專利名稱：精密旋轉雙棱鏡光束掃描器的制作方法
技術領域：
本實用新型與激光束的空間掃描和捕獲有關，特別是一種精密旋轉雙棱鏡光束掃描器。
背景技術：
激光束的空間掃描和捕獲一直是空間光通信和激光雷達技術的重點發展研究方向之一。空間光通信和激光雷達必須將激光束對有效的探測空間進行掃描和捕獲目標，達到準確實現通信和測量目標距離及方位的目的。為達到該目的在先前技術[1](參見Optics Guide 5，Chapter 10，Page12.)和在先技術[2](參見祖繼鋒等專利，申請號03129234.8，申請日2003年6月)提到利用旋轉雙棱鏡裝置實現激光束在特定范圍內的二維掃描。其基本原理是用兩個電機分別帶動兩個棱鏡旋轉，當某一激光束沿棱鏡的旋轉軸方向入射后，經過兩個棱鏡折射后光束可以在一個特定的圓錐內連續偏轉而產生一定的俯仰角和方位角(捕獲或掃描的目標在上述能夠獲得的最大圓錐角內)在計算光束通過旋轉雙棱鏡系統后的偏轉角的過程中，在先技術都是在假設棱鏡的頂角很小并且光束垂直照射在棱鏡上而得到偏轉角的近似公式δ=2(n-1)αcos(θ1-θ22)--------(1)]]>及方位角Φ=θ1+θ22-------(2)]]>其控制過程是根據(1)(2)推導出θ1＝f1(δ，Φ)，θ2＝f2(δ，Φ)然后借助于數據轉換電路而實現的(附圖1)1數據轉換電路；2伺服控制電路；3驅動電路；4、5電機；6傳動機構；7、8圓形棱鏡。因為公式(1)是在棱鏡的頂角很小的情況下近似得到的，因此其精度和掃描范圍受到一定的限制。
發明內容
本實用新型要解決的技術問題在于克服上述在先技術的的不足，給出光束通過旋轉雙棱鏡系統后的偏轉角δ和方位角Φ的精確公式，并根據該公式提出了一種精密旋轉雙棱鏡光束掃描器，以提高雙棱鏡的精度達到毫弧度量級并擴大掃描范圍。
本實用新型的設計思想可以闡述如下
假設開始時兩圓形棱鏡的主截面都在XY面內，棱的方向沿Z的方向，在XYZ坐標系內入射光束的單位矢量為A＝(sincosθ，sinsinθ，cos)，可以推導出經兩棱鏡后光束的偏轉角δ和方位角Φ與兩個棱鏡的旋轉角θ1、θ2之間的關系為 Φ＝0，(sin22sin2(θ22+δ2)＝1) (4)(3)(4)兩式中2＝cos-1{sin[cos-1(sincosθsinθ1+cosθ1cos)]cos(θ11+δ1)sin(θ2-θ1)+cos(θ2-θ1)cos1}(5) (5)(6)式中 1＝cos-1(sincosθsinθ1+cosθ1cos) (7)式中 (8)式中 根據上述結果可知當入射光束的方向確定后，就可得出不同的轉角θ1、θ2對應的光束的偏轉角δ和方位角Φ。
但掃描器的控制過程是如何由給定的參數(δ，Φ)確定兩棱鏡的旋轉角度(θ1，θ2)？由(3)(4)并不能得出解析式θ1＝f1(δ，Φ)，θ2＝f2(δ，Φ)，因此在先技術中的控制方法對該裝置是不適用的，但由公式(3)(4)可以得出(θ1，θ2)和(δ，Φ)之間對應的數值解。為此，以公式(3)(4)為基礎編寫matlab程序，根據實際情況對棱鏡的頂角α、材料的折射率n賦初值，使θ1、θ2在[0 2π]內分別以一定的步長取值，可以得出一系列與(θ1，θ2)對應的(δ，Φ)，保持所有(θ1，θ2)和(δ，Φ)之間的對應關系并存入一數據庫。該數據庫的精度由θ1、θ2的步長確定，比如當步長為2π1500(2π1500≈0.004)]]>可以精確到毫弧度量級，當然根據精度要求還可以縮短步長，但其精度不可能超過衍射極限 當給定(δ，Φ)后可以在該數據庫中查找出滿足Δ=(δ-δn)2+(Φ-Φn)2]]>為最小值的(δn，Φn)，則數據庫中與(δn，Φn)對應的(θ1n，θ2n)即為兩個圓形棱鏡各自旋轉的角度。
本實用新型的技術解決方案如下一種用于激光束空間掃描的精密旋轉雙棱鏡光束掃描器，包括驅動電路、電機、傳動機構、雙圓形棱鏡、驅動電路接收指令并按該指令驅動電機通過傳動機構分別使雙圓形棱鏡旋轉，其特征是在驅動電路之前還有計算機和PID控制器，該計算機內設有專用數據庫，該數據庫存有雙圓形棱鏡的旋轉角度(θ1，θ2)與透射光束俯仰角和方位角(δn，Φn)的對應數值，在傳動機構的輸出端還設有角度傳感器，其輸出端接計算機。
所述的精密旋轉雙棱鏡光束掃描器的控制方法，其特征是包括下列步驟①根據雙圓形棱鏡的頂角α、材料的折射率n，使θ1、θ2在(0～2π)之間分別按選定的步長取值，按下列公式
Φ＝0，(sin22sin2(θ22+δ2)＝1) (4)(3)(4)兩式中2cos-1{sin[cos-1(sincosθsinθ1+cosθ1cos)]cos(θ11+δ1)sin(θ2-θ1)+cos(θ2-θ1)cos1}(5) (5)(6)式中 1＝cos-1(sincosθsinθ1+cosθ1cos) (7)式中 (8)式中 利用計算機(1)求出一系列與(θ1、θ2)對應于目標位置(δn、φn)的數值解，并存入計算機(1)的專用數據庫中；②將目標位置信息(δx，φx)輸入計算機后，計算機即在專用數據庫找出滿足Δ=(δx-δn)2+(Φx-Φn)2]]>為最小值的(δn，Φn)，計算機找到(δn，Φn)后，再在專用數據庫中選取與之對應的(θ1n，θ2n)；③將(θ1n，θ2n)和角度傳感器測量到的實際角度(θ1n′，θ2n′)進行比較，所得到的差值輸入到PID控制器，該PID控制器產生相應的控制信號通過驅動電路分別驅動雙電機通過傳動系統帶動雙圓形棱鏡旋轉到新位置；④這時，兩角度傳感器又會將各自感測雙圓形棱鏡的新角度(θ″1n，θ″2n)送入計算機，計算機再將(θ1n，θ2n)與(θ″1n，θ″2n)進行比較，并將差值輸入到PID控制器，該控制器產生相應的控制信號通過驅動電路分別驅動兩電機通過傳動系統帶動雙圓形棱鏡旋轉到新位置；⑤如此循環，最后使光束的偏轉角和方位角滿足目標位置信息(δx，Φx)。所述的旋轉角度θ1，θ2的步長選為 所述的專用數據庫(9)Datebase1.00分為四個子庫Datebase1.01中方位角的范圍是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范圍是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范圍是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范圍是(3π/2，2π)。
本實用新型的技術效果本實用新型與在先技術[1][2]的不同之處是用計算機及計算機中存有的數據庫代替在先技術中的數據轉換電路，另外還增加了兩個角度傳感器來提高棱鏡轉動的精度。在先技術中的數據轉換電路是根據近似公式(1)(2)把伺服控制信號轉變為控制信號的，而本實用新型中的數據庫是根據公式(3)(4)得出的精確解，因此根據給定的(δx，Φx)在庫中找到的控制信號(θ1n，θ2n)是比較精確的，將(θ1n，θ2n)和角度傳感器測得的棱角實際角度(θ1n′，θ2n′)的差值輸入PID控制器，控制器產生控制信號通過驅動電路帶動棱鏡旋轉使透射光束偏轉到(δx′，Φx′)，理論計算表明當θ1、θ2的步長為 時，(δx′，Φx′)與實際的目標位置信號(δx，Φx)的誤差可控制在毫弧度量級，該發明的精度至少比在先技術的精度高一個數量級。另外公式(1)(2)的推導過程還受到光束垂直入射在棱鏡上的條件的限制，而公式(3)(4)的得出并不受此條件的限制，因此該發明可實現對任意角度入射光的控制。
圖1是在先技術的結構框圖，圖中10-數據轉換電路；20-伺服控制電路；3-驅動電路；4、5-電機；6-傳動機構；7、8-圓形棱鏡。
圖2是本實用新型的結構框圖，圖中1-計算機；2-PID控制器；3-驅動電路；4、5-電機；6-傳動機構；7、8-圓形棱鏡；9-數據庫；10、11-角度傳感器圖3是圓形棱鏡的截面圖，棱鏡的頂角為α＝15°，直徑Φ＝250mm。
圖4是表示光束經過雙圓棱鏡后的偏轉角δ和方位角Φ的定義。
圖5是旋轉雙棱鏡的立體示意圖。
圖6本實用新型控制方法的流程示意圖。
具體實施方式
先請參閱圖3，圖3是本實用新型精密旋轉雙棱鏡光束掃描器對的結構框圖，由圖可見，本實用新型精密旋轉雙棱鏡光束掃描器，包括驅動電路3、兩電機4，5、傳動機構6、雙圓形棱鏡7，8，該驅動電路3接收指令并按該指令驅動兩電機4，5通過傳動機構6分別使雙圓形棱鏡7，8旋轉，其特征是在驅動電路3之前還有計算機1和PID控制器2，該計算機1內設有專用數據庫9，在傳動機構6的輸出端還設有兩角度傳感器10，11，該兩角度傳感器10，11的輸出端接計算機1。
所述的精密旋轉雙棱鏡光束掃描器的控制方法，包括下列步驟①根據雙圓形棱鏡7，8的頂角α、材料的折射率n，使θ1、θ2在(0～2π)之間分別按選定的步長取值，按下列公式 Φ＝0，(sin22sin2(θ22+δ2)＝1) (4)(3)(4)兩式中2＝cos-1{sin[cos-1(sincosθsinθ1+cosθ1cos)]cos(θ11+δ1)sin(θ2-θ1)+cos(θ2-θ1)cos1}(5) (5)(6)式中
1＝cos-1(sincosθsinθ1+cosθ1cos) (7)式中 (8)式中 利用計算機1求出一系列與(θ1，θ2)對應于目標位置(δn，Φn)的數值解，并存入計算機1的數據庫9中；②當將目標位置信息(δx，Φx)輸入計算機1后，計算機1即在專用數據庫9找出滿足Δ=(δx-δn)2+(Φx-Φn)2]]>為最小值的(δn，Φn)，計算機1找到(δn，Φn)后，再在專用數據庫9中選取與之對應的(θ1n，θ2n)，將(θ1n，θ2n)和角度傳感器10、11測量到的實際角度(θ1n′，θ2n′)進行比較，所得到的差值輸入到PID控制器2，該控制器2產生的控制信號通過驅動電路3分別驅動兩電機4、5通過傳動系統6帶動雙圓形棱鏡7、8旋轉到新位置③這時，角度傳感器10、11又會將感測圓形棱鏡7、8的新的角度(θ″1n，θ″2n)送入計算機1，計算機1再將(θ1n，θ2n)與(θ″1n，θ″2n)進行比較，并將差值輸入到PID控制器2，該控制器2產生的控制信號通過驅動電路3分別驅動電機4、5通過傳動系統6帶動圓形棱鏡7、8旋轉到新位置，如此循環，最后使光束的偏轉角和方位角滿足目標位置信息(δx，Φx)。
所述的旋轉角度θ1、θ2的步長選為 所述的數據庫(9)Datebase1.00分為四個子庫Datebase1.01中方位角的范圍是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范圍是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范圍是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范圍是(3π/2，2π)。
圓形棱鏡7、8的材料為K9玻璃，直徑Φ為250mm，如圖2所示，波長為632.8nm的入射光沿棱鏡的旋轉軸入射，要求其掃描范圍在±15°，掃描精度為毫弧度量級。
根據給定的條件可得折射率n＝1.51467，入射矢量為(0，1，0)；由公式(3)(4)的推導，得知當兩個圓形棱鏡7、8的旋轉角θ1＝θ2＝0時，光束有最大偏轉角，分別代入公式(3)(4)可求出當棱鏡的頂角α為14.375°時，光束的最大偏轉角可達15°。為保證其規定的掃描范圍，我們令兩個棱鏡的頂角α為15°，兩棱鏡的旋轉角度θ1，θ2的步長為 該系統的精密度可達到毫弧度量級，也可根據精度的不同要求，進一步縮短步長，但該方法的控制精度受實際光機械結構的影響，極限精度應為 計算機1運行后，按照公式(3)/(4)可得到數據庫9-Datebase1.00，為縮短整個過程的響應時間根據方位角Φ的范圍把Datebase1.00分為四個子庫并存入計算機1，Datebase1.01中方位角的范圍是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范圍是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范圍是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范圍是(3π/2，2π)。
當系統接收到目標位置信息(δx，Φx)，計算機1即可按照圖6的流程進行控制根據Φx的值判斷(δx，Φx)在哪個子庫中，并在該子庫中搜尋到滿足Δ=(δx-δn)2+(Φx-Φn)2]]>為最小值的(δn，Φn)，然后調用與(δn，Φn)對應的(θ1n，θ2n)，將(θ1n，θ2n)和角度傳感器10、11測量到的實際角度(θ1n′，θ2n′)進行比較，所得到的差值輸入到PID控制器2。該控制器產生的控制信號通過驅動電路3驅動電機4、5轉動相應的角度，由傳動機構6帶動雙圓形棱鏡7、8旋轉到相應的位置，透射光束偏轉到(δx′，Φx′)，此時和目標位置(δx，Φx)的誤差控制精度在毫弧度量級。
權利要求1.一種用于激光束空間掃描的精密旋轉雙棱鏡光束掃描器，包括驅動電路(3)、兩電機(4、5)、傳動機構(6)、雙圓形棱鏡(7、8)，其特征是在驅動電路(3)之前有計算機(1)和PID控制器(2)，該計算機(1)內設有專用數據庫(9)，該數據庫(9)存有雙圓形棱鏡(7、8)的旋轉角度θ1、θ2與透射光束俯仰角δn和方位角Φn的對應數值，在傳動機構(6)的輸出端與雙圓形棱鏡(7、8)相對應設有兩個角度傳感器(10，11)，其輸出端連接計算機(1)。
2.根據權利要求1所述的精密旋轉雙棱鏡光束掃描器，其特征在于所述的專用數據庫(9)-Datebase1.00分為四個子庫Datebase1.01中方位角的范圍是(0，π/2)，Datebase1.02中方位角的范圍是(π/2，π)，Datebase1.03中方位角的范圍是(π，3π/2)，Datebase1.04中方位角的范圍是(3π/2，2π)。
專利摘要一種用于激光束空間掃描的精密旋轉雙棱鏡光束掃描器，該精密旋轉雙棱鏡光束掃描器包括驅動電路、兩電機、傳動機構、雙圓形棱鏡，其特點是在驅動電路之前有計算機和PID控制器，該計算機內設有專用數據庫，該數據庫存有雙圓形棱鏡的旋轉角度(θ
文檔編號G06F3/00GK2655268SQ20032010783
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月7日 優先權日2003年11月7日
發明者云茂金, 祖繼鋒, 孫建鋒, 陽慶國, 許楠, 劉立人 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所