CN104330053A - 微角度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于自混合干涉的微角度测量方法及装置，该微角度测量装置包括激光光源、对激光光源输出光束进行自混合处理的自混合处理单元、对自混合处理单元输出的自混合信号进行转换的光电探测单元，以及接收电流信号的信号接收单元。其中，所述自混合处理单元包括可转动的直角棱镜以及反射单元，该微角度测量方法及装置可测量较大的角度范围。

Description

微角度测量方法及装置

【技术领域】

本发明涉及一种微角度测量方法及装置，尤其涉及一种基于自混合干涉的微角度测量方法及装置。

【背景技术】

角度测量技术是计量科学的重要组成部分，随着生产和科学的不断发展，角度测量技术越来越广泛地被应用于机械、光学、航空、航天、军事等各个领域。其中，微角度测量是角度测量技术中一个非常重要的部分，它的特点是测量范围更小，测量精度较高。

根据角度测量的基本原理，角度测量方法主要包括机械测量方法、电磁测量方法以及现代光学测量方法。其中，机械、电磁测量方法自身的特点在于主要采用手工测量，不易实现自动化，手工测量导致测量精度受到极大限制。

自从激光技术出现以后，较高测量精度的光学测量方法受到人们重视，并逐渐得到广泛应用，如光学准直、微电子机械系统(MEMS)、原子力显微镜成像以及精密机械加工等。

目前，常用的光学测量方法有自准直方法、全内反射法、环形激光器法以及激光干涉法。其中最广泛应用的是激光干涉测角法，该方法通过测量参考光束和测量光束之间的干涉条纹的改变量，即将角度变化转化为长度变化来进行测量，进而实现对微角度更高精度的测量。

基于激光干涉的传统测角方法虽然测量精度高，但干涉装置较笨重、复杂、且不易准直。与这些传统干涉方法相比，激光自混合干涉技术则具有紧凑性、鲁棒性和低成本等特点，更适用于角度测量。激光自混合干涉技术是指激光器输出的激光遇到外界反馈物体后，其中一部分光会被反射或者散射回激光腔内，与激光腔内的光混合后发生干涉，使输出光功率发生变化，从而实现对反馈物体运动情况进行测量。激光自混合干涉技术被广泛应用于多种场合，其中包括对目标物位移、速度、振动以及距离的测量，其单一光路特性能够保证需要的测量装置相对于传统干涉测量装置尺寸更小、可靠性更高。目前，基于自混合干涉的微角度测量方法主要利用旋转平面镜进行测量，当外腔平面镜旋转导致反馈光程每改变半个波长，输出激光光功率改变一个条纹，根据条纹数目可测得被测角度。然而，一旦平面镜的待测旋转角度稍大时，反馈回激光器的光会大幅度减少甚至消失，导致无法观察到自混合现象。此外，即使在微小角度测量范围下，产生一定的信号强度调制，也无法准确判断出该信号是来源于角度改变引起的自混合信号，还是来源于反馈光引起的光强变化。同时，利用该测量方法所得出的外腔长度变化量与光束的入射点有关，而入射点的微小变动均会对实验结果造成明显的影响。

根据上述分析可知，以上三个原因都会直接影响激光自混合实验的测量精度、灵敏度以及测量范围等。

因此，有必要提供一种改进的微角度测量方法及装置，以克服上述缺陷。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种可扩大角度测量范围、提高测量精度和灵敏度的微角度测量方法及装置。

为实现上述目的，本发明微角度测量方法采用如下技术方案：一种微角度测量方法，包括以下步骤：提供激光光源；提供分束镜，使上述激光光源至少形成第一光束；提供自混合处理单元，对第一光束进行折射、反射后自混合产生第二光束；提供光电转换单元，将第二光束转化为电流信号；提供信号接收单元，将上述电流信号以波形数据输出。

为进一步实现上述目的，本发明提供自混合处理单元的步骤中，所述激光光源依次经过可转动的直角棱镜进行折射、再经过反射单元进行反射后回由原路返回到激光光源内，从而形成自混合的第二光束。

为进一步实现上述目的，本发明所述自混合处理单元提供可转动的直角棱镜，该可转动的直角棱镜提供待测的旋转角度，第一光束的入射角度等于该旋转角度。

为进一步实现上述目的，本发明所述第一光束以任意角入射到可转动的直角棱镜表面，经过两次反射后，再从可转动的直角棱镜的同一面射出，且入射光平行于出射光。

为进一步实现上述目的，本发明提供分束镜之前，所述激光光源的出射光束经过光阑处理。

为进一步实现上述目的，本发明所述第一光束进入直角棱镜之前，经过另一光阑处理。

与现有技术相比，本发明微角度测量方法具有如下有益效果：通过自混合处理单元对第一光束进行折射、反射后自混合产生稳定的自混合信号，从而可以获得较大的角度测量范围。

为实现上述目的，本发明微角度测量装置采用如下技术方案：一种微角度测量装置，包括：激光光源、对激光光源所产生的出射光束进行自混合处理的自混合处理单元、对自混合处理单元输出的自混合信号进行转换的光电探测单元以及接收电流信号的信号接收单元；所述自混合处理单元包括可转动的直角棱镜以及反射单元。

为进一步实现上述目的，本发明中所述微角度测量装置还包括对激光光源出射光束进行分离的分束镜。

为进一步实现上述目的，本发明中所述可转动的直角棱镜的入射光平行于出射光。

为进一步实现上述目的，本发明中所述可转动的直角棱镜的出射光照射在反射单元上。

为进一步实现上述目的，本发明中所述反射单元的输出光经过可转动的直角棱镜再反射回所述激光光源内进行自混合。

与现有技术相比，本发明微角度测量装置具有如下有益效果：通过可转动的直角棱镜、反射单元使得反馈光始终沿原路返回到激光光源内，保证了反馈光强度的恒定，这样就可以有效扩大测量角度的范围，提高激光自混合角度测量的精度和灵敏度。

【附图说明】

图1为本发明微角度测量装置的结构示意图；

图2为未旋转时可转动的直角棱镜在原始位置的光路变化示意图；

图3为旋转过程中可转动的直角棱镜在位置改变后的光路变化示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

请参考图1所示，本发明微角度测量装置包括激光光源1、光阑2、分束镜3、光电探测器4、信号接收单元5、光阑6、可转动的直角棱镜7、反射面8，本实施方式中，所述微角度测量装置是一种基于自混合干涉的微角度测量系统。

激光腔内的激光光源1的出射光束通过第一个光阑2后，被分束镜3分成两束光，其中一束光经第二个光阑6和可转动的直角棱镜7后，被反射面8反射后又重新反馈回激光腔内，从而形成自混合信号。激光光源1的出射光束以任意角入射到可转动的直角棱镜7表面的光束在其内部经过两次反射后，从可转动的直角棱镜7的同一面出射，其中入射光ME平行于出射光FN。另外一束光，也就是经过自混合信号产生的第二束光，被光电探测器4接收并转换为电流信号，该电流信号被信号接收单元5接收，进而可以获得关于测量角度的信息。反馈光始终沿原路返回到激光光源，保证了反馈光强度的恒定。在反馈光强度恒定的前提下，可有效扩大测量角度的范围，进而提高了实验结果的精度和灵敏度。

所述激光光源1可由半导体激光器、气体激光器、或者固体激光器提供。

所述信号接收单元5可采用示波器、频率计数器、频谱仪或数据采集卡获取数据。具体而言，示波器获取干涉条纹的数据；频率计数器获取干涉条纹对应的频率数据；频谱仪获取干涉条纹对应的频率数据；数据采集卡获取干涉条纹的数据。

所述可转动的直角棱镜7可以采用不同尺寸，通过调整可转动的直角棱镜的尺寸大小，即可实现改变待测的角度范围。

请参考图2及图3所示，当可转动的直角棱镜7位于原始位置时，也就是可转动的直角棱镜未旋转时，入射光ME垂直入射在可转动的直角棱镜7的表面，根据可转动的直角棱镜的特性，出射光FN平行于入射光ME。当可转动的直角棱镜7在测量过程中旋转一定角度θ后，入射光ME的入射角度由垂直发生偏转，但此时的出射光FN仍平行于入射光ME。从图中可以看出，由于出射光FN、入射光ME相互平行，根据平行线的性质，角度FBJ等于需要测量的旋转角度θ，根据三角形的内角和定理，入射光ME的入射角度等于旋转角度θ可知，此时外腔长度变化量与入射点无关，即使入射点变动，也不会对实验结果产生影响。

为便于依照下列公式(1)～(5)计算，定义如下：

ρ是直角棱镜直角边的边长，h₁为光束进入棱镜前的光程，h₂为光束射出棱镜后到反射面的光程，h₃为光束在棱镜中的光程，那么可设AC＝q₁，OC＝q₂,AO＝BO＝ρ,EM＝h₁,FN＝h₂,EC+CD+DF＝h₃。

通过理论分析可以得出，计算所需测量角度θ的大小需要测量h₁，h₂和h₃的长度。而h₁，h₂和h₃的长度分别可由正弦定理采用以下公式(1)～(3)计算得出：

$h_1=h-\frac{\sqrt{2}}{2}[\mathrm{\ρ}(\cos \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\θ})+\frac{q_1(\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\γ})\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\γ}}]---\left(1\right)$

$h_2=h-\frac{\sqrt{2}}{2}\{\mathrm{\ρ}(\cos \mathrm{\θ}+\sin \mathrm{\θ})-\frac{[\mathrm{\ρ}(\cos \mathrm{\γ}-\sin \mathrm{\γ})-q_2(\cos \mathrm{\γ}+\sin \mathrm{\γ})]\sin \mathrm{\θ}}{\cos \mathrm{\γ}}\}---\left(2\right)$

因此可知，光程差可以表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{\Δh}=2[(h_1+h_2+n{h}_3)-2h+\sqrt{2}\mathrm{\ρ}-\sqrt{2}\mathrm{n\ρ}]\\ =2\sqrt{2}\mathrm{\ρ}[1-n-\cos \mathrm{\θ}+\sqrt{n^2-{\sin }^2\mathrm{\θ}}]\end{array}---\left(4\right)$

其中，n是棱镜的折射率，θ是旋转角度，也就是入射角，γ是折射角，那么sinθ＝nsinγ。由此可以看出，光程差与入射光进入棱镜的位置无关，仅与直角棱镜直角边的边长ρ、棱镜的折射率n、旋转角度(入射角)相关。

由于自混合输出波形每改变一个条纹对应于外腔反射物改变半个波长，可以得出：

$\mathrm{\Δh}=m\frac{\mathrm{\λ}}{2}---\left(5\right)$

其中m指的是条纹数。测得条纹数m，结合上述其他已知数据，即可得到被测角度θ。

本发明微角度测量方法及装置基于激光自混合干涉，再结合可转动的直角棱镜的设置，结构简单紧凑；通过可转动的直角棱镜以及反射单元进行自混合信号处理，可测量较大的角度范围。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，不应以此限制本发明的范围，即凡是依本发明权利要求书及发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (11)

1.一种微角度测量方法，包括以下步骤：

提供激光光源(1)；

提供分束镜，使上述激光光源(1)至少形成第一光束；

提供自混合处理单元，对第一光束进行折射、反射后自混合产生第二光束；

提供光电转换单元，将第二光束转化为电流信号；

提供信号接收单元，将上述电流信号以波形数据输出。

2.如权利要求1所述的微角度测量方法，其特征在于：提供自混合处理单元的步骤中，所述激光光源(1)依次经过可转动的直角棱镜(7)进行折射、再经过反射单元进行反射回激光光源(1)内，从而形成自混合的第二光束。

3.如权利要求2所述的微角度测量方法，其特征在于：自混合处理单元提供可转动的直角棱镜(7)，该可转动的直角棱镜(7)提供待测的旋转角度，第一光束的入射角度等于该旋转角度。

4.如权利要求2或3所述的微角度测量方法，其特征在于：第一光束以任意角入射到可转动的直角棱镜(7)表面，经过两次反射后，再从可转动的直角棱镜的同一面出射，且入射光平行于出射光。

5.如权利要求1或2或3所述的微角度测量方法，其特征在于：提供分束镜(3)之前，所述激光光源(1)出射光束经过光阑(2)处理。

6.如权利要求4所述的微角度测量方法，其特征在于：所述第一光束进入可转动的直角棱镜(7)之前，经过另一光阑(6)处理。

7.一种微角度测量装置，包括：

激光光源(1)、对激光光源(1)进行自混合处理的自混合处理单元、对自混合处理单元输出的自混合信号进行转换的光电探测单元以及接收电流信号的信号接收单元；

其特征在于：所述自混合处理单元包括可转动的直角棱镜(7)以及反射单元。

8.如权利要求7所述的微角度测量装置，该微角度测量装置还包括对激光光源(1)出射光束进行分离的分束镜(3)。

9.如权利要求7或8所述的微角度测量装置，其特征在于：所述可转动的直角棱镜(1)的入射光平行于出射光。

10.如权利要求9所述的微角度测量装置，其特征在于：所述可转动的直角棱镜(7)的出射光照射在反射单元上。

11.如权利要求10所述的微角度测量装置，其特征在于：所述反射单元的输出光经过可转动的直角棱镜(7)再反射回所述激光光源(1)产生处进行自混合。