CN1119625C - 实现光学腔光路准直的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于环形激光陀螺仪的反射镜安装装置和对光学腔的光路进行准直的方法。环形激光陀螺仪包含框架，所述框架具有限定闭环光路的光学腔。光源向光路发射光束。所述框架包括反射镜安装表面，所述反射镜在光路的各角上反射光束。反射镜安装装置与一个框架安装表面相关并且该装置使一个反射镜的凹形反射表面定向以便使光束对准闭环光路，且不管反射镜的凹形反射表面相对于其安装表面的位置如何，光束总是处于最大强度。

Description

实现光学腔光路准直的装置和方法

本发明背景

本发明涉及光学腔。更确切地说，本发明是一种用于使组装成光学腔的反射镜实现光学准直的反射镜安装装置和方法。

本发明的一个实施例适用于环形激光陀螺仪(RLG)。RLG通常用于测量飞行器例如飞机的转角。这种陀螺仪具有两个相对旋转的激光束，所述激光束借助于从多个反射镜产生的顺序反射在闭环回路或“环”内运动。闭环回路是由光学腔确定的，所述光学腔是陀螺仪架或“框架”的内面。在一种RLG中，所述框架包括平面状的上表面和下表面，上下表面与六个形成六角形周边的平面侧面相接。框架的三个非相邻平面侧面在三角形光路的角上形成三个反射镜的反射镜安装表面。

在工作状态下，当RLG绕其输入轴(该输入轴垂直于框架的上下平面表面并处于所述表面的中心)旋转时，每个相对旋转的激光束之有效光路长度发生变化并在光束之间产生频率差，所述光束名义上与角速率成正比。然后，用信号处理电子设备测量上述频率差以便确定飞行器的转角。

为了产生精确的角速率数据(即，最大限度地减小RLG偏差)，相对旋转的激光束在通过由光学腔确定的闭环光路时必须基本上处于最大强度。为了得到最大光强度，相对旋转的激光束必须与光学腔的孔径对准。然而，RLG框架通常不可避免的具有在框架生产过程(即，对框架进行成型、加工和抛光的过程)中产生的误差(换言之为公知的“框架几何误差”)。这些几何误差常会引起反射镜安装表面的形状相对于光学腔孔径产生“倾斜”，而所述光学腔孔径确定了框架中理想的闭环光路。倾斜的反射镜安装表面影响了激光束对准孔径(或相对于孔径定位)而且因此激光强度会导致不精确的角速率数据。所以，需要一种能将相对旋转的激光束适当地定位在光学腔内的光束准直方法和/或装置。

通常在由三个反射镜构成的具有三角形光路的RLG框架中，一个反射镜具有凹形反射表面而另两个反射镜具有平面反射表面。曲面反射镜可实现两个主要目的。首先，反射表面的曲率能控制相对旋转的激光束的直径和初始模式。其次，可利用反射表面的曲率调整光学腔中相对旋转的激光束使所述光束基本上处于最大强度以便最大限度地减小RLG偏差。特别是，可利用凹形反射表面的固有特性达到后一个目的。实际上，凹形反射镜表面的角度随其曲率而变。因此，通过在各框架安装表面的平面内移动(即运动)曲面反射镜便可以使入射的激光束变向或“转向”。

实际上，借助于两个已经安装在框架上的平面反射镜，通过传统的反射镜运动机构来平移曲面反射镜便可以选择性地改变光束在光学腔中的方向。在平移曲面反射镜期间，用检测器例如光电二极管来检测通过一个部分透射的平面反射镜后从空腔输出的激光强度。光电二极管产生电信号，该电信号代表从光学腔输出的激光的强度。在平移曲面反射镜的过程中用电压计监视所述电信号直至找到反射镜在电压计显示出最大输出值时所处位置为止。这时的反射镜位置表示相对旋转的激光束基本上处于最大强度而且因此与光学腔的孔径形成最佳对准。然后在最佳反射镜位置上将曲面反射镜固定到其框架安装表面上从而完成激光束的准直过程。

尽管上述准直机构和方法能使相对旋转的激光束对准框架的光学腔从而最大限度地减小了RLG偏误，但是其存在至少一个缺点。上述机构和方法需要进行大量的曲面反射镜操作，特别是当使反射镜绕其安装表面移动以确定反射镜的最佳反射镜安装位置时更是如此。曲面反射镜转动的范围越大，将污染物(即灰尘)引到反射镜精密反射表面或损坏该表面的机会就越多。任何损坏和/或污染都将增大产生偏差的可能性和降低RLG特性。如果偏差太大和/或RLG特性太不可靠，则必须重新修复或刮削RLG。这样将增加生产RLG的制造成本。

为了实现光学腔例如RLG光学腔的光学准直需要一种改进的装置和方法。更确切地说，需要一种反射镜准直装置和方法，所述装置和方法能减少在将光束对准光学腔时所需的反射镜操作量。此外，所述装置和方法应能在准直期间减少出现反射镜反射表面损坏和/或污染的机会，并由此减少需要修复或刮削的RLG数量。最后，该反射镜准直装置和方法应能比较容易地和以不贵的价格实现而且应极有利于组装的自动化。

本发明简述

本发明是一种用于实现例如RLG中使用的光学腔准直的装置和方法。LRG包括一个构架(或“框架”)，所述构架带有设成闭环光路的内孔径。框架在光路的各角上带有安装表面。安装表面中的第一安装表面具有反射镜安装装置。光源将光束射到光学腔的光路中。反射镜固定在安装表面上以便使每个反射镜反射光路各角上的光束。其中一个反射镜具有曲面反射表面而且该反射镜固定到第一安装表面的安装装置上。该安装装置确定了一个反射镜的曲面反射表面方向从而使光束对准闭环光路和不管曲面反射表面的反射镜相对于第一安装表面的位置如何都能使光束处于最大强度。RLG光路准直的方法需要在第一安装表面上设置安装装置，而且将曲面反射表面的反射镜与安装装置相配合以实现光路准直。

这种用于光路准直的安装装置和方法减少了将光束对准光学腔所需的反射镜操作量。由于不再需要已有技术所述方法中通过使曲面反射镜绕其安装表面平移来确定反射镜的最佳反射镜安装位置的过程，所以明显减少了对反射镜的操作。因此，该安装装置和方法减少了在准直过程中出现反射镜反射表面损坏和/或污染的机会，而且因此而减少了需要修复或刮削的RLG的数量。此外，该反射镜安装装置和方法能比较容易地和以不太高的成本实现并且极有利于组装操作的自动化。

附图简述

图1是按照本发明所述与反射镜安装装置以及光路准直方法相结合的环形激光陀螺仪(RLG)的平面剖视图。

图2是反射镜安装装置和光路准直方法的局部放大平面剖视图，图中带有在第一方位上示出的凹面反射镜。

图3是与图2相类似的反射镜安装装置和光路准直方法的局部放大平面剖视图，图中带有在第二方位上示出的凹面反射镜。

图4是反射镜安装装置和光路准直方法的局部放大侧面剖视图，图中带有在第一方位上示出的凹面反射镜。

图5是与图4相类似的反射镜安装装置和光路准直方法的局部放大侧面剖视图，图中带有在第二方位上示出的凹面反射镜。

图6是反射镜安装装置和光路准直方法的局部侧视图，为清楚起见，在图中省略了凹面反射镜。

图7是表示平面反射镜框架的反射镜安装表面倾角的RLG框架侧视图。

图8是框架的侧视图，其表示框架上的凹面反射镜的反射镜安装表面相对于平面反射镜的安装表面的倾角。

优选实施例的详细描述

图1中一般性地示出了本发明所述环形激光陀螺仪(RLG)12的反射镜安装装置10和光路准直方法。RLG12包括陀螺仪架或框架14。框架14一般为带有六角外边缘的三角形。六角外边缘包括分别形成第一、第二和第三反射镜安装表面16、18和20的三个互不相邻的侧面，和另外三个分别互不相邻的侧面。安装表面16、18和20以及侧面21、22和23分别形成框架14中上下平面表面24和26(见图4-6)的边界。框架14以框架14圆形内边界30内的输入轴28(该输入轴垂直于上下表面)为中心。框架14用玻璃陶瓷或类似材料制成。合适的框架材料包括在市场上以商标“Cervit”和“Zerodur”出售的玻璃陶瓷材料。合适的玻璃材料是以商标“BK-7”出售的材料。

如从图1中所能最清楚地看到的那样，框架14的内光学腔32中分别包括三个基本上为直线的激光孔34、36和38，各孔在安装表面16、18和20处分别通过三个柱形井40、42和44相互连接。孔34和36分别含有用于确定预期闭环光路的孔径35和37。在框架14中钻出孔34、36、38和井40、42、44以便与位于光路角上的安装表面16、18和20共同形成三角形闭环光路。用于把一对相对旋转的激光束46射到由光学腔32确定的光路上的激光增益源45分别包含一对阳极47和48。阳极47和48分别粘合在框架14的侧面21、22上而且分别通过互联腔50、52与激光孔34、36连通。增益源45的阴极54粘合在框架14的侧面23上并且通过互联腔56与激光孔38相连。大量的光激射气体例如HeNe包含在光学腔32内。

工作时，通过在阴极54和阳极47、48之间施加足够大的电压，使一对放电电荷在阴极54和阳极47、48之间流动。放电电流使光激射气体电离并且由此产生光学增益进而使该对相对旋转的激光束46保持在由光学腔32确定的闭环光路中。

如从图1中能最清楚地看到的那样，将两个分别具有平坦反射表面61、62的平面反射镜58和60分别固定(例如通过光学接触、环氧树脂粘合或熔接)到第二和第三反射镜安装表面18和20上。将具有凹形反射表面64的曲面反射镜63固定(通过环氧树脂粘合或熔接)到与第一反射镜安装表面16相关的反射镜安装装置10上。每个反射镜58、60和63的反射表面61、62和64在由光学腔32确定的闭环光路的各角上对光束46进行反射。

如图1-6所示，反射镜安装装置10包括圆形通道66，其形成在框架14中的第一安装表面16上。圆形通道66环绕着柱形井40。如从图2-5中能最清楚地看到的那样，圆形通道分别包括内、外同心侧壁68、70，和底壁72。如图中所示，内、外测壁68、70可以垂直于第一安装表面16，但垂直性对本发明来说并不是最重要的。内侧壁68和第一安装表面16的交界面确定了安装装置10的圆形边缘表面74。曲面反射镜63的凹形反射表面64与安装装置10的边缘表面74相配合并固定在其上。实际上，可以通过例如研磨把圆形通道66加工到框架14上。在一个优选实施例中，圆形通道内外侧壁68和70之间的宽度为0.155英寸而从第一安装表面16到底壁72的深度为0.008英寸。

如从图2和图3(这两附图中示出了曲面反射镜63相对于第一安装表面16和安装装置10的两个不同位置)中能最清楚地看到的那样，不管曲面反射镜63相对于第一安装表面16或安装装置10的位置(即方位)如何，出射角76和入射角78相对于在由曲面反射镜63反射的光束46的反射点81处与凹形反射表面相切的线80来说基本上总是同一个角。例如，对于形状象等边三角形的RLG12来说，不管曲面反射镜63的位置在哪里，出射角76和入射角78的角度基本上为60°。对于方形的RLG来说，出射角和入射角大体上为45°。在图4和图5中所示且从该两附图中能最清楚地看到的另一种方式中，不管曲面反射镜63相对于第一安装表面16或安装装置10的位置(即，方位)如何，在反射点81和框架14的输入轴之间延伸的线82(在图4和图5中线82与激光束46重合)总是垂直于切线80和输入轴28。

只要边缘表面74的大部分与曲面反射镜63的凹形反射表面64相配合就能实现上述状态。边缘表面74和通道66与凹形反射表面64共同作用从而使曲面反射镜63根据以上参数自动实现自准直。这种自准直的共同作用使曲面反射镜63的端部适当地移向安装表面16和离开安装表面16(在图2-5中用双头箭头84和86表示)以实现曲面反射镜63的适当定位。因此，根据本发明的反射镜安装装置10和光路准直方法，由于不管曲面反射镜63相对于第一安装表面16的位置如何，光束46总是以相同的角度从凹形反射表面64上反射，所以曲面反射镜63相对于第一安装表面16的平移不会使光束46(象已有技术中那样)“转向”(即，改变方向)。根据本发明的反射镜安装装置10和光路准直方法，激光束46在由光学腔32确定的闭环光路中的准直主要在于如何相对于第一安装表面16放置安装装置10。换句话说，光路准直只是框架14的几何学问题，而曲面反射镜63的定位不再是使光束46对准光学腔32的孔34和36上的孔径35、37的关键所在。

为了补偿反射镜安装表面16、18和20相对于框架14上下平面表面24和26的“倾斜”(即，“框架几何误差”)，应该按照以下公式将安装装置10设在第一反射镜安装表面16上：

d＝r*α*4.85E-06弧度/弧-秒

其中

r＝曲面反射镜63的凹形反射表面64的曲率半径(英寸)，

α(见图8)是框架14的安装表面16、18和20的锥形角(弧-秒)，和

d(见图6)是相对于框架14的光学腔32中内光学腔孔径35和37而言，反射镜安装装置10的圆形边缘表面74的中心线88偏离光学腔32中内光学腔孔径35和37的中心线90的距离(英寸)。如从图7和图8中所能最清楚地看到的那样，从第一安装表面垂直延伸的线92和由分别从安装表面18、20垂直延伸的交叉线94、96形成的平面93的交角确定了锥形角α。图7和图8中的虚线97垂直于框架14的上下表面24和26而且用该虚线来辅助表示安装表面16、18和20的“倾斜”。锥角α可用自准直技术中公知的方式进行测定。在确定了特别是框架14的锥角α，和已知曲面反射镜63的凹形反射表面64的曲率半径r之后，可以得到偏移距离d以便适当布置反射镜安装装置10的圆形通道66。实例

在测得的锥角α为80弧-秒，曲率半径r为9.5英寸的情况下得到的偏离距离d的计算值(9.5英寸*80弧-秒*4.85E-06)为0.0037英寸或3.7密尔。标记d是正值，因此反射镜安装装置10的圆形边缘表面74的中心线88离开中心线90的偏离量(在图6中箭头98表示的方向上)为3.7密尔。当然，当得出具有负标记的d时中心线88将在箭头98表示的相反方向上产生移动。

按照本发明所述用反射镜安装装置10进行光路准直的方法从测量特定框架14的反射镜安装表面16、18和20的锥角开始。然后用公式d＝r*α*4.85E-06计算安装装置10在第一安装表面上的安放位置。然后在第一安装表面16上定出安装装置10的计算位置并通过对第一安装表面16进行研磨加工形成支持曲面反射镜63的边缘表面74。然后将曲面反射镜63的凹形反射表面64固定到边缘表面74上。边缘表面74使曲面反射镜63的凹形反射表面64自动定位从而使光束46对准闭环光路(由光学腔32的孔径确定的)，而且不管曲面反射镜63相对于第一安装表面16的位置如何，光束均处于最大强度。

该安装装置10和光路准直方法减少了在将光束46对准光学腔32时所需的反射镜操作量。由于不再需要已有技术方法中围绕安装表面平移曲面反射镜从而确定反射镜的最佳反射镜安装位置的过程，所以明显减少了反射镜的操作量。因此，这种安装装置10和方法减少了在准直过程中出现反射镜反射表面损坏和/或污染的机会，进而减少了需要修复或刮削的RLG的数量。此外，这种反射镜安装装置10和方法能比较容易地和以低成本实现而且特别有利于组装操作中的自动化。

尽管以上参照优选实施例描述了本发明，但是熟悉本领域的技术人员应当认识到，在不脱离本发明构思和范围的情况下可以在形状和细节上进行更改。例如，尽管已经参照RLG12描述了安装装置10和进行光路准直的方法，但是，还可以将安装装置10和准直方法用于其它光学设备中，例如线性激光器，光学滤波器以及扫描干涉仪中。

Claims (15)

1.光学设备(12)，包括：

框架(14)，其具有限定闭环光路的内光学腔，所述框架包括：设在光路多个角上的多个安装表面(16，18，20)，多个安装表面中的第一安装表面(16)具有反射镜安装装置(10)；

光源装置(45，47，48)，其用于向光学腔的光路发射至少一个光束；和

固定到多个安装表面上的多个反射镜(61，62，63)，每个反射镜在闭环光路的各个角上反射至少一个光束，其中多个反射镜中的第一反射镜(63)是曲面反射镜，具有凹形的反射表面(64)而且该反射镜固定在第一安装表面(16)的安装装置(10)上，该安装装置确定曲面反射镜的方向从而使至少一个光束对准闭环光路而且不管曲面反射镜相对于第一安装表面的位置如何，安装装置都将使至少一个光束处于最大强度，其特征在于：

所述安装装置(10)包括与曲面反射镜(63)的凹形的反射表面(64)相啮合的边缘表面(74)。

2.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，边缘表面由框架(14)上第一表面(16)和第二表面(68)的交界面确定。

3.根据权利要求2所述的光学设备，其特征在于，第一表面是第一安装表面(16)而第二表面(68)垂直于第一安装表面(16)。

4.根据权利要求3所述的光学设备，其特征在于，安装装置包括形成在框架(14)中的通道(66)，所述通道包括平行的第一(68)和第二侧壁(70)以及底壁(72)。

5.根据权利要求4所述的光学设备，其特征在于，通道(66)是圆形的而且其中第一和第二侧壁是内外同心的侧壁(68，70)。

6.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，第二表面是圆形通道(66)的内侧面(68)。

7.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，不管曲面反射镜相对于第一安装表面(16)的位置如何，与在由曲面反射镜反射的至少一个光束反射点处的切线相应的出射角和入射角基本上是相同的角度。

8.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，不管曲面反射镜相对于第一安装表面的位置如何，由曲面反射镜反射的至少一个光束的反射点处的切线都垂直于在反射点和框架输入轴之间延伸的直线。

9.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，反射镜安装装置在第一安装表面上的位置由以下公式确定：

d＝r*α*4.85E-06其中：r是曲面反射镜的凹形反射表面的曲率半径，α是多个框架安装表面的锥形角，和d是在相对于框架厚度的方向上，反射镜安装装置的中心与光学腔的中心偏离的距离。

10.用于对光学设备的光路进行准直的方法，所说光学设备包括带有限定闭环光路的内光学腔和在光路的各角上具有反射镜安装表面的框架，将光束射入光路的光源，和在光路的各角上反射光束的反射镜，所述方法包括以下步骤：

为反射镜设置供多个安装装置使用的多个安装表面中的一个安装表面；和

该安装装置确定凹形反射表面反射镜的方向从而使至少一个光束对准闭环光路而且不管曲面反射镜相对于第一安装表面的位置如何，安装装置都将使至少一个光束处于最大强度；

其中为反射镜设置供多个安装装置使用的多个安装表面中的一个安装表面的步骤包括：测量框架中反射镜安装表面的锥角；其特征在于：

使反射镜的凹形反射表面反射镜与反射镜安装装置相互啮合。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，形成供一个反射镜安装装置使用的一个安装表面的步骤进一步包括：

根据以下公式计算反射镜安装装置在所述一个安装表面上的安放位置：

d＝r*α*4.85E-06

其中r是曲面反射镜的凹形反射表面的曲率半径，α是框架上反射镜安装表面的锥形角和d是在相对于框架厚度的方向上，反射镜安装装置的中心与光学腔的中心偏离的距离。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，形成一个供反射镜安装装置使用的安装表面的步骤进一步包括：

根据计算出的偏移距离d将反射镜安装装置固定到所述一个安装表面上。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，形成一个供反射镜安装装置使用的安装表面的步骤进一步包括：

在框架的所述一个安装表面上加工边缘表面，该边缘表面限定反射镜安装装置。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，加工边缘表面的步骤包括：

在框架的所述一个安装表面上磨制圆形通道，该通道包括内、外同心侧壁，内侧壁和一个安装表面的交界面限定出边缘表面。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将凹形反射表面反射镜与反射镜安装装置啮合的步骤包括：

将凹面反射镜的凹形反射表面固定到边缘表面上。

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