CN102175184B - 偏振光栅自参考自准直二维测角装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种偏振光栅自参考自准直二维测角装置，包括照明光源、物光栅、分光镜、物镜、被测面、偏振片、石英晶体、参考光栅、第一及第二偏振分光镜、第一及第二光电探测器，物光栅被物镜成像到无穷远处，经被测面反射后再次被物镜成像到物镜焦面上并与参考光栅重合。在参考光栅之前放置有偏振片和石英晶体，石英晶体使得物光栅像分解为两个偏振方向相互垂直的偏振像。透过参考光栅出射后，偏振像被偏振分光镜分离，通过测量两个偏振光分量的相对光强获得被测面的角度变化。采用不同方向的光栅可以测量不同方向的角位移，实现二维测量。本发明测量精度高，信号稳定性高，抗干扰能力强。

Description

偏振光栅自参考自准直二维测角装置

技术领域

本发明涉及微位移测量技术领域，特别涉及高精度角度测量装置。

背景技术

角度测量通常是将角度的变化量转化为位移的微小变化，因此高精度的微位移测量方法是获得高精度的角度测量的基础与主要方式。光电自准直技术诞生于20世纪40年代，基本原理是用准直的光束照明被测面，被测面形均为反射面，通过测量反射光光斑或反射像的位移，利用三角关系计算得出被测面的面形和角度的变化。光电自准直技术被广泛用于角度测量、导轨平行度测量、台面的平整度测量、精密定位等方面，在精密、超精密定位方面，更有不可替代的作用。

按光电探测器的类型，自准直测角方法可分为四象限探测器型、PSD(位置传感器)以及CCD(电荷耦合器件)型，基本方法均是通过获取被测面反射回来的光束光斑位置通过换算得到角度变化。四象限探测器型是通过比较各个象限光强的大小计算角度变化。PSD由于光电探测精度高于四象限探测器也被用于精密测角系统中。以上两种方法的测量量程主要取决于测量光斑的大小以及物镜的焦距，并且具有明显的非线性特性，特别是PSD，因而难以实现大量程高精度的测量。此外，这两种方法的缺点还包括不能同时进行高精度的二维测量，这是因为光斑形状的不规则性，被测角度在一个方向的变化同样会对另一垂直方向的光电电信号产生影响。得益于微细加工技术的飞速发展，CCD的像素尺寸在不断地缩小，对基于能量探测以及图像探测的精密测量方法，CCD占据着越来越重要的地位。在文献《基于莫尔条纹的自准直测角方法研究》以及中国专利CN200510086412中提及一种通过测量光栅产生的莫尔条纹移动来测量角度的微小变化。作为探测元件，CCD的尺寸是限制该类方法量程的重要因素，实际量程有限。由于受到莫尔条纹本身特性的限制，无法进行二维角度测量。

传统光电式自准直测角方法存在着无法克服的缺点。以上诸多测角方法中，或多或少涉及一些图像处理算法，效率较低，特别对于高频角度变化的测量显得无能为力。由于这些方法都应用传统的非偏振光成像光路，对测量环境的稳定性以及图像的均匀性要求较高。对于工业在线应用和户外测量，这些方法的信号稳定性和抗干扰能力将显著下降，无法进行高精度的测量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明目的是提供信号稳定性高，抗干扰能力强，且测量精度较高的偏振光栅自参考自准直二维测角装置。

为了实现所述目的，本发明偏振光栅自参考自准直二维测角装置的解决技术问题的技术方案包括：照明光源、物光栅、分光镜、物镜、被测面、偏振片、石英晶体、参考光栅、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一光电探测器及第二光电探测器，在照明光源输出的光轴上依序放置物光栅、分光镜、物镜和被测面，在分光镜反射的光路上依序放置偏振片、石英晶体、参考光栅、第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一光电探测器及第二光电探测器；照明光源的光束照明物光栅后通过分光镜被物镜成像于无限远处，物光栅被置于物镜的前焦面上，经被测面反射后再次被物镜成像到物镜的焦面上并与参考光栅重合，在参考光栅之前放置有偏振片和石英晶体，石英晶体产生的双折射使得物光栅的像分解为两组光栅像，第一组光栅像包含两个偏振方向相互垂直的第一个偏振像和第二个偏振像，第二组光栅像包含两个偏振方向相互垂直的第三偏个偏振像和第四个偏振像；第一个偏振像透过参考光栅出射后在第一偏振分光镜的分光面上发生反射而第二个偏振像则不发生反射，透过第一偏振分光镜的分光面后被反射，最终第一个偏振像和第二个偏振像完全分离，采用第一光电探测器分别测量两个偏振光分量的相对光强，从而获得被测面的角度变化；第三偏振像和第四偏振像经过第二偏振分光镜后完全分离，采用第二光电探测器分别测量两个偏振光分量的相对光强，从而获得被测面的角度变化；第一组和第二组光栅像的栅线方向相互垂直，则两组光栅像能分别测量被测面的二维角度变化信息。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明引入石英晶体作为偏振元件形成自参考光路，使得被测面角度变化仅与寻常光与非寻常光的光栅像光强的比值有关，由于两个偏振方向的光栅像共光路，因此光源的稳定性、空气扰动、被测表面的均匀性等对两个偏振光信号的影响相同，不会对信号有影响，信号稳定性好，抗干扰能力强。

(2)本发明采用两组方向相互垂直的光栅，采用不同方向的光栅可以测量不同方向的角位移，能在同一光路实现角度的二维高精度测量，可以达到毫秒级测量精度。

(3)本发明特别适用于高频测角领域。由于不涉及图像处理算法，因而响应频率仅受到探测器响应频率的限制。

附图说明

图1为本发明的偏振光栅自准直测角装置结构示意图；

图2为本发明的偏振光栅成像示意图；

图3为本发明的偏振分光镜的图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示本发明的偏振光栅自准直测角装置结构，图1中包括：照明光源1、物光栅2、分光镜3、物镜4、被测面5、偏振片6、石英晶体7、参考光栅8、第一偏振分光镜9、第二偏振分光镜9’、第一光电探测器10及第二光电探测器10’，在照明光源1输出的光轴上依序放置物光栅2、分光镜3、物镜4和被测面5，在分光镜3反射的光路上依序放置偏振片、石英晶体7、参考光栅8、第一偏振分光镜9、第二偏振分光镜9’、第一光电探测器10及第二光电探测器10’；照明光源1的光束照明物光栅2后通过分光镜3被物镜4成像于无限远处，物光栅2被置于物镜4的前焦面上，经被测面5反射后再次被物镜4成像到物镜4的焦面上并与参考光栅8重合，在参考光栅8之前放置有偏振片和石英晶体7，石英晶体7产生的双折射使得物光栅2的像分解为两组光栅像，第一组光栅像包含两个偏振方向相互垂直的第一个偏振像11和第二个偏振像11’，第二组光栅像包含两个偏振方向相互垂直的第三偏个偏振像12和第四个偏振像12’；第一个偏振像11透过参考光栅8出射后在第一偏振分光镜9的分光面上发生反射而第二个偏振像11’则不发生反射，透过第一偏振分光镜9的分光面后被反射，最终第一个偏振像11和第二个偏振像11’完全分离，采用第一光电探测器10分别测量两个偏振光分量的相对光强，从而获得被测面5的角度变化；第三偏振像和第四偏振像经过第二偏振分光镜9’后完全分离，采用第二光电探测器10’分别测量两个偏振光分量的相对光强，从而获得被测面的角度变化。第一组和第二组光栅像的栅线方向相互垂直，则两组光栅像能分别测量被测面的二维角度变化信息。

分光镜3选用半反半透棱镜3。被测面5可以是被测表面，也可以是标准平面，在前一种情况中，物镜4被固定于平台上测量被测面5的角位移；后一种情况中，标准平面置于减震平台上，而物镜4被置于被测对象上，如导轨等。物光栅2由两组方向相互垂直且周期相等的振幅型线光栅组成，用于测量被测面二维角度变化、倾斜、摆动等。物光栅2被置于物镜4的前焦面上。物光栅2被照明光源1照明后通过分光镜3被物镜4成像于无限远处。

所述物光栅2和参考光栅8由两组栅线方向相互垂直的光栅组成。

所述石英晶体7的光轴与垂直于物镜4光轴的面成45°角并且使得由双折射产生的最大剪切量的方向与物光栅2的两组光栅栅线方向有45°的夹角，石英晶体7的厚度使得寻常光与非寻常光在垂直于参考光栅8栅线的方向分离半个光栅周期的距离，并通过调节偏振片6的透光轴方向使得当被测面5垂直于物镜2的光轴时，从参考光栅8透过的第一个偏振像11和第二偏振像11’强度相等，第三偏振像12和第四偏振像12’强度相等。

物光栅2的像被被测面5反射后再次经过物镜4成像，并正好与物镜4前焦点上的参考光栅8重合。偏振片6和石英晶体7放置于参考光栅8之前，石英晶体7光轴正好与垂直于物镜4光轴的平面成45°角，入射光在石英晶体中发生双折射，使得寻常光和非寻常光在垂直于入射光的方向上发生剪切，最大剪切量的方向与参考光栅的栅线方向有45°的夹角，石英晶体7在垂直于参考光栅8的栅线的方向上的剪切量正好等于参考光栅8周期的一半，如图2所示，图中Go和Ge分别表示寻常光像和非寻常光像，用虚线表示；Gr表示参考光栅8，用实线表示。参考光栅8是占空比为1的振幅型线光栅，因此物光栅2的两个像在参考光栅8上的总光强透过率为二分之一，也即是寻常光像的光强Io和非寻常光像的光强Ie之和。由于物光栅2的两个偏振光栅像的偏振方向相互垂直，寻常光像Go在第一偏振分光镜9(PBS)的分光面上分别只发生反射，而非寻常光像Ge在第一偏振分光镜9(PBS)的光面上只发生透射，如图3所示。透射光经过全反射直角棱镜302反射后与反射光出射方向相同，寻常光像Go和非寻常光像Ge在空间上完全分开。通过比较Io和Ie可以得知被测面5的角度变化，公式在后文详述。

偏振片6的作用是，通过微调透光轴的方向，使得当物光栅2的两个偏振光栅像正好位于参考光栅8的中间位置时，从参考光栅8透过的两个偏振像光强度相等。当偏振光栅像与参考光栅8相对位置不变时，寻常光像的光强Io与非寻常光像Ie的相对值也恒不变。

物光栅2和参考光栅8均由两组方向相互垂直且周期相等，并由栅线方向相互垂直的振幅型线光栅组成，用于测量被测面5不同方向的角位移，参考光栅8仅用于对物光栅2的像的透射光强度调制，不参与成像。第一光电探测器10和第二光电探测器10’分别用于探测这两个方向光栅的偏振像的光强，应用后文所述的公式能够计算出被测面的二维角度变化。例如，设栅线方向分别为x和y方向，如图2所示，当被测面5发生x方向的角度变化时，y方向栅线的光栅的两个偏振像输出光强发生相对变化，通过第一光电探测器10或第二光电探测器10’测量后计算出角度的变化量；同样当被测面5发生y方向的角度变化时，通过第二光电探测器10’测量x方向栅线光栅的偏振光强获得y方向的角度变化。

当被测面5发生角度变化时，反射光随之发生变化，设物镜焦距为f，当被测面5角度变化θ时，反射光转动2θ，根据无限远物体成像公式，偏振光栅像移动距离ΔL时被测面5角度θ变化为：

θ＝1/2arctan(ΔL)，

在图2中，偏振光栅像的位置变化反映为光强的相对变化，根据几何关系，可得：

ΔL＝p|(Io-Ie)|/8(Io+Ie)＝p|1-η|/8(1+η)，

其中p为光栅周期，Io和Ie分别为光电探测器得到的寻常光像的光强Io和非寻常光像的光强Ie，η为两个偏振像光强的比值。从该式中可以看出，光栅像的位移分辨力除了与光栅周期有直接关系外，主要取决于寻常光和非寻常光光强Io和Ie的差值。根据本发明的原理，寻常光像的光强Io和非寻常光像的光强Ie共光路，它们的差值和比值都不容易受到外界环境的影响，因而信号稳定性很好，抗干扰能力强。在本发明的一个具体实施方案中，光栅周期为10微米，第一光电探测器10、第二光电探测器10’为普通的雪崩光电二极管，光强探测分辨率均高于1/100，代入上式得本发明的测量位移分辨率至少为：

ΔL＝p|1-η|/8(1+η)＝10*(1-0.99)/8*(1+0.99)μm≈6.25nm，

根据像移动与角度变化的关系，若取物镜焦距为100mm，则角位移分辨率约为6毫秒角度。当物光栅像在参考光栅8中间位置的两侧时，η恒小于1，故一个光栅周期内，测量量程为p/4。随着偏振光栅像偏离中间位置，总光强值逐渐下降而非周期性变化，因此通过增加光栅周期，即光栅窗口的宽度可以达到增大量程的目的。

第一偏振分光镜9和第二偏振分光镜9’的结构相同，每个偏振分光镜都由偏振分光棱镜301和直角棱镜302组成。自然光通过偏振分光棱镜301的分光面后反射光和透射光为偏振方向相互垂直的线偏振光，而直角棱镜302的斜边与偏振分光棱镜301的分光面平行，透射光被直角棱镜302反射后与反射光的出射方向平行。偏振分光棱镜301是一种按偏振方向决定分光比例的棱镜。在本发明中，调节偏振分光棱镜301的方向使得物光栅2的寻常光像在偏振分光棱镜301上全部发生反射，则非寻常光像必然在分光面上全部透射，从而达到在空间上完全分开这两个偏振像的目的。用直角棱镜302反射非寻常光像后，寻常光和非寻常光像仍然同光路，如图3所示。

本发明提出的方案对于相关领域内的人士是熟知而且容易掌握的，实施方式中给定的任何相关参数是为了更好地说明本发明，相关人士应用时不应仅受限于实施方式中的具体条件而应遵从权利要求中所要求的权利。

Claims (5)

1.一种偏振光栅自参考自准直二维测角装置，特征在于包括：照明光源(1)、物光栅(2)、分光镜(3)、物镜(4)、被测面(5)、偏振片(6)、石英晶体(7)、参考光栅(8)、第一偏振分光镜(9)、第二偏振分光镜(9’)、第一光电探测器(10)及第二光电探测器(10’)；在照明光源(1)输出的光轴上依序放置物光栅(2)、分光镜(3)、物镜(4)和被测面(5)，在分光镜(3)反射的光路上依序放置偏振片(6)、石英晶体(7)、参考光栅(8)、第一偏振分光镜(9)、第二偏振分光镜(9’)、第一光电探测器(10)及第二光电探测器(10’)；照明光源(1)的光束照明物光栅(2)后通过分光镜(3)被物镜(4)成像于无限远处，物光栅(2)被置于物镜(4)的前焦面上，经被测面(5)反射后再次被物镜(4)成像到物镜(4)的焦面上并与参考光栅(8)重合，在参考光栅(8)之前放置有偏振片(6)和石英晶体(7)，石英晶体(7)产生的双折射使得物光栅(2)的像分解为两组光栅像，第一组光栅像包含两个偏振方向相互垂直的第一个偏振像(11)和第二个偏振像(11’)，第二组光栅像包含两个偏振方向相互垂直的第三偏个偏振像(12)和第四个偏振像(12’)；第一个偏振像(11)透过参考光栅(8)出射后在第一偏振分光镜(9)的分光面上发生反射而第二个偏振像(11’)则不发生反射，透过第一偏振分光镜(9)的分光面后被反射，最终第一个偏振像(11)和第二个偏振像(11’)完全分离，采用第一光电探测器(10)分别测量两个偏振光分量的相对光强，从而获得被测面(5)的角度变化；第三偏振像和第四偏振像经过第二偏振分光镜(9’)后完全分离，采用第二光电探测器(10’)分别测量两个偏振光分量的相对光强，从而获得被测面的角度变化；第一组和第二组光栅像的栅线方向相互垂直，则两组光栅像能分别测量被测面的二维角度变化信息。

2.根据权利要求1所述的偏振光栅自参考自准直二维测角装置，其特征在于：所述物光栅(2)和参考光栅(8)由两组栅线方向相互垂直的光栅组成。

3.根据权利要求2所述的偏振光栅自参考自准直二维测角装置，其特征在于：所述石英晶体(7)的光轴与垂直于物镜(4)光轴的面成45°角并且使得由双折射产生的最大剪切量的方向与参考光栅(8)的栅线方向有45°的夹角，石英晶体(7)的厚度使得寻常光与非寻常光在垂直于参考光栅(8)栅线的方向分离半个光栅周期的距离，并通过调节偏振片(6)的透光轴方向使得当被测面(5)垂直于物镜(2)的光轴时，从参考光栅(8)透过的第一个偏振像(11)和第二偏振像(11’)强度相等，第三偏振像(12)和第四偏振像(12’)强度相等。

4.根据权利要求2所述的偏振光栅自参考自准直二维测角装置，其特征在于：所述物光栅(2)与参考光栅(8)的周期相等，并由栅线方向相互垂直的振幅型线光栅组成，用于测量被测面(5)不同方向的角位移，参考光栅(8)仅用于对物光栅(2)的像的透射光强度调制，不参与成像。

5.根据权利要求1所述的偏振光栅自参考自准直二维测角装置，其特征在于：所述第一偏振分光镜(9)和第二偏振分光镜(9’)的结构相同，每个偏振分光镜由偏振分光棱镜(301)和直角棱镜(302)组成；自然光通过偏振分光棱镜(301)的分光面后反射光和透射光为偏振方向相互垂直的线偏振光，而直角棱镜(302)的斜边与偏振分光棱镜(301)的分光面平行，透射光被直角棱镜(302)反射后与由所述偏振分光棱镜(301)的分光面形成的反射光的出射方向平行。

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