CN102226690A - 高精度小角度测量的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度小角度测量的方法和装置，该方法包括：对准直处理后得到的基准光束偏振分光得到第一线偏振光，再转换为圆偏振光并扩束后入射到测量靶镜上，由靶镜反射的检测光束逆向返回，进行缩束和再次转换，得到第二线偏振光，对第二线偏振光再次偏振分光后，将其分为光强之比为1∶1的反射光与透射光，两束光分别入射到两个棱镜上进行反射，反射后的光信号分别被两个探测器接收并处理。该装置包括：由光源、单模光纤、准直透镜、偏振分光器和λ/4波片组成的激光发射单元、扩束透镜单元、测量靶镜单元和由分光器、两个棱镜和两个探测器组成的差分探测单元。本发明兼具超高精度和大测量范围的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种非接触高精度小角度测量方法和装置。
背景技术
角度测量是计量科学中的重要组成部分，微小角度测量在航空航天、军事、精密加工制造、高精度检测等诸多领域都具有极其重要的意义。目前常用的小角度测量光学方法主要有：自准直法、光电编码法、圆光栅法、激光干涉法等。各种方法都有自己的优点以及应用的局限性，其中：激光干涉法精度较高，但系统较为复杂与昂贵，而且测量过程中，光束不能被遮挡，否则就要重新开始测量；光学自准直法应用最为广泛，它的系统结构简单，能同时得到二维角度，精度也相对较高，但对于一些超高精度角度测量(角度分辨率为：0.1～0.001arcsec)，这种方法就难以满足。文献[P.S.Huang and J.Ni，Angle measurement based on the internal-reflection effectand the use of right-angle prisms，APPLIED OPTICS，1998，34(22)：4976-4981]与中国专利[专利公告号：CN1257384C]提出一种基于临界角反射测量法，这种方法的优点是分辨力可达0.05arcsec，测量范围为±600arcsec。并且随着反射次数的增加可以进一步将分辨率提高到0.001arcsec，但测量范围急剧下降，大约在100arcsec左右[Shizhou Zhang et al.，Nanoradian anglesensor and in situ self-calibration，APPLIED OPTICS，1998，37(19)：4154-4159]，这就对传感系统的装调带来很大的困难。另外，测量基准本身的波动对测量精度的影响也难以克服。因此，在实际应用中，尤其在要求测量分辨率高且具有一定的测量范围的小角度测量中，具有很大的局限性。
发明内容
本发明提供了一种高精度小角度测量的方法和装置，兼具超高精度和大测量范围的优点，并且能克服测量基准本身的波动给测量精度带来的影响。
一种高精度小角度测量的方法，包括以下步骤：
(1)将激光器发出的激光通过单模光纤与准直透镜准直，得到一个空间稳定的基准光束；
(2)将所述的基准光束通过一个偏振分光器偏振分光后，出射第一线偏振光；所述的第一线偏振光透过一个λ/4波片转换为圆偏振光；所述的λ/4波片的快轴方向与所述的第一线偏振光的偏振方向夹角为45°；
(3)将所述的圆偏振光通过一组扩束透镜单元进行扩束，再入射到测量靶镜上，经所述的测量靶镜反射，使光束逆向返回，先通过所述的扩束透镜单元，再透过所述的λ/4波片，得到第二线偏振光，所述的第二线偏振光的偏振方向相对于所述的第一线偏振光的偏振方向旋转了90°，所述的第二线偏振光通过所述的偏振分光器后出射；
(4)步骤(3)中所述的偏振分光器的出射光束通过放置在所述出射光束光路上的分光器后，一分为二，得到反射光与透射光，所述的反射光与透射光的光强之比为1∶1；
所述的反射光入射到第一棱镜上，所述的第一棱镜将光线反射第一探测器上；所述的透射光入射到第二棱镜上，所述的第二棱镜将光线反射第二探测器上；
(5)将所述的第一探测器和第二探测器得到的信号进行差分处理，计算得到所述的测量靶镜的角度变化与信号之间的对应关系。
其中，所述的扩束透镜单元由两凸透镜组成，两凸透镜焦距之比为扩束的倍数。所述的扩束透镜单元使得通过的光束的空间稳定性提升，达到更高的精度。
其中，所述的测量靶镜为平面反射镜，优选为金属膜反射镜，以保证入射光与反射光偏振状态一致。
其中，所述的反射光在所述的第一棱镜的入射角接近全反射临界角，所述的透射光在所述的第二棱镜的入射角接近全反射临界角。
本发明还提供了一种用于实现所述的高精度小角度测量方法的装置，包括：激光发射单元、扩束透镜单元、差分探测单元和测量靶镜单元，其中，
所述的激光发射单元包括：光源、单模光纤、准直透镜、偏振分光器和λ/4波片；其中，所述的光源、单模光纤和准直透镜，用于产生入射工作光束，并对所述的入射工作光束进行准直得到基准光束，所述的偏振分光器用于对所述的基准光束进行偏振分光得到第一线偏振光，所述的λ/4波片用于将所述的第一线偏振光转换为圆偏振光；所述的λ/4波片还用于接收由所述的测量靶镜单元反射回来并逆向通过所述的扩束透镜单元后的检测光束，并将其转换为第二线偏振光，所述的第二线偏振光的偏振方向相对于所述的第一线偏振光的偏振方向旋转了90°；所述的偏振分光器还用于通过所述的第二线偏振光并得到出射光束；所述的光源、单模光纤、准直透镜和偏振分光器位于所述的入射工作光束的光路上，所述的λ/4波片位于所述的第一线偏振光的光路上，所述的λ/4波片的快轴方向与所述的第一线偏振光的振动方向夹角为45°；
所述的扩束透镜单元用于对所述的圆偏振光进行扩束，所述的扩束透镜单元位于所述的圆偏振光的光路上；
所述的测量靶镜单元，用于对扩束后入射到其上的光线进行反射，得到检测光束；所述的测量靶镜单元位于所述的扩束后光线的出射光路上；
所述的差分探测单元由分光器、两个棱镜和两个探测器组成，其中，所述的分光器用于对所述的出射光束进行分光，得到光强之比为1∶1的反射光与透射光；所述的两个棱镜用于分别将所述的反射光与透射光进行反射，得到反射后的两束光信号；所述的两个探测器用于接收所述的两束光信号并进行差分处理，计算得到测量靶镜的角度变化与信号之间的对应关系；所述的差分探测单元位于所述的出射光束的光路上。
其中，所述的光源可以为通用的产生准直激光的光源，优选使用激光器。
其中，所述的扩束透镜单元由两凸透镜组成，两凸透镜焦距之比为扩束的倍数。根据需要选择不同的扩束倍率，可以得到不同的精度。
其中，所述的测量靶镜单元为平面反射镜，优选为金属膜反射镜，以保证入射光与反射光偏振状态一致。
其中，所述的探测器可以为现有技术中能进行光信号探测的任何器件与装置，优选为功率探测器。
其中，所述的两个棱镜的光线入射角度为全反射临界角附近。
优选的技术方案中，所述的出射光束的光路上还设有缩束透镜单元，所述的缩束透镜单元位于所述的差分探测单元之前，所述的出射光束经由所述的缩束透镜单元后，再进入所述的差分探测单元。
所述的缩束透镜单元由两凸透镜组成，两凸透镜焦距之比为缩束的倍率。
本发明的工作原理如下：
将激光器出射的激光，通过单模光纤滤去其高阶模式，再由准直透镜进行准直，得到一束基准光束。而后，通过一个偏振分光器对基准光束进行偏振分光，其中第一线偏振光透过一个λ/4波片，λ/4波片的快轴方向与第一线偏振光的偏振方向夹角为45°，由晶体双折射理论得到第一线偏振光变为圆偏振光。圆偏振光由扩束透镜单元对其进行扩束，由几何光学理论可知，扩束后的光束直径会变为原基准光束直径的n倍(n为组成扩束透镜单元的两透镜的焦距之比)，当基准光束由于光源以及环境原因变化一个微小角度时，由于扩束透镜的扩束作用，扩束后的角度变化会变为原角度变化的1/n倍，大大减少了光源波动的影响。然后，高稳定性的光束(即扩束后的光束)入射到测量靶镜上后，经测量靶镜反射，得到检测光束。检测光束逆向返回扩束透镜单元，此时扩束透镜单元将检测光束的直径进行压缩。由几何光学理论可知，由于测量靶镜旋转产生的微小角度偏移经扩束透镜作用后将变为原来的n倍，提高了系统的测量灵敏度。经扩束透镜组压缩后的检测光束再透过λ/4波片，圆偏振光变为第二线偏振光，偏振方向相对于第一线偏振光的偏振方向旋转了90°。第二线偏振光通过偏振分光器后，出射光束再经过分光器分光，得到等比例光强的两束(反射光与透射光)，并分别以接近全反射临界角的入射角入射到两个棱镜上，由全反射原理可知，当入射角处于全反射临界角附近位置时，反射率会随着入射角的微小改变发生剧烈变化。然后再由探测器接收光信号做差分处理，即可得到与微小角度偏移相对应的高精度关系。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)采用本发明方法和装置得到的高分辨率是不以牺牲测量范围为代价的，因此，本发明既具有高分辨率，又具有相对较大的测量范围。
(2)采用扩束透镜单元提高了测量基准光束的稳定性，这是系统测量精度的前提条件，而现有技术往往难以实现这一点。
(3)采用本发明方法和装置得到的可以解决扩大测量范围与提高测量分辨率这一对矛盾问题，有利于实际应用。
(4)本发明装置具有体积小，结构简单、稳定性高等特点，更有利于实际应用。
附图说明
图1为本发明的高精度小角度测量装置的第一种实施方式的示意图。
图2为本发明中所使用的扩束透镜单元示意图。
图3为本发明中所使用全内反射差分探测测量角度原理图。
图4为S偏振光和P偏振光在全反射临界角附近的反射率模拟结果。
图5为在棱镜内进行多次反射差分探测测量角度示意图。
图6为在全反射临界角附近进行多次反射的反射率模拟结果。
图7为本发明的高精度小角度测量装置的第二种实施方式的示意图。
图8为本发明的高精度小角度测量装置的第三种实施方式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例一：
如图1所示的一种高精度小角度测量的装置40，包括：激光发射单元10、扩束透镜单元20、差分探测单元30、测量靶镜单元50。
激光发射单元10包括：激光器11、单模光纤12、准直透镜13、偏振分光器14和λ/4波片15。其中，激光器11产生入射工作光束，单模光纤12滤去其高阶模式，准直透镜13对该工作光束进行准直得到基准光束，偏振分光器14对该基准光束进行偏振分光得到第一线偏振光(此处选择反射光即S偏振光为第一线偏振光)，λ/4波片15将第一线偏振光转换为圆偏振光。激光器11、单模光纤12、准直透镜13和偏振分光器14位于工作光束的光路上，λ/4波片15位于第一线偏振光的光路上，λ/4波片15的快轴方向与第一线偏振光的偏振方向夹角为45°。
扩束透镜单元20包括：第一凸透镜21和第二凸透镜22，如图2所示，第一凸透镜21和第二凸透镜22的焦距分别为f1和f2，圆偏振光通过第一凸透镜21和第二凸透镜22后，光束直径扩大。扩束透镜单元20位于该圆偏振光的光路上。
测量靶镜单元50是金属膜平面反射镜，其对扩束后入射到其上的光线进行反射，得到检测光束；该检测光束逆向返回，先经过扩束透镜单元20、再通过λ/4波片15转换为第二线偏振光(即为P偏振光)，第二线偏振光的偏振方向相对于所述的第一线偏振光的偏振方向旋转了90°；最后第二线偏振光通过(此处为直接透过)偏振分光器14得到出射光束；测量靶镜单元50位于由扩束透镜单元20进行扩束后光线的出射光路上；
差分探测单元30包括：分光器31，第一棱镜32、第二棱镜33，第一探测器34和第二探测器35。分光器31对上述的出射光束进行分光，得到光强之比为1∶1的反射光与透射光，第一棱镜32和第二棱镜33分别对上述的反射光与透射光进行反射，得到两束光信号，再分别由第一探测器34和第二探测器35接收并进行差分处理，从而计算得到测量靶镜的角度变化与信号之间的对应关系；差分探测单元30位于上述出射光束的光路上。
第一棱镜32和第二棱镜33的光线入射角度为全反射临界角附近。第一探测器34和第二探测器35采用功率探测器。
上述装置进行高精度小角度测量的工作原理如下：
经过扩束后的工作光束提供了一个超高空间稳定性的基准光束，当测量靶镜单元50相对于基准光束(入射光)有一个小角度Δθ的变动，则反射光束变动为θ1，且
θ1＝2Δθ
反射光束透过扩束透镜单元20，由于此时是逆向透过扩束透镜单元20，因此光束的直径是缩小，且缩小的比例为f1/f2(凸透镜22、21的焦距分别为f1和f2，如图2所示)。更重要一点是，此时经过扩束透镜单元20的光束角度也发生了变化，出射光角度变化为θ2，且
θ2＝(f1/f2)θ1＝2(f1/f2)Δθ
这相当于对测量靶镜单元50变动角度Δθ放大了2(f1/f2)倍，此时，入射到差分探测单元30的光束如图3所示(如图3中的虚线所示)，测量光束已经有θ2变化。假设入射到棱镜(第一棱镜32、第二棱镜33)上的初始角度为θ0，θ0为全反射临界状态附近角度。经过分光器31分光和第一棱镜32、第二棱镜33的反射，很容易得到入射到第一棱镜32上的入射角变为(θ0+θ2)，而入射到第二棱镜33上的入射角变为(θ0-θ2)。由于θ0本身就处于全反射临界角附近，由图4所示，对于P偏振光在全反射临界角附近的反射率是变化急剧的。因此，在第一探测器34上得到的光强I1是增加，而在第二探测器35上得到的光强I2是减小。设两探测器的光电转换效率都为k1，则：
V1＝k1I1，V2＝k1I2
通过外差法求得信号电压差为：
ΔV＝V1-V2＝k1(I1-I2)
而这个电压差又是角度变化θ2的函数f(θ2)，当考虑小角度变化时，此函数与θ2有线性关系如下：
f(θ2)＝k2θ2
其中k2为线性比例系数，因此，由以上分析我们可以得到
k1(I1-I2)＝2k2(f1/f2)Δθ
即
其中
一旦系统确定，可以通过标定确定常数k。
从Δθ与ΔV的关系表达式可以看出，当k值减小时，对应可探测的Δθ的最小值在减小，也就相当于测量系统的分辨率在提高。因此，系统测量分辨率的提高其实就是减小k。
减小k的途径有两种，其中一种是增大k2，由于k2大小与入射到棱镜上初始入射角θ0以及在棱镜内发生反射的次数有关，如图4所示，初始入射角θ0在全反射临界角附近时反射率变化急剧，相应地反射信号电压差也增加，当如图5所示在棱镜(即图中第一棱镜36、第二棱镜37)内发生多次反射时，反射率变化如图6所示随着反射次数增加而增加，同样，相应地反射信号电压差也增加。因此，可以通过增大θ0以趋近于全反射临界角和增加反射次数的手段来提高分辨率，但这都是以牺牲测量范围为代价，也就是说，要提高分辨率就必定缩小了测量范围。这样，在实际测量中需要根据测量范围权衡测量分辨率的选择。
减小k的另一种途径是增大f1/f2，随着f1/f2的增加，k值是在减小，也就是对应可探测的Δθ的最小值在减小，也就相当于测量系统的分辨率在提高。因此，扩束透镜单元20的引入，有两个优点：
(1)使工作光束的稳定性提高f1/f2倍；
(2)使系统测量的分辨率提高f1/f2倍，且此方法分辨率的提高不以牺牲测量范围为代价，而是对被测量角度进行光学放大。
因此，本发明使用的扩束透镜组单元20提高系统测量分辨率，而且还避免了测量范围随测量精度提升而减小的缺陷。
实施例二：
如图7所示的第二种高精度小角度测量的装置，与图1所示的相似，其区别就在于，第一线偏振光选择透射光即P偏振光，P偏振光直接透过偏振分光器14，光路不发生改变，这样，激光器11、单模光纤12、准直透镜13、偏振分光器14和λ/4波片15均位于入射工作光束的光路上，λ/4波片15的快轴方向与第一线偏振光的偏振方向夹角为45°。由于扩束透镜单元20位于λ/4波片15转换后得到的圆偏振光的光路上，测量靶镜单元50位于由扩束透镜单元20进行扩束后光线的出射光路上，这样，扩束透镜单元20和测量靶镜单元50均与λ/4波片15位于同轴光路上。
第一线偏振光选择透射光即P偏振光，则第二线偏振光为反射光即S偏振光。第二线偏振光通过偏振分光器14，其出射光束为反射光束，差分探测单元30位于偏振分光器14的该反射光束的出射光路上。
由图4可知，S偏振光在全反射临界角附近的反射率变化并没有P偏振光变化剧烈，但是其变化范围更广。即第一线偏振光选择为P偏振时，测量范围更广。所以，在更注重于测量范围的实际应用中可以选择本装置。
实施例三：
如图8所示的第三种高精度小角度测量的装置，与图1所示的相似，其区别就在于，还包括缩束透镜单元60。缩束透镜单元60与差分探测单元30依次位于偏振分光器14出射光束的光路上，出射光束先经由缩束透镜单元60后，再进入差分探测单元30。
缩束透镜单元60由第三凸透镜62和第四凸透镜61组成，根据实际测量需要可以选择合适焦距比(即缩小倍率)。
为了提高工作光束稳定性和提高分辨率，在实际应用中，通常要求扩束透镜单元20的放大倍率尽可能大。而随着扩束透镜单元20的放大倍率的增加，工作光束的直径也随之增加，因此要求测量靶镜单元50的面积也随之增大，这样会带来诸多不便。而采用如图7所示的高精度小角度测量的装置，则不必将扩束透镜单元20的放大倍数设置过大，在扩束透镜单元20选择合适的放大倍率下，也可进一步提高测量分辨率。其原理如下：
当测量靶镜单元50相对于基准光束(入射光)有一个小角度Δθ的变动，则反射光束变动为θ1，且
θ2＝2Δθ
此时经过扩束透镜单元20的光束角度也发生了变化，出射光角度变化为θ2，且
θ2＝(f1/f2)θ1＝2(f1/f2)Δθ
再通过缩束透镜单元60进行压缩，经过缩束透镜组60的光束角度也发生了变化，出射光角度变化为θ3且
θ3＝(f3f1/f4f2)θ1＝2(f3f1/f4f2)Δθ
其中f3为第三凸透镜62焦距，f4为第四凸透镜61焦距。这相当于对测量靶镜单元50变动角度Δθ放大了f3f1/f4f2倍。入射到差分探测单元30的光束已经有θ3变化，此时，探测器测出的信号，将会有更好的灵敏度。这样在不减小测量范围条件下，进一步提高了测量分辨率。
Claims (10)
1.一种高精度小角度测量的方法，包括以下步骤：
(1)将激光器发出的激光通过单模光纤与准直透镜准直，得到一个空间稳定的基准光束；
(2)将所述的基准光束通过一个偏振分光器偏振分光后，出射第一线偏振光；所述的第一线偏振光透过一个λ/4波片转换为圆偏振光；所述的λ/4波片的快轴方向与所述的第一线偏振光的偏振方向夹角为45°；
(3)将所述的圆偏振光通过一组扩束透镜单元进行扩束，再入射到测量靶镜上，经所述的测量靶镜反射，使光束逆向返回，先通过所述的扩束透镜单元，再透过所述的λ/4波片，得到第二线偏振光，所述的第二线偏振光的偏振方向相对于所述的第一线偏振光的偏振方向旋转了90°，所述的第二线偏振光通过所述的偏振分光器后出射；
(4)步骤(3)中所述的偏振分光器的出射光束通过设置在所述出射光束的光路上的分光器后，一分为二，得到反射光与透射光，所述的反射光与透射光的光强之比为1∶1；
所述的反射光入射到第一棱镜上，所述的第一棱镜将光线反射第一探测器上；所述的透射光入射到第二棱镜上，所述的第二棱镜将光线反射第二探测器上；
(5)将所述的第一探测器和第二探测器得到的信号进行差分处理，计算得到所述的测量靶镜的角度变化与信号之间的对应关系。
2.如权利要求1所述的高精度小角度测量的方法，其特征在于，所述的扩束透镜单元由两凸透镜组成，两凸透镜焦距之比为扩束的倍数。
3.如权利要求1所述的高精度小角度测量的方法，其特征在于，所述的测量靶镜为金属膜平面反射镜。
4.如权利要求1所述的高精度小角度测量的方法，其特征在于，所述的反射光在所述的第一棱镜的入射角接近全反射临界角，所述的透射光在所述的第二棱镜的入射角接近全反射临界角。
5.一种用于实现如权利要求1～4任一所述的高精度小角度测量方法的装置，其特征在于，包括：激光发射单元、扩束透镜单元、差分探测单元和测量靶镜单元，其中，
所述的激光发射单元包括：光源、单模光纤、准直透镜、偏振分光器和λ/4波片；其中，所述的光源、单模光纤和准直透镜，用于产生入射工作光束，并对所述的入射工作光束进行准直得到基准光束；所述的偏振分光器用于对所述的基准光束进行偏振分光得到第一线偏振光，所述的λ/4波片用于将所述的第一线偏振光转换为圆偏振光；所述的λ/4波片还用于接收由所述的测量靶镜单元反射回来并逆向通过所述的扩束透镜单元后的检测光束，并将其转换为第二线偏振光，所述的第二线偏振光的偏振方向相对于所述的第一线偏振光的偏振方向旋转了90°；所述的偏振分光器还用于通过所述的第二线偏振光并得到出射光束；所述的光源、单模光纤、准直透镜和偏振分光器位于所述的入射工作光束的光路上，所述的λ/4波片位于所述的第一线偏振光的光路上，所述的λ/4波片的快轴方向与所述的第一线偏振光的偏振方向夹角为45°；
所述的扩束透镜单元用于对所述的圆偏振光进行扩束，所述的扩束透镜单元位于所述的圆偏振光的光路上；
所述的测量靶镜单元，用于对扩束后入射到其上的光线进行反射，得到检测光束；所述的测量靶镜单元位于所述的扩束后光线的出射光路上；
所述的差分探测单元由分光器、两个棱镜和两个探测器组成，其中，所述的分光器用于对所述的出射光束进行分光，得到光强之比为1∶1的反射光与透射光；所述的两个棱镜用于分别将所述的反射光与透射光进行反射，得到反射后的两束光信号；所述的两个探测器用于接收所述的两束光信号并进行差分处理，计算得到测量靶镜的角度变化与信号之间的对应关系；所述的差分探测单元位于所述的出射光束的光路上。
6.如权利要求5所述的高精度小角度测量方法的装置，其特征在于，所述的扩束透镜单元由两凸透镜组成，两凸透镜焦距之比为扩束的倍数。
7.如权利要求5所述的高精度小角度测量方法的装置，其特征在于，所述的测量靶镜单元为金属膜平面反射镜。
8.如权利要求5所述的高精度小角度测量方法的装置，其特征在于，所述的两个棱镜的光线入射角度为全反射临界角附近。
9.如权利要求5所述的高精度小角度测量方法的装置，其特征在于，所述的出射光束的光路上还设有缩束透镜单元，所述的缩束透镜单元位于所述的差分探测单元之前，所述的出射光束经由所述的缩束透镜单元后，再进入所述的差分探测单元。
10.如权利要求9所述的高精度小角度测量方法的装置，其特征在于，所述的缩束透镜单元由两凸透镜组成，两凸透镜焦距之比为缩束的倍率。
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