本發(fā)明涉及光學測量領域，具體涉及一種基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置及校準方法。

背景技術：

激光具有亮度高、方向性好、單色性好、相干性好等優(yōu)點，因而被廣泛的應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、精密測量和探測、通訊和信息處理、醫(yī)療、軍事等各個領域。人們利用激光可以對材料進行加工，在疾病治療中進行精細化的處理等。

隨著社會科學和經(jīng)濟的發(fā)展，對于激光器性能的要求也越來越高，如果可以精細化的對激光進行操作，則可以在實際應用中更加有針對性的對目標進行操作。目前，激光的方向可以通過改變發(fā)射方向的角度來調(diào)整，然而這種調(diào)整方式大多依賴于激光器自身的硬件及其精密程度，對于激光方向的操作也局限于通過激光器自身調(diào)整后改變光束的發(fā)射角度，沒有專門針對光束實際的發(fā)射角度進行校準，并反作用于激光器自身的校準，因此校準精度低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種能夠針對激光器發(fā)射光束的角度測量來對激光器進行校準，減小了裝置體積，提高了校準裝置的穩(wěn)定性，從而提高了激光器發(fā)射角度的精確性的基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置及校準方法。

本發(fā)明提供了一種基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置，包括在激光光路方向上依次設置的激光器、光闌和校準儀，還包括恒溫箱，光闌和校準儀設置于恒溫箱內(nèi)：

校準儀的第一、二、三、四側板圍成具有中空腔的矩形結構，其中第一、三側板相對且設置于與激光光路垂直的方向上，第二、四側板相對且設置于與激光光路平行的方向上；第一側板中心位置具有孔徑為A的開口，相對設置的第三側板的內(nèi)側設置有孔徑大于開口孔徑的凸面鏡，凸面鏡的曲面半徑為定值；

光闌具有孔徑B，激光器發(fā)射的激光光束的偏轉角滿足一定的角度范圍，使得在角度范圍內(nèi)激光光束能夠通過光闌(即使激光光束具有一定的偏轉角度也可通過)；

第一、第二、第四側板的內(nèi)側都設置有標尺和所述對應的計時感應器，計時感應器具有計時單元和啟動單元，當感應到激光光束時將時間信息發(fā)送至控制器；

在第一、第二、第四側板的內(nèi)側的對應計時感應器上設置液體層，其中液體層的折射率n₁大于空氣的折射率n₀；

控制器收到電信號后確定出此時激光器發(fā)射的激光光束的偏轉角并實時顯示；

恒溫箱內(nèi)設置有溫度控制系統(tǒng)，其中溫度控制系統(tǒng)包括溫度傳感單元和制冷單元。

其中，激光器為氣體、液體、固體或半導體激光器。

其中，第一、第二、第四側板的外側設置有與標尺刻度對應的指示器。

其中，所述液體層內(nèi)的溶液能夠更換。

其中，溫度傳感單元利用不平衡電橋電路方式實現(xiàn)。

其中，溫度傳感單元的溫度傳感器為Pt100或Pt1000。

其中，制冷單元為半導體制冷器。

其中，控制器收到時間信息后利用到達時間的方式確定出凸面鏡到第一側板的光束路徑時間和第一側板到第二或第四側板的路徑時間。

其中，控制器收到時間信息后利用到達時間的方式確定出凸面鏡到第一側板的光束路徑時間和第一側板到第二或第四側板的路徑時間。

本發(fā)明還提供了一種利用基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置的校準方法，依次包括如下步驟：

(1)打開溫度控制系統(tǒng)，預熱20分鐘，使得溫控箱內(nèi)的溫度保持在25℃；

(2)控制激光器發(fā)射沒有角度偏轉的平行激光光束，使得激光光束通過光闌后照射至凸面鏡的中心，如果凸面鏡處啟動感應器沒有感應到激光光束，不發(fā)出啟動命令，進入步驟(3)；

(3)通過激光器的角度調(diào)整裝置使得發(fā)射的激光光束具有第一角度，使得激光光束通過光闌后照射至凸面鏡；

(4)凸面鏡處的啟動感應器感應到激光光束，發(fā)送啟動命令至至第一側板處的計時感應器開始計時，同時激光光束經(jīng)凸面鏡發(fā)射后，以第一測量角發(fā)射，經(jīng)過第一液體層后至第一側板，第一側板上的第一計時感應器感應到激光光束的第一感應位置時，發(fā)送此時間至控制器，同時發(fā)送啟動命令至第二或第三側板處的第二或第三計時感應器開始計時，并且對應刻度的指示器發(fā)光；

(5)激光光束經(jīng)第一側板發(fā)射后，經(jīng)過第一液體層后以第二測量角發(fā)射，經(jīng)過第二或第四液體層后至第二或第四側板，第二或四側板上的第二或第四計時感應器感應到激光光束的第二或第三感應位置時，發(fā)送此時間至控制器，并且對應刻度的指示器發(fā)光；

(6)控制器利用到達時間的方式確定出凸面鏡到第一側板的光束路徑時間和第一側板到第二或第四側板的路徑時間，將第一路徑時間對應的偏轉角和第二或第三路徑對應的偏轉角進行比較，如果偏轉角相同，則將此偏轉角作為校準角，如果不同則重復步驟(2)-(5)；

(7)利用校準角對角度調(diào)整裝置進行校準，使得調(diào)整后的角度調(diào)整裝置的調(diào)整參數(shù)與第一角度對應；

(8)控制溫度控制系統(tǒng)進行加熱10分鐘，使得溫控箱內(nèi)的溫度保持在32℃；通過激光器的角度調(diào)整裝置使得發(fā)射的激光光束具有第二角度，重復步驟(2)-(6)，利用在32℃下，第二角度對應的校準角對角度調(diào)整裝置進行校準，使得調(diào)整后的角度調(diào)整裝置的調(diào)整參數(shù)與第二角度對應，校準完畢。

本發(fā)明的基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置及校準方法，可以實現(xiàn)針對激光器發(fā)射光束的角度測量來對激光器進行校準，從而提高激光器發(fā)射角度的精確性，并且直觀的指示出對應的校準的對應角度，和激光器設置的偏轉角直觀對比，更加便捷；通過液體層的設置減小了裝置體積，并且更換的方式提高了靈活性，使得校準更豐富，節(jié)約了空間；溫控系統(tǒng)的設置使得裝置性能更加穩(wěn)定，校準更準確。

附圖說明

圖1為基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置結構示意圖

圖2為基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置原理示意圖

具體實施方式

下面詳細說明本發(fā)明的具體實施，有必要在此指出的是，以下實施只是用于本發(fā)明的進一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域技術熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明做出的一些非本質的改進和調(diào)整，仍然屬于本發(fā)明的保護范圍。

本發(fā)明提供了一種激光器基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置及其方法，如圖1所示，激光器基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置包括在激光光路方向上依次設置的激光器1、光闌和校準儀2，以及恒溫箱7，光闌和校準儀2設置于恒溫箱內(nèi)，其中校準儀2的結構如圖1所示，校準儀的第一、二、三、四側板圍成具有中空腔的矩形結構，其中第一、三側板相對且設置于與激光光路垂直的方向上，第二、四側板相對且設置于與激光光路平行的方向上；第一側板中心位置具有一孔徑為A的開口，相對設置的第三側板的內(nèi)側設置有孔徑大于開口孔徑的凸面鏡3，激光器發(fā)射的激光光束經(jīng)光闌后通過開口，然后照射于凸面鏡3上，凸面鏡3將光束反射后照射于第一側板上，經(jīng)第一側板反射后再照射于第二或第四側板上；光闌具有孔徑B，其設置可以將濾除背景雜光的同時，保證激光器發(fā)射的激光束能夠通過(即使激光光束具有一定的偏轉角度)，并且激光器發(fā)射的激光光束的偏轉角滿足一定的角度范圍，經(jīng)過光闌后的激光光束如果沒有偏轉角度，并且直接照射至凸面鏡3的中心位置，則激光光束按照原路徑返回，在校準的過程中，通過激光器自身的發(fā)射光束角度校正裝置來調(diào)整激光器的激光發(fā)射角度，從而改變激光器的激光光束的發(fā)射角度，激光光束通過光闌后照射到凸面鏡3上，經(jīng)反射后就會改變光束路徑后照射到第一側板上。

校準儀2的結構是固定設計的，凸面鏡3的曲面半徑也是設計后的定值，因此以一定角度照射到凸面鏡3的激光光束會以固定的角度反射，因為校準儀2的結構固定，所以在中空腔內(nèi)凸面鏡3到第一側板和第一側板到第二或第四側板的路徑也是固定的，路徑的長度也是固定的，并且第一側板和第二或第四側板的反射點也是固定的，因此通過光學設計，將校準儀事先進行定標，利用定標后的結構和光路角度和長度關系就可以得到激光器的光束的偏轉角，從而通過偏轉角的計算值，來校準激光器自身的角度調(diào)整裝置，從而實現(xiàn)激光器的校準。

如圖1所示，在具體的實現(xiàn)時，通常的做法是直接感應光束的感光位置，從而通過已經(jīng)進行了標定的感光位置和偏轉角的對應關系，直接得到校正的偏轉角度，然而這種方式也存在其自身的缺點，例如當光束光斑比較大時，對于感光位置的準確位置存在難度，因此本發(fā)明基于到達時間的方式，直接測量光束的路徑到達時間，從而準確的得到路徑距離，通過固定的標定距離和實測的路徑距離進行比較，從而得到對應的校正的偏轉角度。

因此，第一、第二、第四側板的內(nèi)側都設置有標尺和對應的計時感應器，計時感應器具有計時單元和啟動單元，在凸面鏡的位置設置有啟動器，用于當光束照射到凸面鏡的鏡面時，啟動第一側板處的計時感應器，當?shù)谝粋劝逄幍挠嫊r感應器感應到光束照射到第一側板面時，啟動第二或第四側板處的計時感應器；當?shù)谝?、第二、第四側板的計時感應器感應到激光光束時將此時間發(fā)送至控制器(圖中未示出)，控制器收到時間信息后利用到達時間的方式確定出凸面鏡到第一側板的光束路徑時間和第一側板到第二或第四側板的路徑時間，從而通過不同的路徑時間得到對應的校準的偏轉角度，控制器端還將偏轉角度實時顯示，此外第一、第二、第四側板的外側設置有與標尺刻度對應的指示器，在校準的過程中，計時感應器感應到激光光束的同時，對應標尺刻度的指示器發(fā)光，從而可以直觀的讀出相對應的偏轉角，從而與激光器調(diào)整裝置的調(diào)整參數(shù)進行比較，通過校準調(diào)整裝置來實現(xiàn)激光器的校準。

結合圖2所示，凸面鏡的設置使得入射角經(jīng)反射后具有更大的角度出射，這樣在第一側板的接收時，就需要第一側板足夠長，但是過長得側板長度會增加體積，并且會降低測量的效率，因此在第一、第二、第四側板的內(nèi)側的對應計時感應器上設置液體層，液體層的層壁為厚度極小的透明玻璃，因為厚度極小，所以其對光路的影響忽略不計，根據(jù)Snell原則：n₀sinθ₀＝n₁sinθ₁，其中n₀和n₁分別為空氣和液體層內(nèi)液體的折射率，θ₀和θ₁分別為入射角和出射角，那么如果液體層內(nèi)液體的折射率n₁大于n₀，則出射角的角度會變小，相應的如果在同樣的入射角范圍內(nèi)，對應的計時感應器的設置長度可以減小，那么相應的側板的長度就可以設置減小。

此外，如果只是設置具有折射率大于空氣折射率的液體層，則會受到介質材料和屬性的約束，例如只能是固定折射率的某一種介質，然而由于液體可以是具有溶質的溶液，那么可以通過添加不同的類型和不同的量的溶質來改變?nèi)芤旱男再|，從而配置需要的折射率，優(yōu)化光路。溫度的變化波動會影響液體的折射率，液體的射射率具有相對高的導熱系數(shù)dn/dt，例如水的導熱系數(shù)為8×10^-4℃，即溫度每變化1℃，折射率改變0.0008，因此需要設置相應的溫控系統(tǒng)來保證穩(wěn)定的溫度環(huán)境，其中溫控系統(tǒng)中的溫度傳感單元利用不平衡電橋電路方式實現(xiàn)，溫度傳感器選擇Pt100或Pt1000，制冷單元為半導體制冷器，利用這種方式的溫控系統(tǒng)可以保證溫度保持誤差在±0.1℃。

因此，將液體層的折射率n₁大于空氣的折射率n₀，并且可以結合在不同的溫度下對應的不同的感應位置所對應的校準角做對比，這樣的設置方式減小了側板的設置長度，從而可以減小校準儀2的體積，減小了整個校準裝置的體積。

本發(fā)明還提供了一種利用基于到達時間的恒溫環(huán)境的角度校準裝置的角度校準方法，依次包括如下步驟：

(1)打開溫度控制系統(tǒng)，預熱20分鐘，使得溫控箱內(nèi)的溫度保持在25℃；

(2)控制激光器發(fā)射沒有角度偏轉的平行激光光束，使得激光光束通過光闌后照射至凸面鏡的中心，如果凸面鏡處啟動感應器沒有感應到激光光束，不發(fā)出啟動命令，進入步驟(3)；

(3)通過激光器的角度調(diào)整裝置使得發(fā)射的激光光束具有第一角度，使得激光光束通過光闌后照射至凸面鏡；

(4)凸面鏡處的啟動感應器感應到激光光束，發(fā)送啟動命令至至第一側板處的計時感應器開始計時，同時激光光束經(jīng)凸面鏡發(fā)射后，以第一測量角發(fā)射，經(jīng)過第一液體層后至第一側板，第一側板上的第一計時感應器感應到激光光束的第一感應位置時，發(fā)送此時間至控制器，同時發(fā)送啟動命令至第二或第三側板處的第二或第三計時感應器開始計時，并且對應刻度的指示器發(fā)光；

(5)激光光束經(jīng)第一側板發(fā)射后，經(jīng)過第一液體層后以第二測量角發(fā)射，經(jīng)過第二或第四液體層后至第二或第四側板，第二或四側板上的第二或第四計時感應器感應到激光光束的第二或第三感應位置時，發(fā)送此時間至控制器，并且對應刻度的指示器發(fā)光；

(6)控制器利用到達時間的方式確定出凸面鏡到第一側板的光束路徑時間和第一側板到第二或第四側板的路徑時間，將第一路徑時間對應的偏轉角和第二或第三路徑對應的偏轉角進行比較，如果偏轉角相同，則將此偏轉角作為校準角，如果不同則重復步驟(2)-(5)；

(7)利用校準角對角度調(diào)整裝置進行校準，使得調(diào)整后的角度調(diào)整裝置的調(diào)整參數(shù)與第一角度對應；

(8)控制溫度控制系統(tǒng)進行加熱10分鐘，使得溫控箱內(nèi)的溫度保持在32℃；通過激光器的角度調(diào)整裝置使得發(fā)射的激光光束具有第二角度，重復步驟(2)-(6)，利用在32℃下，第二角度對應的校準角對角度調(diào)整裝置進行校準，使得調(diào)整后的角度調(diào)整裝置的調(diào)整參數(shù)與第二角度對應，校準完畢。

此外需要說明的是，本發(fā)明中的設計參數(shù)和結構特征可以通過直接或間接設置、測量的方式獲取，本發(fā)明是在合理的預期下完成，任何不適用的參數(shù)、公式、方案都應排除。

盡管為了說明的目的，已描述了本發(fā)明的示例性實施方式，但是本領域的技術人員將理解，不脫離所附權利要求中公開的發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以在形式和細節(jié)上進行各種修改、添加和替換等的改變，而所有這些改變都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍，并且本發(fā)明要求保護的產(chǎn)品各個部門和方法中的各個步驟，可以以任意組合的形式組合在一起。因此，對本發(fā)明中所公開的實施方式的描述并非為了限制本發(fā)明的范圍，而是用于描述本發(fā)明。相應地，本發(fā)明的范圍不受以上實施方式的限制，而是由權利要求或其等同物進行限定。