基于半导体激光光纤组件的激光准直仪
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基于半导体激光光纤组件的激光准直仪
冯其波 刘依真 张斌 崔建英 （北京交通大学理学院 北京 100044）
摘要 本文介绍一种基于半导体激光光纤组件的激光准直仪，讨论了使用角锥棱镜作为活动靶镜的测量 原理，给出了准直仪的软硬件设计方案。通过各种实验表明，本准直仪可直接应用于工业测量。 关键词 激光准直，半导体激光光纤组件，直线度测量，四象限光电接收器 中文分类号：TN247
1 引言
目前国内外出现了许多激光准直方法和装置[1]，但这些激光准直装置存在如下不足： ⑴.测量靶镜带有跟随光电接收器的电缆，测量不方便；⑵.激光准直头大多采用He-Ne激 光器，造成测量头体积大；⑶.受诸多因素影响，造成准直精度不高。采用单模光纤和He-Ne 激光器的准直装置，对减少激光器本身的漂移和提高激光准直精度有好处[2]，但采用分离 元件来耦合激光器和光纤，造成出射光强的不稳定。近年来,出现了采用半导体激光准直 的方法[3]-[4]，可减少激光测量头的体积，但同样采用分离元件耦合激光与光纤，造成激光 光束稳定性差。本论文提出一种简单的基于半导体激光光纤组件的准直方法，同时通过角 锥棱镜将光电接收器固定在激光发射头上，实现了测量靶镜上无电缆连接，使得测量装置 具有体积小、测量方便、测量稳定性高等优点，可在工业测量中得到普遍使用。
x=K A D
BC
( ) x V +V +V +V
A
B
C
D
（5）
பைடு நூலகம்
_中__国__科__技__论__文__在__线_____________________________________________w_w_w_._p_a_p_e_r_._e_d_u_._c_n_
(V +V )− (V + V )
_中__国__科__技__论__文__在__线_____________________________________________w_w_w_._p_a_p_e_r_._e_d_u_._c_n_
4 实验结果与分析
研制的激光准直仪的实物照片如图 5 所示，其中激光测量头中的两个微调机构分别调 节出射光线的俯仰与偏摆角，靶镜上两个微调机构则调节从角锥棱镜反射回来的光线两个 方向的位移，四个调节机构组合起来可以精确将反射光线与四象限光电接收器对中。
50 0
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 -50 光电 比 较 仪 读 数 (um )
-100 -150 -200 -250
图 6 激光准直仪与光电比较仪的对比结果
激光器出射的光束稳定性是影响准直仪准直精度的一个主要因素，本论文采用了一体
化半导体激光单模光纤组件，极大提高其出射光线的稳定性，并能长期保持出射光功率的
更详细的分析与计算，整个系统的程序框图如图 4 所示。
初始化
设置 LCD
键盘扫描
输入自检采样 间隔、点数
采样
计算∆ x和∆ y
存储、显示 样点
NO 是否满足 测点数
输入测量编号
输入测量采样 点数
输入编号
显示各测点 数据
测点采样
计算∆ x和∆ y
存储、显示 样点
NO 是否满足 测点数
与PC机通信
图 4 信号处理软件流程图
稳定。如图 7 所示为激光准直仪开机稳定 10 分钟后，在 1 米处得到 X、Y 两个方向 35 分
_中__国__科__技__论__文__在__线_____________________________________________w_w_w_._p_a_p_e_r_._e_d_u_._c_n_
_中__国__科__技__论__文__在__线_____________________________________________w_w_w_._p_a_p_e_r_._e_d_u_._c_n_
钟内的激光漂移情况，X、Y 方向的最大漂移量分别为 2.4μm，1.0μm。 图 8 为将本激光准直仪与 MJS 双频激光干涉仪对同一模拟导轨进行直线度误差测量的
激光漂移(um )
7 6.5
6 5.5
5 4.5
4 3.5
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
时间(M inute)
菜单方式进行各项操作。断电后能保存数据的串行EEPROM存储器保存活动测头在各测点时
的位移值，供显示测量结果用，并可以通过串行接口传送到PC机，以便长期保存和进一步
分析与计算。实际上，经过图 3 所示的信号处理，最后分别得到激光光斑中心相对于四象
限中心在X、Y两个方向的偏移量为：
(V +V )− (V +V )
图 1 基于单模光纤半导体激光组件的准直仪的测量原理图
如图 1 所示为基于半导体激光光纤组件的激光准直仪的测量原理示意图，测量基准为 半导体激光光纤组件发出的激光光束。采用一体化的半导体激光光纤组件作为激光发生 器，可提高其发射的激光光束的时间和空间稳定性,使用角锥棱镜可实现移动测量头的无 电缆连接，给现场测量带来极大的方便。
Abstract A simple laser collimation system based on a single-mode fiber-coupled laser module was put forward, principle of using a corner retroreflector as the moving target in the laser collimator was discussed in this paper. The hardware and software design of the system was also discussed. Comparison results of straightness measurement between our laser collimator and a dual frequency laser interferometer and other experimental results were given, and these experimental results show that the laser collimator can be used for industrial applications. Key words Laser collimator, Sing-mode fiber-coupled laser module, Straightness measurement, Quadrant photo-diode detector
A Simple Laser Collimator Based on A Single-mode Fiber-Coupled Laser Module
Feng Qibo Liu Yizhen Zhang Bin Cui Jianying (School of Science, Northern Jiaotong University, Beijing 100044)
入射光线
(x, y) (∆x, ∆y) (0,0)
原出射光线
(− x,− y)
新出射光线
图 2 出射光线与角锥棱镜位移之间的关系示意图
如图 2 所示为入射光线在角锥棱镜中的坐标变换情形。设激光垂直入射角锥棱镜，经 过三个反射面反射后，从角锥棱镜射出。根据角锥棱镜的特性，在不考虑棱镜角度误差的 条件下，以棱镜顶点为坐标原点，物向量与像向量存在如下关系式：
⎜⎛
x'
new
⎟⎞
⎜⎛ −
x
old
+ ∆x ⎟⎞
⎜ y' ⎟ = ⎜ − y + ∆y ⎟
(3)
⎜⎜⎝
new
z'
new
⎟⎟⎠
⎜⎜⎝
old
−z
old
⎟⎟⎠
然后再按式(1)及(2)将出射光线坐标变换到原坐标系，得到:
⎜⎛ x ' ⎟⎞ ⎜⎛ − x old + 2∆x ⎟⎞
⎜y
⎜ ⎝
z
' '
⎟ ⎟ ⎠
=
图 7 1m 距离下激光准直仪在 X、Y 两个方向的漂移情况
直线度误差(um)
70 60
50 40
30 20
10
0
-10 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
1.1 1.2 1.3 1.4
-20
-30 -40
-50 -60
-70 -80
-90
-100 -110
距离(m)
移动后的角锥棱镜顶点为新坐标系的原点，则新坐标系与旧坐标系之间的关系为：
⎜⎛ x new ⎟⎞ ⎜⎛ x old ⎟⎞ ⎜⎛ ∆x ⎟⎞
⎜y
⎜⎜⎝
z
new new
⎟ ⎟⎟⎠
= ⎜y
⎜⎜⎝
z
old old
⎟ − ⎜ ∆y ⎟⎟⎠ ⎜⎝ 0
⎟ ⎟⎠
(2)
由式(1)可得当角锥棱镜在 X 和 Y 方向分别存在移动 ∆x和∆y ，出射光线在新坐标系中 的位置为:
将本激光准直仪与光电比较仪进行逐点比较，得到的实验结果如图 6 所示。光电比较
(a) 测量主机
(b) 激光测量头与靶镜
图 5 激光准直仪
仪的测量灵敏度为 0.05µm，50mm 范围的测量误差小于 0.5µm。以此为依据可以采用线性化 处理手段来扩大四象限的测量范围，提高准直仪的测量精度。
准 直 仪 读 数 (um) 250 200 150 100
⎜⎛ X ' ⎟⎞ ⎜⎛ −1 0 0 ⎟⎞⎜⎛ X ⎟⎞ ⎜ Y ' ⎟ = ⎜ 0 −1 0 ⎟⎜ Y ⎟
(1)
⎜ ⎝
Z
'
⎟ ⎠
⎜⎝ 0
0 −1⎟⎠⎜⎝ Z ⎟⎠
当角锥棱镜在 X 和 Y 方向分别存在移动 ∆x和∆y ，在保持入射光线不变的情况下，以
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2 测量原理
6
3
7
1 2
5 4
8
1 半导体激光光纤组件, 2 光纤固定器, 3 准直透镜, 4 四象限光电接收器, 5 信号处理器, 6 测量头, 7 角锥棱镜, 8 活动头
y=K A B
C
D
( ) y V +V +V +V
A
B
C
D
（6）
A1
A2 AB DC
A3
A4
(A+D)-(B+C) -+A 5
(A+B)-(C+D) -+A 6
A/D 电路
键盘
W78E58 单片机
-+A 7 A+B+C+D
EEPROM
图 3 激光准直仪信号处理框图
LCD 显示器
式中：V 、V 、V 、V 分别为四象限光电接收器四个象限的电压输出， K 、K 分别
A
B
C
D
x
y
为常数，通过标定来得到。
信号系统主要完成以下测量功能：⑴准直仪稳定度的测量，即将激光准直仪的活动测
量头固定不动，以一定时间间隔采样，记录并显示样点数据，观察这些数据的变化情况，
确定仪器整体的稳定度；⑵ 直线度测量与显示，即当活动测量头沿工件移动时，测量各
点在 x 和 y 方向的位移变化值，处理得到直线度；⑶ 将测量数据传送到 PC 机，以便进行
⎜ ⎜⎜⎝
−
y
old
−z
+ 2∆y
old
⎟ ⎟⎟⎠
(4)
说明出射光线的移动量与角锥棱镜的移动量之间存在 2 倍的线性关系。根据此特性将 角锥棱镜作为位置敏感元件，可进行直线度测量或其它形位误差的测量，其测量灵敏度提 高了一倍。
3 激光准直仪设计
如图 3 所示为激光准直仪的信号处理硬件原理框图。运算放大器A1—A4将四象限光电 接收器得到的光电流信号转换为电压信号，A5—A7完成对其进行加减法运算。采用程序存 储器较大的W78E58 型单片机，点阵式LCD显示器，显示测量结果，并与键盘配合采用下拉
图 8 激光准直仪与双频激光干涉仪测量直线度的对比结果
对比实验结果，可以看出两台仪器对导轨直线度的测量结果一致程度很好，造成部分偏差 的主要原因是在导轨上不能将两种测量装置的移动测量头完全放在同一位置。
5结 论
通过实验表明，采用半导体激光单模光纤组件作为激光准直仪的发射光源，可提高激 光光束的稳定性，同时大大减少激光测量头的体积，便于现场使用，同时也会减少激光产 生的热源对准直的影响；将角锥棱镜作为激光准直的活动靶镜,虽然测量光线延长 1 倍，
基于半导体激光光纤组件的激光准直仪
冯其波 刘依真 张斌 崔建英 （北京交通大学理学院 北京 100044）
摘要 本文介绍一种基于半导体激光光纤组件的激光准直仪，讨论了使用角锥棱镜作为活动靶镜的测量 原理，给出了准直仪的软硬件设计方案。通过各种实验表明，本准直仪可直接应用于工业测量。 关键词 激光准直，半导体激光光纤组件，直线度测量，四象限光电接收器 中文分类号：TN247
1 引言
目前国内外出现了许多激光准直方法和装置[1]，但这些激光准直装置存在如下不足： ⑴.测量靶镜带有跟随光电接收器的电缆，测量不方便；⑵.激光准直头大多采用He-Ne激 光器，造成测量头体积大；⑶.受诸多因素影响，造成准直精度不高。采用单模光纤和He-Ne 激光器的准直装置，对减少激光器本身的漂移和提高激光准直精度有好处[2]，但采用分离 元件来耦合激光器和光纤，造成出射光强的不稳定。近年来,出现了采用半导体激光准直 的方法[3]-[4]，可减少激光测量头的体积，但同样采用分离元件耦合激光与光纤，造成激光 光束稳定性差。本论文提出一种简单的基于半导体激光光纤组件的准直方法，同时通过角 锥棱镜将光电接收器固定在激光发射头上，实现了测量靶镜上无电缆连接，使得测量装置 具有体积小、测量方便、测量稳定性高等优点，可在工业测量中得到普遍使用。
x=K A D
BC
( ) x V +V +V +V
A
B
C
D
（5）
பைடு நூலகம்
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(V +V )− (V + V )
_中__国__科__技__论__文__在__线_____________________________________________w_w_w_._p_a_p_e_r_._e_d_u_._c_n_
4 实验结果与分析
研制的激光准直仪的实物照片如图 5 所示，其中激光测量头中的两个微调机构分别调 节出射光线的俯仰与偏摆角，靶镜上两个微调机构则调节从角锥棱镜反射回来的光线两个 方向的位移，四个调节机构组合起来可以精确将反射光线与四象限光电接收器对中。
50 0
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 -50 光电 比 较 仪 读 数 (um )
-100 -150 -200 -250
图 6 激光准直仪与光电比较仪的对比结果
激光器出射的光束稳定性是影响准直仪准直精度的一个主要因素，本论文采用了一体
化半导体激光单模光纤组件，极大提高其出射光线的稳定性，并能长期保持出射光功率的
更详细的分析与计算，整个系统的程序框图如图 4 所示。
初始化
设置 LCD
键盘扫描
输入自检采样 间隔、点数
采样
计算∆ x和∆ y
存储、显示 样点
NO 是否满足 测点数
输入测量编号
输入测量采样 点数
输入编号
显示各测点 数据
测点采样
计算∆ x和∆ y
存储、显示 样点
NO 是否满足 测点数
与PC机通信
图 4 信号处理软件流程图
稳定。如图 7 所示为激光准直仪开机稳定 10 分钟后，在 1 米处得到 X、Y 两个方向 35 分
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钟内的激光漂移情况，X、Y 方向的最大漂移量分别为 2.4μm，1.0μm。 图 8 为将本激光准直仪与 MJS 双频激光干涉仪对同一模拟导轨进行直线度误差测量的
激光漂移(um )
7 6.5
6 5.5
5 4.5
4 3.5
3 2.5
2 1.5
1 0.5
0 0
5
10
15
20
25
30
35
时间(M inute)
菜单方式进行各项操作。断电后能保存数据的串行EEPROM存储器保存活动测头在各测点时
的位移值，供显示测量结果用，并可以通过串行接口传送到PC机，以便长期保存和进一步
分析与计算。实际上，经过图 3 所示的信号处理，最后分别得到激光光斑中心相对于四象
限中心在X、Y两个方向的偏移量为：
(V +V )− (V +V )
图 1 基于单模光纤半导体激光组件的准直仪的测量原理图
如图 1 所示为基于半导体激光光纤组件的激光准直仪的测量原理示意图，测量基准为 半导体激光光纤组件发出的激光光束。采用一体化的半导体激光光纤组件作为激光发生 器，可提高其发射的激光光束的时间和空间稳定性,使用角锥棱镜可实现移动测量头的无 电缆连接，给现场测量带来极大的方便。
Abstract A simple laser collimation system based on a single-mode fiber-coupled laser module was put forward, principle of using a corner retroreflector as the moving target in the laser collimator was discussed in this paper. The hardware and software design of the system was also discussed. Comparison results of straightness measurement between our laser collimator and a dual frequency laser interferometer and other experimental results were given, and these experimental results show that the laser collimator can be used for industrial applications. Key words Laser collimator, Sing-mode fiber-coupled laser module, Straightness measurement, Quadrant photo-diode detector
A Simple Laser Collimator Based on A Single-mode Fiber-Coupled Laser Module
Feng Qibo Liu Yizhen Zhang Bin Cui Jianying (School of Science, Northern Jiaotong University, Beijing 100044)
入射光线
(x, y) (∆x, ∆y) (0,0)
原出射光线
(− x,− y)
新出射光线
图 2 出射光线与角锥棱镜位移之间的关系示意图
如图 2 所示为入射光线在角锥棱镜中的坐标变换情形。设激光垂直入射角锥棱镜，经 过三个反射面反射后，从角锥棱镜射出。根据角锥棱镜的特性，在不考虑棱镜角度误差的 条件下，以棱镜顶点为坐标原点，物向量与像向量存在如下关系式：
⎜⎛
x'
new
⎟⎞
⎜⎛ −
x
old
+ ∆x ⎟⎞
⎜ y' ⎟ = ⎜ − y + ∆y ⎟
(3)
⎜⎜⎝
new
z'
new
⎟⎟⎠
⎜⎜⎝
old
−z
old
⎟⎟⎠
然后再按式(1)及(2)将出射光线坐标变换到原坐标系，得到:
⎜⎛ x ' ⎟⎞ ⎜⎛ − x old + 2∆x ⎟⎞
⎜y
⎜ ⎝
z
' '
⎟ ⎟ ⎠
=
图 7 1m 距离下激光准直仪在 X、Y 两个方向的漂移情况
直线度误差(um)
70 60
50 40
30 20
10
0
-10 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
1
1.1 1.2 1.3 1.4
-20
-30 -40
-50 -60
-70 -80
-90
-100 -110
距离(m)
移动后的角锥棱镜顶点为新坐标系的原点，则新坐标系与旧坐标系之间的关系为：
⎜⎛ x new ⎟⎞ ⎜⎛ x old ⎟⎞ ⎜⎛ ∆x ⎟⎞
⎜y
⎜⎜⎝
z
new new
⎟ ⎟⎟⎠
= ⎜y
⎜⎜⎝
z
old old
⎟ − ⎜ ∆y ⎟⎟⎠ ⎜⎝ 0
⎟ ⎟⎠
(2)
由式(1)可得当角锥棱镜在 X 和 Y 方向分别存在移动 ∆x和∆y ，出射光线在新坐标系中 的位置为:
将本激光准直仪与光电比较仪进行逐点比较，得到的实验结果如图 6 所示。光电比较
(a) 测量主机
(b) 激光测量头与靶镜
图 5 激光准直仪
仪的测量灵敏度为 0.05µm，50mm 范围的测量误差小于 0.5µm。以此为依据可以采用线性化 处理手段来扩大四象限的测量范围，提高准直仪的测量精度。
准 直 仪 读 数 (um) 250 200 150 100
⎜⎛ X ' ⎟⎞ ⎜⎛ −1 0 0 ⎟⎞⎜⎛ X ⎟⎞ ⎜ Y ' ⎟ = ⎜ 0 −1 0 ⎟⎜ Y ⎟
(1)
⎜ ⎝
Z
'
⎟ ⎠
⎜⎝ 0
0 −1⎟⎠⎜⎝ Z ⎟⎠
当角锥棱镜在 X 和 Y 方向分别存在移动 ∆x和∆y ，在保持入射光线不变的情况下，以
_中__国__科__技__论__文__在__线_____________________________________________w_w_w_._p_a_p_e_r_._e_d_u_._c_n_
_中__国__科__技__论__文__在__线_____________________________________________w_w_w_._p_a_p_e_r_._e_d_u_._c_n_
2 测量原理
6
3
7
1 2
5 4
8
1 半导体激光光纤组件, 2 光纤固定器, 3 准直透镜, 4 四象限光电接收器, 5 信号处理器, 6 测量头, 7 角锥棱镜, 8 活动头
y=K A B
C
D
( ) y V +V +V +V
A
B
C
D
（6）
A1
A2 AB DC
A3
A4
(A+D)-(B+C) -+A 5
(A+B)-(C+D) -+A 6
A/D 电路
键盘
W78E58 单片机
-+A 7 A+B+C+D
EEPROM
图 3 激光准直仪信号处理框图
LCD 显示器
式中：V 、V 、V 、V 分别为四象限光电接收器四个象限的电压输出， K 、K 分别
A
B
C
D
x
y
为常数，通过标定来得到。
信号系统主要完成以下测量功能：⑴准直仪稳定度的测量，即将激光准直仪的活动测
量头固定不动，以一定时间间隔采样，记录并显示样点数据，观察这些数据的变化情况，
确定仪器整体的稳定度；⑵ 直线度测量与显示，即当活动测量头沿工件移动时，测量各
点在 x 和 y 方向的位移变化值，处理得到直线度；⑶ 将测量数据传送到 PC 机，以便进行
⎜ ⎜⎜⎝
−
y
old
−z
+ 2∆y
old
⎟ ⎟⎟⎠
(4)
说明出射光线的移动量与角锥棱镜的移动量之间存在 2 倍的线性关系。根据此特性将 角锥棱镜作为位置敏感元件，可进行直线度测量或其它形位误差的测量，其测量灵敏度提 高了一倍。
3 激光准直仪设计
如图 3 所示为激光准直仪的信号处理硬件原理框图。运算放大器A1—A4将四象限光电 接收器得到的光电流信号转换为电压信号，A5—A7完成对其进行加减法运算。采用程序存 储器较大的W78E58 型单片机，点阵式LCD显示器，显示测量结果，并与键盘配合采用下拉
图 8 激光准直仪与双频激光干涉仪测量直线度的对比结果
对比实验结果，可以看出两台仪器对导轨直线度的测量结果一致程度很好，造成部分偏差 的主要原因是在导轨上不能将两种测量装置的移动测量头完全放在同一位置。
5结 论
通过实验表明，采用半导体激光单模光纤组件作为激光准直仪的发射光源，可提高激 光光束的稳定性，同时大大减少激光测量头的体积，便于现场使用，同时也会减少激光产 生的热源对准直的影响；将角锥棱镜作为激光准直的活动靶镜,虽然测量光线延长 1 倍，