CN101033952B - 能判别角度旋转方向的角度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光自混合干涉和表面等离子体共振的能判别角度旋转方向的角度测量方法，包括：在被测物体表面设置一棱镜，一偏振方向平行于入射面的线偏振激光束从用作激光自混合干涉外腔反射镜的棱镜面垂直入射进入棱镜，经镀有金属膜的棱镜面反射后从棱镜射出，再用一光电探测器对出射光强进行探测；通过判断出射激光束的平均光强变化来确定被测物体旋转的方向；通过预先定标好的角度和光强间的对应关系，实现对被测物体旋转角度的测量。其测量装置包括光电探测器、信号采集处理模块、激光器、设置于被测物体表面的棱镜；本发明测量精度高，还可以判别角度的旋转方向。

Description

能判别角度旋转方向的角度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别涉及基于激光自混合干涉和表面等离子体共振的能判别角度旋转方向的角度测量方法及装置。

背景技术

角度测量是计量科学的重要组成部分，角度的测量在航空航天、军事、微机电系统、精密加工、高精度检测等许多领域都具有极其重要的意义和作用。目前常用的角度测量方法主要有：光学自准直法、全内反射法、激光干涉法等。各种装置有各自的特点及应用局限性。自准直法就是在光学上使物体和像分别位于共轭平面上，当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，通过测量像点的移动量便可以求出物体转动的角度。传统激光干涉法是利用测量光束和参考光束的干涉现象，即将角度的变化转换成两束光的光程差变化，从而引起干涉条纹移动，通过测量干涉条纹的移动量，来实现对角度的高精度测量。自准直法原理简单，操作方便，但测量精度较低；传统激光干涉法装置复杂，但测量精度高。

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器内，与激光腔内光相混合后，引起激光器输出功率发生变化的现象，也可称为光回馈，即激光器输出的光反馈自身的谐振腔内。光回馈引起的功率变化输出信号与传统的双光束干涉信号类似，当外部反射物每移动半个激光波长的位移时，激光器输出功率变化一个条纹周期。激光自混合干涉系统仅有一个光学通道，并且可以做到“绝对”测量，相对传统的激光干涉系统，具有结构简单、紧凑、易准直等优点，在许多场合可以代替传统干涉仪。

将被测物体的角度变化转化为回馈光的光程变化，利用激光自混合干涉现象可以实现角度的测量。在被测物体表面设置一反射镜，激光器输出的激光束通过光阑垂直入射到反射镜上，入射光线偏离被测物体的角度旋转中心，激光束经反射镜反射回激光器中，引起激光自混合干涉，激光器的输出功率用一光电探测器进行监测，当被测物体发生角度旋转时，光电探测器监测到的激光器的输出功率将随着角度的变化而变化，角度的变化引起的回馈光的光程每变化半个激光波长，激光器的输出功率变化一个条纹周期，通过预先定标好的角度和输出光功率间的对应关系，实现对被测物体微小旋转角度的测量。但是现有技术中，激光自混合干涉角度测量无法判别角度的方向，为一些实际应用带来不便。

发明内容

本发明的目的在于针对现有激光自混合干涉角度测量方法中，无法判别角度旋转方向的缺陷，提供一种基于激光自混合干涉和表面等离子体共振的能判别角度旋转方向的角度测量方法，测量角度的同时可判别角度的旋转方向。

本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的测量装置。

本发明的一种基于激光自混合干涉和表面等离子体共振的能判别角度旋转方向的角度测量方法，包括

——在被测物体表面设置一棱镜，所述棱镜的一面用作激光自混合干涉回馈激光的外腔反射镜，另一面镀有金属膜；

——激光器输出的一偏振方向平行于入射面的线偏振激光束从用作外腔反射镜的棱镜面垂直入射进入棱镜，经镀有金属膜的棱镜面反射后从棱镜射出，再用一光电探测器对出射光强进行探测；

所述镀有金属膜的棱镜面产生表面等离子体共振效应，将被测物体的旋转角度零参考点设置在表面等离子体共振峰的上升沿或下降沿的中部，被测物体旋转时，激光束入射镀有金属膜的棱镜面的入射角也不断变大或变小，则出射激光束的平均光强也不断变大或变小；

——通过判断出射激光束的平均光强的变化来确定被测物体的旋转方向；

——通过预先定标好的角度和光强间的对应关系，实现对被测物体旋转角度的测量。

本发明实现所述方法的能判别角度旋转方向的角度测量装置，包括光电探测器、信号采集处理模块、激光器、设置于被测物体表面的棱镜，所述棱镜的一面用激光自混合干涉作回馈激光的外腔反射镜，另一面镀有金属膜；激光器输出的偏振方向平行于入射面的线偏振激光束垂直入射到用作回馈激光的外腔反射镜的棱镜面，经镀有金属膜的棱镜面反射后激光束被光电探测器接收，所述光电探测器与信号采集处理模块相连。

所述偏振方向平行于入射面的线偏振激光束可由线偏振激光器直接产生，或由激光器输出激光束再经一线偏振起偏器产生。

所述棱镜为三角棱镜、斜方棱镜或多角棱镜。

为了使光电探测器能更好地接收激光束，作为一种优选方式，所述斜方棱镜可以是单个棱镜，或在一个三角棱镜上叠放着另一个三角棱镜构成一个组合的斜方棱镜，使线偏振激光束经过斜方棱镜反射后出射的方向不随被测物体的旋转而改变，出射的光束经过一个聚光透镜会聚到光电探测器上。

为了使金属膜更好地附着在棱镜上，在棱镜面上先镀一层铬膜，然后再镀一层金属膜。即所述金属膜与棱镜面之间还有一层铬膜。

铬膜的厚度优选1～5nm，金属膜的厚度优选20～100nm。

所述金属膜为金膜、银膜、铝膜等能产生表面等离子体共振效应的其他金属膜。

为了使光电探测器能更好地接收激光束，在光电探测器前方设置一个聚光透镜，激光束通过聚光透镜会聚到光电探测器上。

本发明的方法基于一种表面等离子体共振现象：

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种发生在金属与电介质分界面上的物理光学现象。表面等离子体共振的基本原理如下：按照麦克斯韦方程组，在一定的条件下，可以出现沿着具有负实数介电常数材料(如金属)和正实数介电常数电介质分界面上传播的平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减，把这个沿着分界面传播的电磁波称为表面等离子体波(surface plasma wave，SPW)。在一定条件下，激励产生等离子体波的现象，称之为表面等离子体共振现象。采用如图1所示的棱镜耦合方式在金属膜5和电介质14界面可以激发这种等离子体波。在介电常数较大的棱镜2的斜面镀有一定厚度的金属膜5，一偏振方向平行于入射面的偏振光入射到棱镜2的斜面，在没有出现表面等离子体共振的情况下，入射光大部分被棱镜2斜面反射，通过调整光线在棱镜2斜面的入射角，使得透入金属的光波沿界面方向的波矢分量与界面上的等离子体波的波矢相等，以满足波矢匹配条件，就可以激发等离子体波，此时大部分入射光的能量被耦合到等离子体波中，因而使由棱镜2斜面反射的光强显著下降，形成一反射光强衰减共振峰。共振峰的位置与入射光的入射角及金属膜5表面的电介质折射率有关，共振峰的深度和金属膜5的厚度有关。

一偏振方向平行于入射面的线偏振激光束从用作激光自混合干涉外腔反射镜的棱镜面垂直入射进入棱镜，经镀有金属膜的棱镜面反射后从棱镜射出，再用一光电探测器对出射光强进行探测。由于存在表面等离子体共振效应，将被测物体的旋转角度零参考点设置在表面等离子体共振峰的上升沿或下降沿的中部，随着被测物体向一个方向旋转时，使得激光束入射镀有金属膜的棱镜面的入射角也不断变大或变小，则出射激光束的平均光强也不断变大或变小。这样就可以通过判断出射激光束的平均光强的变化来确定被测物体角度的旋转方向。

如图2，为一表面等离子体共振峰的示意图，平均光强最低的B点为共振峰位置，通过设计棱镜的几何参数，可以使得被测物体的旋转角度零参考点设置在共振峰的上升沿或下降沿的中部，如图2中的C点或A点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：相对现有的激光自混合干涉角度测量系统，可以判别角度的旋转方向。

附图说明

图1是激发表面等离子体波的棱镜耦合方式示意图；

图中，2-棱镜；5-金属膜；14-电介质。

图2是表面等离子体共振峰示意图。

图3本发明装置结构示意图；

图中，1-线偏振激光束；2-棱镜；3-光电探测器；4-信号采集处理模块；5-金属膜；6-被测旋转物体；7-线偏振激光器。

图4本发明方法用于被步进电机驱动的角度的测量装置结构示意图；图中，1-线偏振激光束；2-棱镜；3-光电探测器；4-信号调理电路；5-金属膜；6-被测旋转物体；7-线偏振氦氖激光器；8-小孔光阑；9-棱镜；10-聚光透镜；11-数据采集卡；12-计算机；13-步进电机。

图5是根据图4测量装置实测到的正向旋转时，光强随角度变化的曲线。

具体实施方式

如图3所示，线偏振激光器输出的偏振方向平行于入射面(P偏振)的线偏振激光束1，射入棱镜2中，棱镜2被固定设置在被测旋转物体6上，激光束一部分经棱镜前表面反射回馈到激光腔中进行自混合干涉，另一部分光束入射到棱镜2中镀有金属膜5的界面上，金属膜5的作用是产生表面等离体共振效应；经镀有金属膜5的界面反射的激光束入射到光电探测器3中，光电探测器3输出的电信号，再经信号调理、采集处理模块4分析处理。

实施例

本发明方法可用于测量被步进电机驱动的微小旋转角度的方向及大小。装置的结构示意如图4，一腔长为250毫米、输出功率为3毫瓦、波长为632.8nm的线偏振氦氖激光器7输出P偏振激光束1，经一小孔光阑8入射到一等腰直角棱镜2中。棱镜2的底面先镀有3nm厚的铬，再镀50nm厚的金膜，镀铬的作用是增加金膜在玻璃表面的附着力。棱镜2上再黏合一个与该棱镜相同但没有镀金属膜的棱镜9，此棱镜对固定在旋转台6上。进入棱镜2中的光线先经镀膜的底面反射，由于金膜与空气界面的表面等离子体共振峰入射角约为43.94度，而此时旋转角度零参考点对应的入射角为45度，刚好位于表面等离子体共振峰的上升沿。光束从棱镜9出射后经聚光透镜10射入一光电池光电探测器3中，光电池位于聚光透镜10的焦点处。设置棱镜9和聚光透镜10的作用是，当旋转台旋转时，保证出射光线的出射方向不变并射入光电池中。光电池3将光信号转化为电信号后再经信号调理电路4放大后供数据采集卡11采集，计算机12主要完成测量信号的数据采集和步进电机13的控制等功能。

图5为实测到的当旋转台正向旋转时，光强随角度变化的曲线，图中纵坐标为光电池探测到的光强信号，横坐标为旋转角度值。从图中可明显看出，当正向旋转时，平均光强是上升的；当反向旋转时，平均光强是下降的。因此，通过平均光强的上升或下降，就可以判别角度的旋转方向。通过预先定标好的角度和输出光强信号间的对应关系，实现对被测物体微小旋转角度的测量。

Claims (9)

1.一种能判别角度旋转方向的角度测量方法，其特征在于包括：

——在被测物体表面设置一棱镜，所述棱镜的一面用作激光自混合干涉回馈激光的外腔反射镜，另一面镀有金属膜；

——激光器输出的一偏振方向平行于入射面的线偏振激光束从用作外腔反射镜的棱镜面垂直入射进入棱镜，经镀有金属膜的棱镜面反射后从棱镜射出，再用一光电探测器对出射光强进行探测；

所述镀有金属膜的棱镜面产生表面等离子体共振效应，将被测物体的旋转角度零参考点设置在表面等离子体共振峰的上升沿的中部或下降沿的中部，被测物体旋转时，激光束入射镀有金属膜的棱镜面的入射角也不断变大或变小，则出射激光束的平均光强也不断变大或变小；

——通过判断出射激光束的平均光强的变化来确定被测物体的旋转方向；

——通过预先定标好的角度和出射激光束的平均光强间的对应关系，实现对被测物体旋转角度的测量。

2.实现权利要求1所述方法的能判别角度旋转方向的角度测量装置，其特征在于包括光电探测器、信号采集处理模块、激光器、设置于被测物体表面的棱镜，所述棱镜的一面用作激光自混合干涉回馈激光的外腔反射镜，另一面镀有金属膜；激光器输出的偏振方向平行于入射面的线偏振激光束垂直入射到用作回馈激光的外腔反射镜的棱镜面，经镀有金属膜的棱镜面反射后激光束被光电探测器接收，所述光电探测器与信号采集处理模块相连。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述偏振方向平行于入射面的线偏振激光束由线偏振激光器直接产生，或由激光器输出激光束再经一线偏振起偏器产生。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于所述棱镜为三角棱镜、斜方棱镜或多角棱镜。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述斜方棱镜是单个棱镜，或是在一个三角棱镜上叠放着另一个三角棱镜构成的一个组合斜方棱镜，使线偏振激光束经过斜方棱镜反射后出射的方向不随被测物体的旋转而改变，出射的光束经过一个聚光透镜会聚到光电探测器上。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于所述金属膜为金膜、银膜或铝膜。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于所述金属膜与棱镜面之间还有一层铬膜。

8.根据权利要求7述的装置，其特征在于所述铬膜的厚度为1～5nm，所述金属膜的厚度为20～100nm。

9.根据权利要求2所述的装置，其特征在于还包括一个聚光透镜，所述聚光透镜在光电探测器前方，激光束通过聚光透镜会聚到光电探测器上。

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