可使得左光束和右光束的位置變化量大小相等而方向相反，即：

P₁₁-P₁₂＝-(P₂₁-P₂₂)

則有：

(P₁₁+P₂₁)/2＝(P₁₂+P₂₂)/2＝P

即：無論激光束抖動角度如何變化，經所述系統(tǒng)后均可使左光束和右光束的位置中心點P的位置仍然保持不變，從而有效補償激光抖動產生的影響。

所述的直角棱鏡2的入射面與激光束方向垂直，直角棱鏡2的反射面與激光束成45°，以實現(xiàn)激光束的轉向。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的直角棱鏡2可采用常規(guī)直角反射鏡實現(xiàn)。

所述的雙對稱半透半反鏡3由兩塊尺寸相同、材質相同的玻璃鏡片粘合組成，玻璃鏡片材料采用高透射率材料，例如BK7、BK9等。

所述的雙對稱半透半反鏡3的兩塊玻璃鏡片之間鍍有半反半透膜；當激光束投射到雙對稱半透半反鏡3后，首先透過第一塊玻璃鏡片，經過半反半透膜之后分束為兩束光，一束為透射光束進入第二塊玻璃鏡片后向左側射出；另一束為反射光束經過第一塊玻璃鏡片后向右前方射出。

如圖3所示，為本實施例所述的雙對稱半透半反鏡示意圖。當入射激光束經B點折射進入第一塊玻璃鏡片后，到達半反半透膜的O點處；折射光線經半反半透膜后分成透射光束和反射光束，其中：透射光束折射進入第二塊玻璃鏡片并經由A點透射出；與此同時，反射光束折射進入第一塊玻璃鏡片并經由C點射出，O_BA＝O_BC。在圖3中，只要直角棱鏡2、雙對稱半透半反鏡3，五角棱鏡4和半五角棱鏡5的位置關系滿足|a+e-c+f|＝K(詳見圖4)，便可使得左光束抖動位置差與右光束的抖動位置差值相等、方向相反。

所述的半透半反鏡3的入射面與直角棱鏡2的出射面之間的夾角必須滿足，從而保證反射光束的方向與激光器1的出射激光束的方向成45°。

所述的五角棱鏡4的入射面與激光器1出射激光束方向平行、出射面與激光器1出射激光束方向垂直，從而保證經過兩次折射后出射的左光束與激光器1發(fā)出的激光束完全平行，并投向光電探測器6。

所述的半五角棱鏡5的入射面與激光器1出射激光束的方向成45°、出射面與激光器1出射激光束的方向垂直，從而使得反射光束經過半五角棱鏡5的兩次折射后形成與激光器1出射激光束平行的右光束，并投向光電探測器6。

作為優(yōu)選的實施方式，所述的半五角棱鏡5和五角棱鏡4的材料一致，即具有相同的折射率。

所述的直角棱鏡2、半透半反鏡3、五角棱鏡4和半五角棱鏡5的布局需滿足條件：當激光器1發(fā)出的激光束產生指向性偏移時，左光束和右光束的位置偏移量大小相等、方向相反。

圖4為基于半透半反鏡的激光抖動差分補償系統(tǒng)的光程展開圖。其中關鍵點的坐標表述如下：B(a，b)，M(c，d)，N(e，f)。m為半五角棱鏡5的45°角小邊邊長，n為五角棱鏡4的直角邊邊長。h為半五角棱鏡5到光電探測器6的距離，即h＝HI。

為保證左光束和右光束的位置偏移量大小相等、方向相反，需要滿足|F′F|＝|I′I|。

在坐標系(O_Px_py_p)中，定義A點坐標為(x_A，y_A)，A′點坐標為(x_A′，y_A′)，因此，F(xiàn)點坐標(x_F，y_F)可表示為：

x_F＝x_A,

$y_F=f+a+(2+\sqrt{2})n+c-e+h$

當激光抖動角度α時，F(xiàn)′的坐標(x_F′，y_F′)可以表示為：

$x_{F^{\′}}=-(f-x_{A^{\′}}+c-e+h)\·tan\mathrm{\α}-(2+\sqrt{2})n\·tan\mathrm{\β}+x_{A^{\′}},$

$y_{F^{\′}}=f+\mathrm{\α}+(2+\sqrt{2})n+c-e+h$

因此可以求得F′F為：

$F^{\′}F=(f-x_{A^{\′}}+c-e+h)\·tan\mathrm{\α}+(2+\sqrt{2})n\·tan\mathrm{\β}+x_A-x_{A^{\′}}$

在坐標系(O_hx_hy_h)中，在坐標系(O_hx_hy_h)中，由于|Q_hQ|＝|O_pB|,|AB|＝|QC|，那么C點坐標可以表示為(x_A，y_A)。由于|Q_hQ|＝|O_pB|,|A’B’|＝|Q’C’|，C’點坐標可以表示為(x_A′，y_A′)。

因此可推導出I(x_I，y_I)坐標為：

x_I＝x_A,

$y_I=K+\frac{1}{2}(2+\sqrt{2})m+h$

其中，

當激光抖動角度α時，I′的坐標(x_I′，y_I′)可以表示為：

$x_{I^{\′}}=-(f-x_{A^{\′}}+c-e+h)\·tan\mathrm{\α}-(2+\sqrt{2})n\·tan\mathrm{\β}+x_{A^{\′}},$

$y_{I^{\′}}=f+a+(2+\sqrt{2})n+c-e+h$

因此I′I可以寫作：

$I^{\′}I=(K-y_{A^{\′}}+h)\·tan\mathrm{\α}+\frac{(2+\sqrt{2})\·m}{2}\·tan\mathrm{\β}+x_A-x_{A^{\′}}$

當n＝2m，|F′F|＝|I′I|時，可以得到位置參數(shù)定義函數(shù)：

|a+e-c+f|＝K (1)

a，b，c，d，e，f，m和n之間的約束關系為：

$c\>e,d\>f,e-a\<a,e\>a,c-\sqrt{2}m\<a---\left(2\right)$

a，b，c，d，e，f，m和n關系滿足公式(1)和(2)，便可使得激光抖動時，左光束和右光束的抖動誤差數(shù)值相等，方向相反，即左光束和右光束位置均值保持恒定值。

所述的光電探測器6為線性探測器件，可以同時檢測左右兩個光束的位置。例如采用線陣CCD、線陣CMOS或其他器件。

本發(fā)明上述系統(tǒng)，可激光去抖，結構緊湊、無電磁干擾、可移植性高，適用于各種激光測量場合。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質內容。