一種探測激光二維方位及波長的裝置及方法
【專利摘要】一種探測激光二維方位及波長的裝置及方法，包括依次設置的激光器、光柵、顯示屏和攝像頭，其特征在于：所述光柵具有兩組相互垂直的光柵條紋，兩組光柵條紋相鄰設置，并且兩組光柵條紋的周期相同，該光柵為金屬光柵，所述顯示屏為透明顯示屏。該裝置及方法可以準確簡單地測量入射光束的位置和波長，且測量穩定性高，可靠性好。通過攝像頭實時拍照測量并且計算得出。可以快速地得出激光的二維方位和波長。可以用于報警技術，為報警技術的發展提供有效的參考。
【專利說明】
一種探測激光二維方位及波長的裝置及方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種探測激光二維方位及波長的裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 隨著電子技術的發展，激光告警技術己經成為了光電領域的一項重要技術，該技 術主要用來探測激光的入射方位以及波長信息。一般的激光方位探測報警系統計算復雜， 裝置昂貴，且只能探測一維方位角，很大程度上限制了激光告警技術的發展，因此，發明一 種操作簡單，穩定，實用，且價格便宜的探測激光二維方位及波長的裝置和方法就顯得尤為 重要。
【發明內容】
[0003] 本發明所要解決的技術問題是利用二維金屬光柵的衍射來實現激光方位和波長 的實時探測裝置及其方法。
[0004] 本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:一種探測激光二維方位及波長的 裝置，包括依次設置的激光器、光柵、顯示屏和攝像頭，其特征在于:所述光柵具有兩組相互 垂直的光柵條紋，兩組光柵條紋相鄰設置，并且兩組光柵條紋的周期相同，該光柵為金屬光 柵，所述顯示屏為透明顯示屏。
[0005] 激光器發出的激光入射至該光柵的兩組光柵的交界處。
[0006] 優選地，該光柵的條紋周期為5um，兩組光柵條紋之間的間距小于等于光柵周期。
[0007] 上述裝置的探測激光二維方位及波長的方法，包括以下步驟：1)激光器發出與光 柵垂直入射的標準光束，并且在顯示屏上成像，并且用攝像頭拍攝后記錄該光束〇級衍射條 紋的成像點，并設該成像點為原點；
[0008] 2)用激光器發出待測光束，經過光柵衍射后在顯示屏上成像，用攝像頭拍攝記錄 該衍射光斑的〇級衍射條紋的位置和1級衍射條紋的位置，并且計算該待測光束的〇級衍射 條紋和1級衍射條紋與標準光束的成像點之間的投影距離;利用公式
[0012] 計算出待測光束的α，β和λ，其中α為待測光束與水平的X軸之間的夾角，β為待測光 束與豎直的Υ軸之間的夾角，λ為待測光束的波長；
[0013] 待測光束的〇級衍射條紋在Υ軸上的投影與原點之間的距離為Μ，待測光束的0級衍 射條紋在X軸上的投影與原點之間的距離為D，待測光束的1級衍射條紋在Υ軸上的投影與原 點之間的距離為R，L為光柵與顯示屏之間的距離，d為光柵的周期。
[0014] 與現有技術相比，本發明的優點在于該裝置及方法可以準確簡單地測量入射光束 的位置和波長，通過X方向和Y方向上分別測量得到的波長進行對比，可以減小波長測量的 誤差，提高測量精度。且測量穩定性高，可靠性好。通過攝像頭實時拍照測量并且計算得出， 可以快速地得出激光的二維方位和波長。而且可以用于報警技術，為報警技術的發展提供 有效的參考。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明實施例的探測激光二維方位及波長的裝置中的光柵的示意圖。
[0016] 圖2為本發明實施例的探測激光二維方位及波長的裝置的示意圖。
[0017] 圖3為本發明實施例的探測激光二維方位及波長的裝置的顯示屏上的示意圖。
[0018] 圖4為入射光束在光柵的右側與X軸方向成45度角與Y方向垂直入射時，其衍射光 斑的光強分布圖。
[0019] 圖5為入射光束與Y軸垂直，與X軸呈一定夾角入射時，測量的其1級衍射條紋偏移Y 軸的距離與入射角的關系示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0021] 本發明實施例的探測激光二維方位及波長的裝置，如圖1-3所示，包括依次設置的 激光器1，光柵2,顯示屏3和攝像頭4。該顯示屏3為透明顯示屏，因此，攝像頭4能夠在顯示屏 3后側進行拍攝記錄。
[0022]該光柵2為具有兩組相互垂直的光柵條紋，兩組光柵條紋相鄰設置，并且兩組光柵 條紋之間的間距小于等于光柵周期d，并且兩組光柵條紋的方向一個為沿水平方向，一個為 垂直方向，如圖1所示，并且兩組光柵條紋的周期d相同，并且該光柵為金屬光柵。
[0023] 如圖2、3、4所示，當激光器1發出的標準光束I，以垂直光柵2入射時，入射至光柵2 的兩組光柵條紋的交界處，然后在顯示屏3上成像，其中0級衍射條紋的成像點為0點，攝像 頭4拍攝該0點位置后并且記錄。設該0點為原點，即水平的X軸與豎直的Y軸的交界點。
[0024] 當激光器1發出的待測光束Γ，與豎直方向即Y軸方向成β角，與水平方向即X軸成α 角度入射到光柵2的兩組光柵條紋的交界處時，顯示屏3上的衍射條紋相對于0點產生偏移， 其中Ρ'點為〇級衍射條紋的位置，Ρ"點為1級衍射條紋的位置，該Ρ'點在X軸上的投影為X'， 在Υ軸上的投影為Υ'，Ρ"點在X軸上的投影為X"，在Υ軸上的投影為Υ"。〇級衍射條紋Ρ'在X軸 上的投影X'與原點之間的距離〇X'=D，在Υ軸上的投影Υ'與原點之間的距離0Υ'=Μ，1級衍 射條紋在Υ軸上的投影Ρ"與原點〇之間的距離X"P"=R。則滿足以下公式：
[0025] D = L tan α (1)
[0026] R = L tan γ (2)
[0027] d(sin γ-sina) =λ (3)
[0028] M = L tan β (4)
[0029] 其中γ為X方向的衍射角，即該待測光束Γ的入射到光柵的入射點為0'，γ為角X" 0'0。如圖2所示，L為光柵2與顯示屏3之間的距離。并且上述R，M和D的距離均可以通過攝像 頭4拍攝后通過與0點的位置的比較計算得出。
[0030]根據上述公式，可以推導出：
[0034]其中d為光柵周期。
[0035]例如，當測試激光選用波長為632nm的氦氖激光器，當待測光束Γ與X軸成45度角、 與丫軸成30度角入射時，測得:0 = 7.8〇11兒=7.5〇11，]\1 = 5.0〇11，1?=11.3〇]1。所選用的樣品光 柵周期(1為511111，通過計算得到：€[ = 44.569，0 = 33.305，丫=56.062，人=640111]1。實驗誤差很 小，有很好的可靠性，本實例中僅測量了當激光在水平方向成不同角度入射時1級衍射條紋 的偏移情況。也可以選用其它級數的衍射圖光斑偏移情況來估算激光入射的大致方位。
[0036] 如圖4所示，為當入射光束在光柵2的右側與X軸方向成45度角與Y方向垂直入射 時，其衍射光斑的光強分布圖，可以明顯看到其〇級以上衍射條紋有所偏移。當入射光束以 與水平方向上呈一定角度與豎直方向垂直的方向入射時，其豎直方向的〇級以上衍射條紋 會左右發生偏移，即發生X方向的偏移，當入射激光以與豎直方向上呈一定角度與水平方向 垂直的方向入射時，其水平方向的0級以上衍射條紋會上下發生偏移，即發生Y方向的偏移， 當激光與X軸和Y軸方向均呈一定夾角入射時兩個方向上的0級以上衍射條紋均會有相應的 偏移，并且偏移的距離和激光的入射角度在一定范圍內單調變化。如圖5所示，示出了當激 光與Y軸垂直，與X軸呈一定夾角入射時，測量的其1級衍射條紋偏移Y軸的距離，從圖中可以 看出，在一定范圍內，偏移的距離和入射角度呈單調關系。
[0037] 該裝置及方法可以準確簡單地測量入射光束的位置和波長，通過X方向和Y方向上 分別測量得到的波長進行對比，可以減小波長測量的誤差，提高測量精度。且測量穩定性 高，可靠性好。通過攝像頭實時拍照測量并且計算得出，可以快速地得出激光的二維方位和 波長。而且可以用于報警技術，為報警技術的發展提供有效的參考。
【主權項】
1. 一種探測激光二維方位及波長的裝置，包括依次設置的激光器(1)、光柵(2)、顯示屏 (3) 和攝像頭(4)，其特征在于:所述光柵(2)具有兩組相互垂直的光柵條紋，兩組光柵條紋 相鄰設置，并且兩組光柵條紋的周期相同，該光柵(2)為金屬光柵，所述顯示屏(3)為透明顯 示屏。2. 如權利要求1所述的探測激光二維方位及波長的裝置，其特征在于:激光器（1)發出 的激光入射至該光柵(2)的兩組光柵的交界處。3. 如權利要求1所述的探測激光二維方位及波長的裝置，其特征在于:該光柵(2)的條 紋周期(d)為加 m，兩組光柵條紋之間的間距小于等于光柵周期(d)。4. 具有如權利要求1-3中任一項所述的裝置的探測激光二維方位及波長的方法，包括 W下步驟：1)激光器（1)發出與光柵(2)垂直入射的標準光束（I)，并且在顯示屏(3)上成像， 并且用攝像頭(4)拍攝后記錄該光束的0級衍射條紋的成像點（0)，并設該成像點（0)為原 點' ； 2)用激光器（1)發出待測光束（Γ)，經過光柵(2)衍射后在顯示屏（3)上成像，用攝像頭 (4) 拍攝記錄該衍射光斑的0級衍射條紋的位置(P'）和1級衍射條紋的位置(P")，并且計算 該待測光束（Γ)的0級衍射條紋和1級衍射條紋與標準光束（I)的成像點之間的投影距離； 利用公式計算出待測光束（Γ)的α，β和λ，其中α為待測光束（Γ)與水平的X軸之間的夾角，β為待 測光束與豎直的Υ軸之間的夾角，λ為待測光束的波長； 其中，待測光束（Γ)的0級衍射條紋在Υ軸上的投影與原點（0)之間的距離為Μ，待測光 束（Γ )的0級衍射條紋在X軸上的投影與原點(0)之間的距離為D，待測光束（Γ )的1級衍射 條紋在Υ軸上的投影與原點(0)之間的距離為R，L為光柵(2)與顯示屏(3)之間的距離，d為光 柵(2)的周期。
【文檔編號】G01J9/00GK106092038SQ201610394056
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610394056.9, CN 106092038 A, CN 106092038A, CN 201610394056, CN-A-106092038, CN106092038 A, CN106092038A, CN201610394056, CN201610394056.9
【發明人】胡雪芳, 陶衛東, 牛棚楷, 董建峰
【申請人】寧波大學