CN114166113B - 光束偏摆自动补偿装置以及激光干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光束偏摆自动补偿装置以及激光干涉仪，其中光束偏摆自动补偿装置，用于激光干涉仪，包括物镜、前补偿镜、光栏和后补偿镜，来自偏摆目标的偏转光束依次经所述物镜、所述前补偿镜、所述光栏和所述后补偿镜入射到所述激光干涉仪的光电接收器；所述物镜用于对来自偏摆目标的偏转光束进行会聚；所述前补偿镜用于对所述物镜的出射光束进行二次会聚，所述前补偿镜的焦距小于所述前补偿镜与所述物镜的间距；所述光栏用于控制出射光束在所述后补偿镜的入射光瞳；所述后补偿镜用于控制出射光束入射到所述光电接收器的光斑尺寸，所述后补偿镜的焦距小于所述前补偿镜的焦距。本发明能够补偿因被测目标转动导致的光束偏摆。
Description
技术领域
本发明属于光束偏摆补偿技术领域，涉及一种光束偏摆自动补偿装置以及激光干涉仪。
背景技术
瞬态高速激光测速仪广泛用于高冲击加速度计量标准以及高能钻地弹、侵彻武器等高速动能弹和弹载设备的高冲击过载环境实验，是目前国防冲击最高计量标准的主标准器，可实现冲击速度、加速度等量值的可靠溯源。
现有的瞬态高速激光测速仪采用差动式干涉结构，是一种类型的激光干涉仪。图1为现有技术的激光干涉仪的原理图。如图1所示，反射光栅4通过胶粘或者直接刻蚀的方式置于在砧体5侧面，砧体5的运动方向垂直于光轴，其工作原理为：激光器1发出的光经过分光棱镜2分成间距恒定的两束光，经过会聚透镜3(干涉仪的物镜镜头)照射在反射光栅4表面，分光间距的确定与采用的反射光栅4的光栅常数有关，照射在反射光栅4的双光束发生衍射，通过光学设计可控制两光束在反射光栅4的入射角度，使得两束光的+1级和-1级衍射光刚好沿着光轴方向合并形成干涉，干涉光经第一反射镜6和第二反射镜7后被光电接收器8接收。高冲击作用下驱动砧体5连动反射光栅4发生运动，相当于“切割”反射光栅4的双光束形成的干涉区域，引起干涉条纹的移动，通过条纹移动量的测量可以实现高冲击位移、速度及加速度的测量。然而实际高冲击测量中很难保证运动结构的直线运动，尤其是高速冲击下，砧体5将不可避免的发生偏摆，固定于砧体5上的反射光栅4将随之发生角度偏转，即光束不再是垂直光栅面入射，入射角发生改变，根据光栅衍射原理，衍射光束角度随之改变，则此时经第一反射镜6和第二反射镜7返回光电接收器8的干涉光束发生倾斜，导致的结果是一方面引入附加运动，影响测量结果准确度，另一方面由于光电接收器8的接收口径很小，光束偏转会导致光电信号的不稳定甚至信号丢失。
发明内容
本发明的目的是提供一种光束偏摆自动补偿装置以及激光干涉仪，能够补偿因被测目标转动导致的光束偏摆。
为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种光束偏摆自动补偿装置，用于激光干涉仪，其特征在于，包括物镜、前补偿镜、光栏和后补偿镜，来自偏摆目标的偏转光束依次经所述物镜、所述前补偿镜、所述光栏和所述后补偿镜入射到所述激光干涉仪的光电接收器；所述物镜用于对来自偏摆目标的偏转光束进行会聚；所述前补偿镜用于对所述物镜的出射光束进行二次会聚，所述前补偿镜的焦距小于所述前补偿镜与所述物镜的间距；所述光栏用于控制出射光束在所述后补偿镜的入射光瞳；所述后补偿镜用于控制出射光束入射到所述光电接收器的光斑尺寸，所述后补偿镜的焦距小于所述前补偿镜的焦距。
优选地，所述物镜、所述前补偿镜和所述后补偿镜均为会聚透镜。
优选地，所述偏摆目标放置于所述物镜的前焦点两侧的规定范围内。
优选地，所述规定范围为±1mm。
优选地，所述偏摆目标放置于所述物镜的前焦点。
优选地，所述前补偿镜的焦距与所述后补偿镜的焦距根据所述光电接收器的接收口径和所述偏摆目标的最大偏摆角度设置。
优选地，所述偏摆目标为反射光栅。
优选地，所述前补偿镜放置在距离所述物镜100mm以内，所述后补偿镜放置在所述前补偿镜的后焦点位置。
优选地，所述光电接收器的接收面放置在所述后补偿镜50mm距离以内。
本发明的另一个方面提供一种激光干涉仪，包括光电接收器和上述的光束偏摆自动补偿装置。
本发明的光束偏摆自动补偿装置以及激光干涉仪能够补偿因被测目标转动导致的光束偏摆。
附图说明
图1为现有技术的激光干涉仪的原理图。
图2为本发明一种实施方式的光束偏摆自动补偿装置的构成示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
针对现有的激光干涉仪中存在的问题，本发明的实施方式提供一种光束偏摆自动补偿装置，用于激光干涉仪，当被测目标发生角度偏转时，能够降低偏转光束的偏摆角度，使其在一定偏摆角度范围内，干涉光斑不会脱离激光干涉仪的光电接收器的敏感面，以达到光束偏摆修正的目的，提高测量准确度。相应地，本发明的实施方式还提供一种激光干涉仪，包括光电接收器和所述的光束偏摆自动补偿装置，所述光束偏摆自动补偿装置放置在偏摆目标与激光干涉仪的光电接收器之间，用于补偿因偏摆目标转动导致的光束偏摆。
图2为本发明一种实施方式的光束偏摆自动补偿装置的构成示意图。如图2所示，本发明实施方式的光束偏摆自动补偿装置包括物镜12、前补偿镜13、光栏14和后补偿镜15，来自偏摆目标11的偏转光束依次经物镜12、前补偿镜13、光栏14和后补偿镜15入射到所述激光干涉仪的光电接收器8。
其中的偏摆目标11是激光干涉仪的测量目标(被测目标)，可以是任意反射表面，对于图1中的激光干涉仪即为反射光栅4。物镜12用于对来自偏摆目标11的偏转光束进行会聚。物镜12为会聚透镜，偏摆目标11放置于物镜12的前焦点两侧的规定范围内。优选地，所述规定范围为±1mm。更优选地，偏摆目标11放置于物镜12的前焦点。当偏摆目标11(被测目标)发生偏转时，物镜12能够将偏转的光束进行会聚，使反射光束仍能沿着光轴方向返回。
前补偿镜13也为会聚透镜，用于对物镜12的出射光进行二次会聚，根据近轴光学成像公式，前补偿镜13的焦距小于其与物镜12的间距。光栏14用于控制出射光束在后补偿镜15的入射光瞳。光栏14还可以用于滤除杂散光。后补偿镜15可以是短焦距会聚透镜，其焦距小于前补偿镜13的焦距，其主要作用是与前补偿镜13和光栏14配合，控制出射光入射到光电接收器8的接收孔的光斑尺寸大小，从而影响本实施方式的光束偏摆自动补偿装置可以补偿的偏摆角度。
经过计算，本实施方式的光束偏摆自动补偿装置可以降低的光束偏摆角度的倍数约为前补偿镜13与后补偿镜15的焦距之比。实际设计中可以综合考虑光电接收器的接收孔径的尺寸和被测目标的最大偏摆角度进行焦距的设置。
本实施方式的光束偏摆自动补偿装置的一个具体设计实例如下：
偏摆目标11为光栅为150线/毫米的反射光栅；物镜12为焦距300mm的平凸透镜；前补偿镜13为焦距80mm的双凸透镜，放置在距离物镜100mm以内；光栏14为通光口径3mm的孔径光栏；后补偿镜15为焦距15mm的双凸透镜，放置在前补偿镜13的后焦点位置；所述激光干涉仪的光电接收器8的接收面放置在后补偿镜15的50mm距离以内。
根据几何光学成像公式可以计算出，本发明的上述具体设计实例可以将光束偏摆角的影响降低5.3倍数，即相对光电接收器8正常接收情况下，光束偏摆角度扩大5.3倍时，干涉信号仍能被接收。换言之，被测目标的反射光束，经过本发明实施方式的光束偏摆自动补偿装置进行调节，能够使光束偏摆角度降低5.3倍。
本发明实施方式的光束偏摆自动补偿装置不限于上述具体设计实例，可以根据光电接收器8的接收口径和偏摆目标11的最大偏摆角度等，灵活设置前补偿镜13和后补偿镜15的焦距、前补偿镜13与物镜12的距离、光栏14的尺寸等，从而得到所需尺寸的光斑以及偏摆影响降低的倍数。
根据本发明实施方式的光束偏摆自动补偿装置以及激光干涉仪，偏转光束经过该光束偏摆自动补偿装置打在被测目标上，当被测目标发生角度偏转时，反射光束仍能覆盖光电接收器的接收口径，因此本发明能够有效抵抗光束偏转的影响，可用于瞬态高速激光测速仪等多种激光干涉仪中。另外，本发明实施方式的光束偏摆自动补偿装置以及激光干涉仪还具有如下突出的优点：光学系统结构紧凑，可实现小型化光学仪器设计集成；系统使用方便，无需外部参与和控制。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施方式，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施方式进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明保护范围的限制。
Claims (9)
1.一种光束偏摆自动补偿装置，用于激光干涉仪，其特征在于，包括物镜、前补偿镜、光栏和后补偿镜，来自偏摆目标的偏转光束依次经所述物镜、所述前补偿镜、所述光栏和所述后补偿镜入射到所述激光干涉仪的光电接收器，所述偏摆目标是激光干涉仪的测量目标；
所述物镜用于对来自偏摆目标的偏转光束进行会聚；
所述前补偿镜用于对所述物镜的出射光束进行二次会聚，所述前补偿镜的焦距小于所述前补偿镜与所述物镜的间距；
所述光栏用于控制出射光束在所述后补偿镜的入射光瞳；
所述后补偿镜用于控制出射光束入射到所述光电接收器的光斑尺寸，所述后补偿镜的焦距小于所述前补偿镜的焦距，
所述偏摆目标放置于所述物镜的前焦点两侧的规定范围内。
2.如权利要求1所述的光束偏摆自动补偿装置，其特征在于，所述物镜、所述前补偿镜和所述后补偿镜均为会聚透镜。
3.如权利要求1所述的光束偏摆自动补偿装置，其特征在于，所述规定范围为±1mm。
4.如权利要求3所述的光束偏摆自动补偿装置，其特征在于，所述偏摆目标放置于所述物镜的前焦点。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光束偏摆自动补偿装置，其特征在于，所述前补偿镜的焦距与所述后补偿镜的焦距根据所述光电接收器的接收口径和所述偏摆目标的最大偏摆角度设置。
6.如权利要求1-4中任一项所述的光束偏摆自动补偿装置，其特征在于，所述偏摆目标为反射光栅。
7.如权利要求1-4中任一项所述的光束偏摆自动补偿装置，其特征在于，所述前补偿镜放置在距离所述物镜100mm以内，所述后补偿镜放置在所述前补偿镜的后焦点位置。
8.如权利要求7所述的光束偏摆自动补偿装置，其特征在于，所述光电接收器的接收面放置在所述后补偿镜50mm距离以内。
9.一种激光干涉仪，其特征在于，包括光电接收器和权利要求1-8中任一项所述的光束偏摆自动补偿装置。
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