專利名稱:一種探測(cè)入射激光方向的方法及信號(hào)探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種探測(cè)入射激光方向的方法,以及該方法所用的信號(hào)探測(cè)裝置。
背景技術(shù):
現(xiàn)有探測(cè)入射激光方向的技術(shù)(如美國(guó)專利US5604695)利用通光模板+陣列傳感器的方法(如圖1、圖2所示),以一維的方向激光傳輸方向?yàn)槔瑘D中當(dāng)激光10入射后,當(dāng)入射角度θi變化時(shí),落在組器件陣列8和7上的能量比例就會(huì)發(fā)生變化,如當(dāng)θi=0時(shí),組器件陣列8和7上的能量相等,當(dāng)θi沿圖中順時(shí)針?lè)较蛟龃髸r(shí),組器件陣列7更多部分被陰影擋住,而組器件陣列8受到光照的面積增加,在光束能量分布均勻的情況下,兩者的能量比例和絕對(duì)光強(qiáng)度無(wú)關(guān),只和激光入射方向相關(guān)。
推廣到二維的入射角度測(cè)量,可以用圖3示意的形式。圖3中的A+C的信號(hào)和B+D的信號(hào)之比可以用作Y方向的入射角度測(cè)量,A+B和C+D的信號(hào)比可以用作X方向的入射角度判斷。
但在實(shí)際應(yīng)用中,上述的方案有兩個(gè)較大問(wèn)題1、此方法的應(yīng)用前提是入射光束的分布均勻,但是如果激光進(jìn)行遠(yuǎn)距離的傳輸后,由于大氣的影響,會(huì)造成局部的明暗的快速變化,導(dǎo)致到達(dá)傳感器表面的光強(qiáng)即使在θi=0的條件下,不同光敏單元上的能量是不同的,即造成角度測(cè)量誤差。
2、此方法的探測(cè)的激光的入射角收到限制,如圖2所示,如果θi過(guò)大,使得tg(θi)>W2/h;]]>此時(shí)原有的能量比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系被破壞。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題,本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種新的入射激光方向的探測(cè)方法,該方法采用透鏡成像的方式,解決了上述的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供上述的方法中專用的信號(hào)探測(cè)裝置。
為了實(shí)現(xiàn)第一個(gè)目的,本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案一種探測(cè)入射激光方向的方法,其由通過(guò)成像透鏡匯聚入射激光,并通過(guò)半透半反鏡(O1、O2)反射,沿z方向和x方向分別匯聚在可變密度濾光片(F1、F2)上,光線透過(guò)可變密度濾光片(F1、F2)后,落在探測(cè)器(P1、P2)上,分別測(cè)定對(duì)應(yīng)的2個(gè)信號(hào)輸出S1和S2;再測(cè)定透過(guò)半透半反鏡(O2)后的入射光線在探測(cè)器(P3)上的引起的信號(hào)輸出S3;然后通過(guò)以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值,而T(X)和T(Z)的值和位置坐標(biāo)X、Z是線性關(guān)系,可以得到X、Z坐標(biāo)的取值,并計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的空間入射角度S1=S·R1·T(Z)·M1S2=S·T1·R2·T(X)·M2S3=S·T1·T2·M3E13=S1/S3=S·R1·T(Z)·M1S·T1·T2·M3=R1·T(Z)·M1T1·T2·M3]]>E23=S2/S3=S·T1·R2·T(X)·M2S·T1·T2·M3=T1·R2·T(X)·M2T1·T2·M3]]>T(Z)=E13·T1·T2·M3R1·M1]]>T(X)=E13·T1·T2·M3T1·R2·M2]]>其中半透半反鏡(O1)的透過(guò)率為T(mén)1,反射率為R1;半透半反鏡(O2)的透過(guò)率為T(mén)2,反射率為R2;入射信號(hào)的大小為S,三個(gè)探測(cè)器(P1、P2、P3)的靈敏度分別為M1、M2和M3;可變密度濾光片(F1、F2)的透過(guò)率為透過(guò)位置的函數(shù),沿x和z方向的濾光片的透過(guò)率分別為x和z方向上位置的函數(shù)T(X)和T(Z);E13和E23表征了輸出信號(hào)S1、S2分別和輸出信號(hào)S3相比的結(jié)果。
上述的方法中E13和E23數(shù)值的大小和輸入信號(hào)S的大小無(wú)關(guān),而由T(X)和T(Y)決定,T(X)和T(Y)取決于光線匯聚點(diǎn)落在可變密度濾光片上的位置,在可變密度濾光片和鏡頭的相對(duì)位置固定的情況下,光線匯聚點(diǎn)的位置是由入射角度決定,由此可以實(shí)現(xiàn)入射激光的角度判斷。上述的x方向和z方向可以任意選擇,不限于垂直的狀態(tài)。
為了實(shí)現(xiàn)上述的第二個(gè)目的,本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,包括至少2片依入射光線方向依次設(shè)置的半透半反鏡(O1、O2)和至少1片用于匯聚入射激光的成像透鏡(L1),2片半透半反鏡(O1、O2)分別將入射光反射;在沿z方向和沿x方向分別設(shè)有透過(guò)率分別沿z方向和沿x方向變化的可變密度濾光片(F1、F2),可變密度濾光片(F1、F2)后部設(shè)有探測(cè)器(P1、P2),并在半透半反鏡(O2)的透射光方向上設(shè)有探測(cè)器(P3)。
上述的成像透鏡(L1)設(shè)置在入射光的方向,使入射光線進(jìn)入半透半反鏡前即開(kāi)始匯聚,但是這種方案由于成像位置到成像透鏡的距離短,因此不利于后續(xù)半透半反鏡的布局。
作為優(yōu)選,上述的成像透鏡(L1)設(shè)置在半透半反鏡(O1)的透射光方向上,并在半透半反鏡(O1)的反射光方向上設(shè)有成像透鏡(L2)。作為另優(yōu)選,在探測(cè)器(P1、P2、P3)的入射光方向分別設(shè)有成像透鏡(L1)。上述的2種方案中使成像透鏡分布在反射光或透過(guò)半透半反鏡后的入射光方向上,大大放寬了半透半反鏡的位置限制,有利于零件的設(shè)置。
作為優(yōu)選,上述的成像透鏡為凸透鏡。
作為優(yōu)選,上述的緊貼探測(cè)器(P1、P2、P3)的可變密度濾光片(F1、F2)放置在成像透鏡的焦點(diǎn)或附近。
作為優(yōu)選,上述的探測(cè)器(P1、P2、P3)選用響應(yīng)波長(zhǎng)包括0.8微米到1.6微米范圍的高速光電探測(cè)器。最優(yōu)選的探測(cè)器(P1、P2、P3)為高速I(mǎi)nGaAs探測(cè)器。
作為優(yōu)選,上述的可變密度濾光片(F1、F2)為中性漸變密度片。
作為優(yōu)選,上述的裝置包括激光波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng),波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)包括在半透半反鏡(O2)的透射光方向上設(shè)置的半反半透鏡(O3),半反半透鏡(O3)反射光方向設(shè)有探測(cè)器(P4)。
作為優(yōu)選,上述的波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器(P4)選用在0.8微米到1.6微米范圍內(nèi),響應(yīng)特性和探測(cè)器(P1、P2、P3)有明顯差異的光電探測(cè)器。最優(yōu)選的探測(cè)器(P4)選用Si探測(cè)器。
作為優(yōu)選,上述的波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器(P4)選用對(duì)波長(zhǎng)為1.2~1.6微米的激光反應(yīng)光譜的探測(cè)器。
為了實(shí)現(xiàn)絕對(duì)方向的測(cè)量,該裝置還可以設(shè)有姿態(tài)感知系統(tǒng),對(duì)探頭的傾斜進(jìn)行修正。
本發(fā)明采用透鏡成像的方式,減小了由于大氣的影響造成的角度測(cè)量誤差,同時(shí)也解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于θi過(guò)大,造成測(cè)量值無(wú)法確認(rèn)的技術(shù)缺陷。本發(fā)明的方法計(jì)算簡(jiǎn)便,可測(cè)量的角度范圍大,具有識(shí)別快的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的信號(hào)探測(cè)裝置則具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)施成本低的特點(diǎn)。因此,本發(fā)明在探測(cè)激光光源的入射方向的領(lǐng)域具有廣泛的用途。
圖1為現(xiàn)有技術(shù)中一維激光探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1中局部放大結(jié)構(gòu)示意圖;圖1、圖2中的附圖標(biāo)記6為通光窗口,附圖標(biāo)記4為不透明部分,附圖標(biāo)記8和附圖標(biāo)記7分別為組器件陣列,附圖標(biāo)記2為蔭罩、附圖標(biāo)記12為(AR)鍍膜玻璃窗口、附圖標(biāo)記14為中性密度過(guò)濾器,附圖標(biāo)記10為入射的激光光束。
圖3為現(xiàn)有技術(shù)中二維的入射角度測(cè)量時(shí)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的信號(hào)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的信號(hào)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明實(shí)施例3的信號(hào)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明入射激光方向判斷的原理簡(jiǎn)圖。
圖8為本發(fā)明入射激光波長(zhǎng)判斷的原理簡(jiǎn)圖。
圖9、圖10為本發(fā)明入射激光波長(zhǎng)判斷的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做一個(gè)詳細(xì)的說(shuō)明。
實(shí)施例1如圖4所示的探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,該裝置包括2片依入射光線方向依次設(shè)置的半透半反鏡O1、O2和1片設(shè)置在入射光線前方的凸透鏡L1,凸透鏡L1用于匯聚入射激光,2片半透半反鏡O1、O2的設(shè)置可以將其反射的光分別沿z方向和沿x方向反射。在透過(guò)半透半反鏡O2的透射光線方向上設(shè)有探測(cè)器P3。
沿z方向,半透半反鏡O1的反射光方向上設(shè)有可變密度濾光片F(xiàn)1和探測(cè)器P1,沿x方向的半透半反鏡O2的反射光方向上設(shè)有可變密度濾光片F(xiàn)2和探測(cè)器P2??勺兠芏葹V光片和探測(cè)器緊貼設(shè)置。
上述的探測(cè)器P1、P2、P3為高速I(mǎi)nGaAs探測(cè)器,可變密度濾光片F(xiàn)1、F2采用中性漸變密度片。探測(cè)器P1、P2、P3距入射光的光程相等,并且距凸透鏡L1的光程為凸透鏡L1的焦點(diǎn)距離。
實(shí)施例2如圖5所示的探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,該裝置包括激光波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng),波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)包括在透過(guò)半透半反鏡O2后的透射光線方向上設(shè)置的半反半透鏡O3,半反半透鏡O3的反射光方向設(shè)有探測(cè)器P4。探測(cè)器P4選用Si探測(cè)器。
本實(shí)施例的其他技術(shù)特征如實(shí)施例1所述。
實(shí)施例3如圖6所示的探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,該裝置包括2片依入射光線方向依次設(shè)置的半透半反鏡O1、O2。2片半透半反鏡O1、O2的設(shè)置可以將其反射的光分別沿z方向和沿x方向反射。半透半反鏡O1、O2之間設(shè)有凸透鏡L1。透半反鏡O2的透射光方向設(shè)有探測(cè)器P3。
沿z方向,在半透半反鏡O1的反射光方向設(shè)有凸透鏡L2,在凸透鏡L2后方設(shè)有半透半反鏡O3,半透半反鏡O3的透射光方向設(shè)有可變密度濾光片F(xiàn)1和探測(cè)器P1,半透半反鏡O3的反射光方向設(shè)有探測(cè)器P4。
沿x方向,在半透半反鏡O2的反射光方向設(shè)有可變密度濾光片F(xiàn)2和探測(cè)器P2。
實(shí)施例4如圖4所示,入射激光經(jīng)過(guò)半透半反鏡O1,反射光線經(jīng)過(guò)放置在像面(或焦平面上)沿z方向透過(guò)透過(guò)率漸變的可變密度濾光片F(xiàn)1后,入射到緊貼可變密度濾光片F(xiàn)1放置的探測(cè)器P1上;透過(guò)半透半反鏡O1的透射光線入射到半透半反鏡O2;從半透半反鏡O2上反射的光線經(jīng)過(guò)沿x方向透過(guò)透過(guò)率漸變的可變密度濾光片F(xiàn)2后,被探測(cè)器P2接收;從半透半反鏡O2透射的光線入射到探測(cè)器P3上。
光線經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)傳感器P1、P2和P3的光程相等,都為距離L,則對(duì)應(yīng)相應(yīng)的入射空間角度為θ的光線,匯聚在傳感器P1、P2和P3上時(shí),和圖像中心(或平行光軸的入射光線在傳感器上的匯聚點(diǎn))的偏移為ΔX、ΔZ,傳感器P1、P2和P3上信號(hào)(分別對(duì)應(yīng)信號(hào)輸出S1、S2和S3)的比例關(guān)系和以下條件相關(guān)(1)半透半反鏡O1、O2的反射、透射特性;(2)ΔX、ΔZ位置上,可變密度濾光片F(xiàn)1、F2的透過(guò)率,濾光片F(xiàn)1的透過(guò)率是Z的函數(shù),濾光片F(xiàn)2的透過(guò)率是X的函數(shù)。
現(xiàn)在假設(shè)(1)半透半反鏡O1的透過(guò)率為T(mén)1,反射率為R1;(2)半透半反鏡O2的透過(guò)率為T(mén)2,反射率為R2;(3)入射信號(hào)的大小為S,三個(gè)傳感器的靈敏度分別為M1、M2和M3;(4)可變密度濾光片的透過(guò)率為透過(guò)位置的函數(shù),沿x和z方向的濾光片的透過(guò)率分別為x和z方向上位置的函數(shù)T(x)和T(z)。
可以得到S1=S·R1·T(Z)·M1S2=S·T1·R2·T(X)·M2S3=S·T1·T2·M3E13=S1/S3=S·R1·T(Z)·M1S·T1·T2·M3=R1·T(Z)·M1T1·T2·M3]]>E23=S2/S3=S·T1·R2·T(X)·M2S·T1·T2·M3=T1·R2·T(X)·M2T1·T2·M3]]>E13和E23表征了探測(cè)器P1、P2的輸出信號(hào)分別和探測(cè)P3的輸出相比的結(jié)果。然后通過(guò)以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值
T(Z)=E13·T1·T2·M3R1·M1]]>T(X)=E13·T1·T2·M3T1·R2·M2]]>而T(X)和T(Z)的值和位置坐標(biāo)X、Z是線性關(guān)系,可以得到X、Z坐標(biāo)的取值,并計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的空間入射角度。
判斷原理如圖7所示,入射激光通過(guò)凸透鏡后在像面上的位置和入射角成比例關(guān)系,此時(shí)在像面上放置透過(guò)率線性變化的可變密度濾光片,則輸出信號(hào)大小和像點(diǎn)的位置相關(guān)。通過(guò)比較輸出信號(hào)比,既可以判斷入射角的角度。對(duì)于任意光只需要判斷三維空間的2個(gè)方向既可以確定入射激光的方向。因此,上述的x方向和z方向可以任意選擇,不限于垂直的狀態(tài)。
實(shí)施例5如圖5所示,探測(cè)器P3、P4具有兩個(gè)不同光譜響應(yīng)曲線,對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光,當(dāng)入射光的能量相同時(shí),兩個(gè)探測(cè)器對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度不同,而且比例是已知的;因此在光路中放置半透半反鏡后,只需要確定兩個(gè)探測(cè)器的短路電流比,即可確定入射波長(zhǎng)。判斷曲線如圖9、圖10所示。
權(quán)利要求
1.一種探測(cè)入射激光方向的方法,其特征在于通過(guò)成像透鏡匯聚入射激光,并通過(guò)半透半反鏡(O1、O2)反射,沿z方向和x方向分別匯聚在可變密度濾光片(F1、F2)上,光線透過(guò)可變密度濾光片(F1、F2)后,落在探測(cè)器(P1、P2)上,分別測(cè)定對(duì)應(yīng)的2個(gè)信號(hào)輸出S1和S2;再測(cè)定透過(guò)半透半反鏡(O2)后的入射光線在探測(cè)器(P3)上的引起的信號(hào)輸出S3;然后通過(guò)以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值,而T(X)和T(Z)的值和位置坐標(biāo)X、Z是線性關(guān)系,可以得到X、Z坐標(biāo)的取值,并計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的空間入射角度S1=S·R1·T(Z)·M1S2=S·T1·R2·T(X)·M2S3=S·T1·T2·M3E13=S1/S3=S·R1·T(Z)·M1S·T1·T2·M3=R1·T(Z)·M1T1·T2·M3]]>E23=S2/S3=S·T1·R2·T(X)·M2S·T1·T2·M3=T1·R2·T(Z)·M2T1·T2·M3]]>T(Z)=E13·T1·T2·M3R1·M1]]>T(X)=E13·T1·T2·M3T1·R2·M2]]>其中半透半反鏡(O1)的透過(guò)率為T(mén)1,反射率為R1;半透半反鏡(O2)的透過(guò)率為T(mén)2,反射率為R2;入射信號(hào)的大小為S,三個(gè)探測(cè)器(P1、P2、P3)的靈敏度分別為M1、M2和M3;可變密度濾光片(F1、F2)的透過(guò)率為透過(guò)位置的函數(shù),沿x和z方向的濾光片的透過(guò)率分別為x和z方向上位置的函數(shù)T(X)和T(Z);E13和E23表征了輸出信號(hào)S1、S2分別和輸出信號(hào)S3相比的結(jié)果。
2.一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于包括至少2片依入射光線方向依次設(shè)置的半透半反鏡(O1、O2)和至少1片用于匯聚入射激光的成像透鏡,2片半透半反鏡(O1、O2)分別將入射光反射;在沿z方向和沿x方向分別設(shè)有透過(guò)率分別沿z方向和沿x方向變化的可變密度濾光片(F1、F2),可變密度濾光片(F1、F2)后部設(shè)有探測(cè)器(P1、P2),并在半透半反鏡(O2)的透射光方向上設(shè)有探測(cè)器(P3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于所述的成像透鏡設(shè)置在入射光的方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于所述的成像透鏡設(shè)置在半透半反鏡(O1)的透射光方向上,并在半透半反鏡(O1)的反射光方向上設(shè)有成像透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于在探測(cè)器(P1、P2、P3)的入射光方向分別設(shè)有成像透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求2~5任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于緊貼探測(cè)器(P1、P2)的可變密度濾光片(F1、F2)放置在成像透鏡的焦點(diǎn)或附近。
7.根據(jù)權(quán)利要求2~5任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于探測(cè)器(P1、P2、P3)選用響應(yīng)波長(zhǎng)包括0.8微米到1.6微米范圍的高速光電探測(cè)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2~5任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于探測(cè)器(P1、P2、P3)為高速I(mǎi)nGaAs探測(cè)器。
9.根據(jù)權(quán)利要求2~5任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于該裝置包括激光波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng),波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)包括在半透半反鏡(O2)的透射光方向上設(shè)置的半反半透鏡(O3),半反半透鏡(O3)反射光方向設(shè)有探測(cè)器(P4)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器(P4)選用在0.8微米到1.6微米范圍內(nèi),響應(yīng)特性和探測(cè)器(P1、P2、P3)有明顯差異的光電探測(cè)器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器(P4)選用Si光電探測(cè)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求2~5任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置,其特征在于該裝置設(shè)有姿態(tài)感知系統(tǒng),對(duì)探頭的傾斜進(jìn)行修正。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種探測(cè)入射激光方向的方法,以及該方法所用的信號(hào)探測(cè)裝置。一種探測(cè)入射激光方向的方法,通過(guò)成像透鏡(L1)匯聚入射激光,并通過(guò)半透半反鏡((O1、O2),使入射激光沿z方向和x方向透過(guò)可變密度濾光片(F1、F2)在探測(cè)器(P1、P2)分別測(cè)定2個(gè)信號(hào)輸出S1和S2;再測(cè)定透過(guò)半透半反鏡(O2)后的入射光線在探測(cè)器(P3)測(cè)定信號(hào)輸出S3;然后通過(guò)公式實(shí)現(xiàn)入射激光的角度判斷。本發(fā)明另外還公開(kāi)了一種探測(cè)入射激光方向的信號(hào)探測(cè)裝置。本發(fā)明采用透鏡成像的方式,減小了由于大氣的影響造成的角度測(cè)量誤差,同時(shí)也解決了現(xiàn)有技術(shù)中由于θi過(guò)大,造成測(cè)量值無(wú)法確認(rèn)的技術(shù)缺陷。本發(fā)明的方法計(jì)算簡(jiǎn)便,具有識(shí)別快的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01S3/78GK101086527SQ20071006998
公開(kāi)日2007年12月12日 申請(qǐng)日期2007年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月11日
發(fā)明者項(xiàng)震 申請(qǐng)人:項(xiàng)震