CN105698710A - 一种动态角度测量装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态角度智能测量装置，其包括基准模块和测量模块。基准模块包括激光源、起偏器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜以及第三反射镜，该模块还包括位于消偏振分光棱镜的垂直光路上的四分之一波片、检偏器以及光电传感器。第一反射镜与偏振分光棱镜的出射光路成45°角设置，第二反射镜与偏振分光棱镜的出射光路成90°角设置，第三反射镜与第一反射镜的垂直光路成90°角设置。测量模块包括位于偏振分光棱镜出射光路与第二反射镜光路之间的第一直角棱镜，位于第一反射镜垂直光路与第三反射镜光路间第二直角棱镜。本发明可实现动态角度智能测量，提高了测量效率和精度。

Description

一种动态角度测量装置及其应用

技术领域

本发明属于动态角度测量领域，更具体地，涉及一种动态角度测量装置。

背景技术

目前，动态角度测量方法有很多。一类是非激光类的角度测量方法，这类测量方法，如自准直仪测量法和水平仪测量法，其测量过程简单，成本低，但不能实现智能动态测量，测量精度低，多用于测量精度要求不是很高的场合。另一类是基于激光的角度测量方法，利用激光具有能量密度高，发散小等卓越性能。

激光类的角度测量方法按照检测原理大致可分为振幅测量型和相位测量型。振幅测量型是以激光束为直线基准的测量方法，实现简单，但是测量精度不高。相位测量型基于激光干涉技术实现角度测量，如安捷伦HP5529系列和雷立绍激光干涉仪系列等。激光干涉方法精度高，但系统装调复杂，使用不便，且对测量对象环境要求很高，因而不适合动态角度的智能测量。

因此，需要开发一种结构简单、使用方便的动态角度智能测量装置。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可以对动态角度进行智能测量的动态角度测量装置，通过将测量模块整体设置在待测量动态角度的对象上，从而能毫无偏差地反映了待测量对象角度的变化，再通过将基准模块固定在待测量动态角度对象外部，该基准模块出射的激光经测量模块后返回，从而能精确测量动态角度变化。本发明装置可实现动态角度高效精确的测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种动态角度智能测量装置，其特征在于，其包括基准模块和测量模块，

所述测量模块包括相互并列设置的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述测量模块用于设置在待测量动态角度的对象上以随之同步转动；

所述基准模块设置在待测量动态角度的对象外部，其包括用于提供激光的激光源，依次排列在所述激光源的出射光路上的起偏器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜以及第一反射镜，还包括依次位于所述消偏振分光棱镜垂直光路上的四分之一波片、检偏器以及光电传感器，其还包括位于所述偏振分光棱镜和第一直角棱镜之间的第二反射镜以及位于所述第一反射镜和第二直角棱镜之间的第三反射镜。

以上发明构思中，起偏器用于将所述激光输出光矢量与纸面成45°角的线偏振光；消偏振分光棱镜用于将所述线偏振光透过到偏振分光棱镜；偏振分光棱镜用于将透过所述消偏振分光棱镜的线偏振光分成光矢量垂直于纸面的线偏振光和光矢量平行于纸面的线偏振光，并将光矢量垂直于纸面的线偏振光反射到所述测量模块中的第一直角棱镜，第一直角棱镜将所述光矢量垂直于纸面的线偏振光经两次反射到第二反射镜，第二反射镜与所述第一直角棱镜斜面平行，并将所述光矢量垂直于纸面的线偏振光沿原路经第一直角棱镜反射回偏振分光棱镜；第一反射镜与所述偏振分光棱镜的出射光路成45°角放置，并将所述光矢量平行于纸面的线偏振光反射到测量模块中的第二直角棱镜，第二直角棱镜将所述光矢量平行于纸面的线偏振光经两次反射到第三反射镜，第三反射镜与所述第二直角棱镜斜面平行，并将所述光矢量平行于纸面的线偏振光沿原路经第二直角棱镜和第一反射镜三次反射回所述偏振分光棱镜；两光矢量方向相互垂直的线偏振光透过所述偏振分光棱镜经所述消偏振分光棱镜反射到四分之一波片上，四分之一波片用于将所述两线偏振光合成圆偏振光，检偏器用于圆偏振光分解到同一方向发生干涉，产生干涉条纹；当测量模块用于设置在待测量动态角度的对象上以随之同步转动，所述移动干涉条纹也随之移动，光电传感器用于将所述干涉条纹进行计数、计算，并获得动态角度变化值。

进一步的，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜形状和结构相同。

进一步的，所述第一直角棱镜和第二直角棱镜固定连接为一体。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明中，测量模块固定在待测量动态角度的对象上，随所述待测量动态角度对象一起转动，能实时反应出动态角度的变化，基准模块上具有提供测量所需激光的激光源、起偏器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜以及多个反射镜，能将激光引导至测量模块上再引导回基准模块的光电传感器上，从而测量出动态角度。其测量方式简单，填补了动态角度测量上的空白，同时极大的提高了测量效率，角度分辨率可达0.01μrad。

附图说明

图1是本发明实施例提供的动态角度智能测量装置的光路图；

图2是本发明实施例提供的动态角度智能测量装置的测量原理示意图；

图3是本发明实施例提供的动态角度智能测量装置中测量模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的动态角度智能测量装置中基准模块的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同的零件或者部件，其中

1-激光源2-起偏器3-消偏振分光棱镜

4-偏振分光棱镜5-第一反射镜6-第二反射镜

7-第三反射镜8-四分之一波片9-检偏器

10-光电传感器11-第一直角棱镜12-第二直角棱镜

A-基准模块B-测量模块

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1示出了本发明提供的动态角度智能测量装置的光路图，由图可知，工作台动态角度智能测量装置包括基准模块A和测量模块B；基准模块A使用时固定在被测对象外；测量模块B使用时放在被测对象上并随被测对象一起转动。

其中，所述基准模块A包括：用于提供激光的激光源1，依次排列在所述激光源的出射光路上的起偏器2、消偏振分光棱镜3、偏振分光棱镜4以及第一反射镜5，还包括分别位于偏振分光棱镜4和第一反射镜5下方的第二反射镜6和第三反射镜7，还包括位于消偏振分光棱镜3的垂直光路上的四分之一波片8、检偏器9、光电传感器10。测量模块B包括：位于偏振分光棱镜4和第二反射镜6之间的第一直角棱镜11、以及位于第一反射镜5和第三反射镜7之间的第二直角棱镜12。

具体的，起偏器2用于将所述激光输出光矢量转变成为与纸面成45°角的线偏振光；消偏振分光棱镜3用于将所述线偏振光透过到偏振分光棱镜4；偏振分光棱镜4将透过所述消偏振分光棱镜3的线偏振光分成光矢量垂直于纸面的线偏振光和光矢量平行于纸面的线偏振光，并将光矢量垂直于纸面的线偏振光反射到所述测量模块B中的第一直角棱镜11，第一直角棱镜11将所述光矢量垂直于纸面的线偏振光经两次反射到第二反射镜6，第二反射镜6与所述第一直角棱镜11斜面平行，并将所述光矢量垂直于纸面的线偏振光沿原路经第一直角棱镜11两次反射回偏振分光棱镜4；第一反射镜5与所述偏振分光棱镜4的出射光路成45°角放置，并将所述光矢量平行于纸面的线偏振光反射到测量模块B中的第二直角棱镜12，第二直角棱镜12将所述光矢量平行于纸面的线偏振光经两次反射到第三反射镜7，第三反射镜7与所述第二直角棱镜12斜面平行，并将所述光矢量平行于纸面的线偏振光沿原路经第二直角棱镜12和第一反射镜5三次反射回所述偏振分光棱镜4；两光矢量方向相互垂直的线偏振光透过所述偏振分光棱镜4经所述消偏振分光棱镜3反射到四分之一波片8上，四分之一波片8用于将所述两线偏振光合成圆偏振光，检偏器9用于圆偏振光分解到同一方向发生干涉，产生干涉条纹；当测量模块用于设置在待测量动态角度的对象上以随之同步转动，所述干涉条纹也随之移动，光电传感器10用于将所述移动干涉条纹进行计数、计算，并获得动态角度变化值。

其中，第二反射镜6和第三反射镜7可用其他光学器件组成的激光倍频光路代替，第一直角棱镜11和第二直角棱镜12可以用其他类型棱镜，消偏振分光棱镜3和偏振分光棱镜4均可以用其他类型分光镜代替等。

在本发明一个实施例中，如图2所示，在测量过程中，测量模块B固定在被测对象上并一起转动，导致测量模块B发生偏转，偏转角为θ，两线偏振光光程差发生改变，如图2所示，光程差Δl为

$\mathrm{\Δl}=2[(\stackrel{\‾}{\mathrm{GH}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{HI}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{IJ}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{JK}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{KM}})-(\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{BC}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{CD}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{DE}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{EF}})]$

由于测量模块B发生偏转导致进入第一直角棱镜11和第二直角棱镜12的线偏振光入射角也变为θ，线偏振光在第一直角棱镜11和第二直角棱镜12斜边上发生折射，折射角为r，第一直角棱镜11和第二直角棱镜12的直角边长均为p，两线偏振光在第一直角棱镜11和第二直角棱镜12的光程分别为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{HI}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{IJ}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{JK}}=\frac{\sqrt{2}\mathrm{pn}}{\cos r}$

n为直角棱镜的折射率，r为折射角，p₁、p₂以及p分别为图2中标记P₁、P₂以及P对应的大小，满足p₁+p₂＝p。

由上述两式可得，两线偏振光在第一直角棱镜11和第二直角棱镜12的光程始终相等，不因测量模块B偏转角改变而发生变化。

基准模块A固定在工作台外，其中的偏振分光棱镜4和第一直角棱镜5之间的位置不变，第一反射镜6和第二反射镜7之间的位置也不变，设偏振分光棱镜4和第一直角棱镜11的距离为d，第一反射镜5和第二反射镜12距离为d’,两距离均为常数，有

$\stackrel{\‾}{\mathrm{GH}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{AB}}=d\tan \mathrm{\θ},\stackrel{\‾}{\mathrm{MK}}-\stackrel{\‾}{\mathrm{EF}}=d^{\′}\tan \mathrm{\θ}$

则光程差为：

Δl＝2(d+d')tanθ

由光路工作原理可以知道两线偏振光经过第一直角棱镜11和第二直角棱镜12反射到第二反射镜6和第三反射镜7上，再反射回来，等于光程差放大了一倍，即光学倍频。所以，此时对应的干涉条纹移动数ΔK为：

$\mathrm{\Δ}K=\frac{2\mathrm{\Δ}l}{{\mathrm{\λ}}_0}=\frac{4(d+d^{\′})tan\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\λ}}_0}$

由于转动瞬间角度变化很小，可认为θ≈tanθ测得的动态角度值为

$\mathrm{\θ}\≈tan\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\ΔK\λ}}_0}{2\mathrm{\Δ}l}=\frac{{\mathrm{\ΔK\λ}}_0}{4(d+d^{\′})}$

譬如激光源1波长为λ＝633nm，在此装置中d＝d’＝100mm，不加细分和倍频角度分辨率为则可以达到0.01μrad的分辨率；若采用辅助光电信号的电子细分，可以达到更高的分辨率。

光电传感器10输出动态角度测得的结果，由此，就可以实现动态角度智能测量。

图3和图4分别为基准模块A和测量模块B的结构示意图。基准模块A和测量模块B通过偏振分光棱镜4和第一反射镜5分别与第一直角棱镜11和第二直角棱镜12对齐形成完整的测量光路。

采用本发明提供的测量装置可实现动态角度的智能测量，同时极大的提高了测量效率，便于智能补偿，角度误差分辨率可达0.01μrad，并具有装调简单、受环境影响小等特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种动态角度测量装置，其特征在于，其包括基准模块(A)和测量模块(B)，

所述测量模块(B)包括相互并列设置的第一直角棱镜(11)和第二直角棱镜(12)，所述测量模块(B)用于设置在待测量动态角度的对象上以随之同步转动；

所述基准模块(A)设置在待测量动态角度的对象外部，其包括用于提供激光的激光源(1)，依次排列在所述激光源的出射光路上的起偏器(2)、消偏振分光棱镜(3)、偏振分光棱镜(4)以及第一反射镜(5)，还包括依次位于所述消偏振分光棱镜(3)垂直光路上的四分之一波片(8)、检偏器(9)以及光电传感器(10)，其还包括位于所述偏振分光棱镜(4)和第一直角棱镜(11)之间的第二反射镜(6)以及位于所述第一反射镜(5)和第二直角棱镜(12)之间的第三反射镜(7)。

2.如权利要求1所述的一种动态角度测量装置，其特征在于，所述第一直角棱镜(11)和第二直角棱镜(12)形状和结构相同。

3.如权利要求1或2所述的一种动态角度测量装置，其特征在于，所述第一直角棱镜(11)和第二直角棱镜(12)固定连接为一体。

4.如权利要求1-3之一所述装置在测量动态角度中的应用。