摘要:本文介绍了一种高频大幅度运动可控人造信标的产生方法与装置。利用经扩束与聚焦的Ar+激光照射到远处的玻璃微珠上,通过压电陶瓷驱动的快速倾斜镜的控制使激光束在玻璃微珠上快速扫描运动,以其后向反射光作为信标光。该方法可为光学跟踪设备提供可控的运动信标。
一、引言
为了对光学跟踪设备进行其跟踪特性的检测,需要提供可供跟踪用的运动信标光。传统的办法是在远处放置一个光学跟踪设备可识别的亮点(如白炽灯),并使之以机械方式进行相应的运动,以该亮点作为信标光进行跟踪。但若要求所产生的信标光具有很高的运动频率,并且运动幅度较大时,便难以采用以上的方法来实现,这主要是由于其运动加速度很大,机械装置难以承受。为了克服这一困难,我们设计并具体实现了以光学方法产生高频大幅度的可控人造信标光系统。
二、装置结构
通过光学方法产生人造信标光的具体方法是:利用经扩束与聚焦的Ar+激光照射到远处的玻璃微珠上,并通过倾斜镜的控制使其在微珠后向反射器上快速扫描运动(x、y两个方向),以其后向反射光作为信标光。装置结构如图1所示。
三、器件的选用
根据光学跟踪设备对信标光的不同要求,可以对框图中的器件进行选取。例如可以就信标光的强度、信标光的运动幅度及运动频率等来选用激光器与快速倾斜镜等器件。
(1)激光器可选几十毫瓦的He-Ne激光器至瓦级的Ar+激光器,必要时还可调节扩束与聚焦来改变照射到玻璃微珠上的光斑大小,以满足跟踪设备对光强的要求。
(2)快速倾斜镜[1]的功能是使其表面的反射镜进行整体的倾斜运动,在压电陶瓷的驱动下,可在两个方向倾斜运动根据需要,选择有足够高的频率响应与足够大的倾斜角度的倾斜镜。同时还必须有足够大的口径以保证经扩束后的光束在其口径范围之内。我们选用了口径为φ180mm、倾斜量为±1·5角分的倾斜镜,其频率响应如图2所示。从图2可以得知,该倾斜镜在高于100Hz的振动频率下能正常工作。
(3)玻璃微珠[2]的功能是将入射的光束大部分沿原方向返回,这样将其原路返回的Ar+激光作为光学跟踪设备的信标光,并将具有足够的强度。图3所示为光束入射角为0度时,玻璃微珠上光的反射强度随角度的关系(已对沿原路反射的光强度归一)。由图3可以看出,在±20°发射角内光的反射强度较大,其中光束入射角为0度时,玻璃微珠上光沿原路反射的反射率大约为20%。
同时还需根据激光束扫描的幅度与靶点的距离来选取玻璃微珠阵列的大小。对0·5km处的靶点来说,我们选用大小为100×20cm2的玻璃微珠阵列。
四、讨论
通过人造信标光产生装置的设计以及对器件的选取,可以根据具体需要产生不同运动方式与运动频率的信标光。例如可以通过驱动信号源分别或同时在快速倾斜镜的x、y输入端加上如下的驱动信号
x = Asin(ωxt+φx)
y = Bsin(ωyt+φy)
这样可以获得不同运动频率与运动幅度的直线运动信标光、圆周运动信标光以及不同椭圆度的椭圆运动信标光。根据我们对器件的选用,所设计的装置可产生运动频率达100Hz、运动幅度约±1·5角分的高频、大幅度且运动频率和幅度任意可调的人造信标光,并由此对光束定向器的跟踪精度与频率响应特性成功地进行了检测。利用以上信标光,还可以就光学跟踪设备对不同运动特征目标进行跟踪的跟踪特性进行检测。
参考文献:
[1]凌宁,陈东红·两维高速压电倾斜反射镜[J]·光电工程,1995,(1)·
[2]张坤·后向反光标志的结构与理化特性[J]·中国交通工程,1992,(2)·
收稿日期: 1998-09-07
作者简介:舒柏宏(1960-),男,湖南人,长沙国防科技大学应用物理系副教授,主要从事光电技术及激光与光电探测器相互作用的研究。
