激光投射单元及扫频干涉测距系统技术方案

本公开实施例提供了一种激光投射单元及扫频干涉测距系统。激光投射单元，包括：可调谐激光器，所述可调谐激光器能够在扫描波段内输出波长连续变化的激光；第一分光元件，所述第一分光元件配置为将所述可调谐激光器输出的激光分成第一光束和第二光束，其中的所述第一光束作为所述激光投射单元所输出的投射光束；气体吸收池，所述气体吸收池设置在所述第二光束的传输路径上，所述气体吸收池内装有在所述扫描波段内具有一系列窄带吸收峰的气体；及第一光电检测器，所述第一光电检测器配置为接收经过所述气体吸收池的所述第二光束，并将所述第二光束的光信号转换为电信号。

【技术实现步骤摘要】
激光投射单元及扫频干涉测距系统
本公开涉及光学测量
，特别是涉及一种激光投射单元及扫频干涉测距系统。
技术介绍
激光干涉法是距离测量的超高精度方法，该方法是基于光的干涉原理，即两列具有相同频率且具有固定相位差的光线会产生干涉现象。较为常见的激光干涉测距系统即是激光干涉法的具体应用，它的测量原理如下：由激光器发射的单波长激光经分光元件分成反射光束和透射光束，其中一光束经过固定反射镜反射回来，另一光束经过待测物上的待测物反射镜反射回来，两者在分光元件处汇合成相干光束，在观察面上产生干涉条纹。其中，被固定反射镜反射回来的光束，其从固定反射镜到分光元件的路程定义成固定臂，被待测物反射镜反射回来的光束，其从待测物反射镜到分光元件的路程定义成移动臂，则条纹明暗情况与固定臂和移动臂的距离差有关：当固定臂和移动臂的距离差为波长的整数倍时，观察面上产生明条纹；当固定臂和移动臂的距离差为半波长的奇数倍时，观察面上产生暗条纹。通过对明暗变化进行计数，即可计算得出移动臂的运动距离。这种测量方法精度很高，但只能测量相对的移动距离，而不能测量绝对位置，即只能实现相对测距。而激光扫频干涉测距系统可以实现绝对测距，该系统具有测量范围大、无测距盲区、不依赖合作目标等优点。在激光扫频干涉测距系统中，常使用到半导体激光器，这是因为半导体激光器具备扫描频率快、调制方式简单灵活、尺寸小、成本低等优点。然而，半导体激光器也有明显的缺点，其输出波长随着电流和温度连续变化，而电流和温度的控制精度一般不超过1％，因此，半导体激光器的输出波长无法精确确定，从而给测距过程引入测量误差。
技术实现思路
本公开实施例的目的在于提供一种激光投射单元及扫频干涉测距系统，能够精确确定激光器的输出波长。具体技术方案如下：本公开第一方面的实施例提出了一种激光投射单元，包括：可调谐激光器，所述可调谐激光器能够在扫描波段内输出波长连续变化的激光；第一分光元件，所述第一分光元件配置为将所述可调谐激光器输出的激光分成第一光束和第二光束，其中的所述第一光束作为所述激光投射单元所输出的投射光束；气体吸收池，所述气体吸收池设置在所述第二光束的传输路径上，所述气体吸收池内装有在所述扫描波段内具有一系列窄带吸收峰的气体；及第一光电检测器，所述第一光电检测器配置为接收经过所述气体吸收池的所述第二光束，并将所述第二光束的光信号转换为电信号。根据本公开实施例的激光投射单元，其在工作时，可调谐激光器在扫描波段内输出波长连续变化的激光，激光由第一分光元件分成第一光束和第二光束，其中的第二光束经过气体吸收池并对气体吸收池内的气体实时扫描。由于气体仅吸收特定波长的光能量，因而在吸收光谱上表现为一系列与特定波长相对应的窄带吸收峰。由此，在可调谐激光器对所输出的激光进行波长调制的过程中，每当激光的波长到达气体窄带吸收峰所对应的特定波长时，第一光电检测器输出的电信号就会出现下陷尖峰，这样，通过第一光电检测器就可以精确地检测到激光波长到达几个特定波长的时刻。即，对应上述几个时刻，可以认为激光投射单元所输出的投射光束的波长等于上述几个特定波长，由此，实现对激光波长的精确确定。当激光投射单元应用于激光扫频干涉测距系统中时，可以将激光扫频干涉测距系统的采样时刻设置为第一光电检测器输出的电信号出现下陷尖峰的时刻，这样，采样点的数据所应对的激光波长就可以精确确定，从而有效减小测距过程的测量误差。在本公开的一些实施例中，所述气体吸收池内的所述气体包括甲烷、氨气、氮气和一氧化碳中的一种或多种。在本公开的一些实施例中，所述第一分光元件为分光镜，或者，在所述可调谐激光器与所述第一分光元件之间设置有光纤且所述第一分光元件为光纤分束器。在本公开的一些实施例中，所述激光投射单元还包括反射镜，所述反射镜配置为将来自于所述第一分光元件且沿第一方向传输的所述第二光束反射至第二方向上，以使所述第二光束沿所述第二方向传输并通过所述气体吸收池。在本公开的一些实施例中，在所述气体吸收池与所述第一分光元件之间设置有光纤。在本公开的一些实施例中，所述可调谐激光器为半导体扫频激光器。本公开第二方面的实施例提出了一种扫频干涉测距系统，包括：根据上述任一实施例中的激光投射单元；第二分光元件，所述第二分光元件配置为将所述第一光束分成第三光束和射向所述待测物的第四光束；固定反射镜，所述固定反射镜配置为对所述第三光束进行反射，以形成射向所述第二分光元件的第一反射光束；待测物反射镜，所述待测物反射镜配置为设置在待测物上，以及对所述第四光束进行反射，以形成射向所述第二分光元件并于所述第二分光元件处与所述第一反射光束汇合的第二反射光束；第二光电检测器，所述第二光电检测器配置为接收由第二反射光束和所述第一反射光束汇合而形成的相干光束，并将所述相干光束的光信号转换为电信号；及采样装置，所述采样装置配置为在所述第一光电检测器的电信号出现下陷尖峰的时刻对所述第二光电检测器的电信号进行采样，采样点的数据用于确定待测物的距离。本公开实施例的扫频干涉测距系统，其在工作时，可调谐激光器在扫描波段内输出波长连续变化的激光，激光由第一分光元件分成第一光束和第二光束，第一光束进一步由第二分光元件分成第三光束和射向待测物的第四光束，固定反射镜对第三光束进行反射，从而形成第一反射光束，设置在待测物上的待测物反射镜对第四光束进行反射，从而形成第二反射光束，第一反射光束和第二反射光束再在第二分光元件处汇合成相干光束，第二光电检测器接收相干光束并将相干光束的光信号转换为电信号。另一方面，第二光束经过气体吸收池并对气体吸收池内的气体实时扫描。由于气体仅吸收特定波长的光能量，因而在吸收光谱上表现为一系列与特定波长相对应的窄带吸收峰。由此，在可调谐激光器对所输出的激光进行波长调制的过程中，每当激光的波长到达气体窄带吸收峰所对应的特定波长时，第一光电检测器输出的电信号就会出现下陷尖峰，这样，通过第一光电检测器就可以精确地检测到激光波长到达几个特定波长的时刻。即，对应上述几个时刻，可以认为激光投射单元所输出的投射光束的波长等于上述几个特定波长，由此，实现对激光波长的精确确定。基于此，扫频干涉测距系统还设置有采样装置，采样装置配置为在第一光电检测器的电信号出现下陷尖峰的时刻对第二光电检测器的电信号进行采样，这样，采样点的数据所应对的激光波长就可以精确确定。进而，根据采样点的数据所计算出的待测物距离，其精准性更高。在本公开的一些实施例中，所述采样装置包括：下降沿触发器，所述下降沿触发器与第一光电检测器电连接，所述下降沿触发器配置为在所述第一光电检测器的电信号出现下陷尖峰时发出触发信号；及高速模数转换器，所述高速模数转换器与所述下降沿触发器和所述第二光电检测器电连接，所述高速模数转换器配置为在接收到所述触发信号的时刻对所述第二光电检测器的电信号进行采样。在本公开的一些实施例中，所述扫频干涉测距系统还包括数字处理器，所述数字处理器与所述高速模数转换器电连接，所述数字处理器用于对采样点的数据进行处理，以得到待测物的距离。在本公开的一些实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光投射单元，其特征在于，包括：/n可调谐激光器，所述可调谐激光器能够在扫描波段内输出波长连续变化的激光；/n第一分光元件，所述第一分光元件配置为将所述可调谐激光器输出的激光分成第一光束和第二光束，其中的所述第一光束作为所述激光投射单元所输出的投射光束；/n气体吸收池，所述气体吸收池设置在所述第二光束的传输路径上，所述气体吸收池内装有在所述扫描波段内具有一系列窄带吸收峰的气体；及/n第一光电检测器，所述第一光电检测器配置为接收经过所述气体吸收池的所述第二光束，并将所述第二光束的光信号转换为电信号。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光投射单元，其特征在于，包括：
可调谐激光器，所述可调谐激光器能够在扫描波段内输出波长连续变化的激光；
第一分光元件，所述第一分光元件配置为将所述可调谐激光器输出的激光分成第一光束和第二光束，其中的所述第一光束作为所述激光投射单元所输出的投射光束；
气体吸收池，所述气体吸收池设置在所述第二光束的传输路径上，所述气体吸收池内装有在所述扫描波段内具有一系列窄带吸收峰的气体；及
第一光电检测器，所述第一光电检测器配置为接收经过所述气体吸收池的所述第二光束，并将所述第二光束的光信号转换为电信号。


2.根据权利要求1所述的激光投射单元，其特征在于，所述气体吸收池内的所述气体包括甲烷、氨气、氮气和一氧化碳中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的激光投射单元，其特征在于，所述第一分光元件为分光镜，或者，在所述可调谐激光器与所述第一分光元件之间设置有光纤且所述第一分光元件为光纤分束器。


4.根据权利要求1所述的激光投射单元，其特征在于，所述激光投射单元还包括反射镜，所述反射镜配置为将来自于所述第一分光元件且沿第一方向传输的所述第二光束反射至第二方向上，以使所述第二光束沿所述第二方向传输并通过所述气体吸收池。


5.根据权利要求1所述的激光投射单元，其特征在于，在所述气体吸收池与所述第一分光元件之间设置有光纤。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光投射单元，其特征在于，所述可调谐激光器为半导体扫频激光器。


7.一种扫频干涉测距系统，其特征在于，包括：
根据权利要求1至6中任一项所述的激光投射单元；
第二分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振涵，郭瑞，马竞，
申请(专利权)人：北京瑞荧仪器科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11