CN110702037A - 基于激光自混合干涉的角度测量方法及所用测量装置 - Google Patents

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张宝峰
许虹虹
朱均超
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Abstract

一种基于激光自混合干涉的角度测量方法，将激光器输出的平行激光束作为入射光经准直透镜垂直入射到旋转物体表面的反射镜上，在旋转过程中入射光经反射镜反射后产生的反射光返回至激光器的谐振腔内且在激光器腔内发生激光自混合干涉形成自混合干涉信号，封装在谐振腔内的光电探测器接收此信号，并将其转化为电流信号，再将此电流信号以波形数据输出；利用激光自混合干涉条纹计数法测量出外腔长度进一步计数处理采集的波形数据，得到位移信息，并根据激光三角法，得到外腔长度的变化量和角度之间的关系，即可得到目标物体在Z轴方向偏转的角度。该方法能够在高精度的条件下实现角度测量，从而拓展基于激光自混合干涉的角度测量方法的应用。

Description

基于激光自混合干涉的角度测量方法及所用测量装置
技术领域
本发明涉及光学角度测量技术领域，具体涉及一种基于激光自混合干涉的角度测量方法及所用测量装置。
背景技术
光学角度测量技术是精密测量研究的重要组成部分，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各个领域。高精度光学角度测量技术成为非常重要的一部分，它的特点在于小范围内测量精度要求极高。
目前常用的光学角度测量方法主要有全内反射法和光学自准直法，这两种方法有各自的特点及应用局限性。
1、全内反射法其原理是通过分析光束发生全发反射时s(Shear) 光和p(Pressure)光的相位随入射角的变化实现角度测量。由于入射角发生全反射临界范围小，所以全内反射法适用于测量微小角度。
2、光学自准直法角度测量原理是利用分光棱镜将两束激光分开，由两个探测器分别检测出两个维度上光点偏离中心的距离，既而求出二维偏转角的角度值。但是，这种测量方法误差大，常用于光路准直。
近年来，基于激光自混合原理的激光干涉角度测量技术逐渐成为角度测量技术的研究热点。激光自混合干涉测角法是指激光器的输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器谐振腔内调制激光器的输出功率，从而引起激光器输出功率发生变化的现象，也称激光回馈现象。通过分析激光器输出功率的变化，可以得到外部物体的信息，激光器既是光源，也是探测器。因此，相对于传统的激光干涉法角度测量技术，基于激光自混合原理的角度测量技术因其单光路设计、结构简单、紧凑、易准直等优点逐渐成为激光干涉角度测量技术的重要研究方向。
该方法目前广泛应用于位移、距离、速度、角度和振动等参数测量，对于军事、微机电系统、精密加工、高精度检测等领域多参数的同时测量具有极其重要的意义和作用。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于激光自混合干涉的角度测量方法，该方法能够在高精度的条件下实现角度测量，从而拓展基于激光自混合干涉的角度测量方法的应用。
本发明的目的还在于提供一种实现上述方法所用的测量装置。
如上构思，本发明的技术方案是：一种基于激光自混合干涉的角度测量方法，将激光器输出的平行激光束作为入射光经准直透镜垂直入射到旋转物体表面的反射镜上，在旋转过程中入射光经反射镜反射后产生的反射光返回至激光器的谐振腔内且在激光器腔内发生激光自混合干涉形成自混合干涉信号，封装在谐振腔内的光电探测器接收此信号，并将其转化为电流信号，再将此电流信号以波形数据输出；利用激光自混合干涉条纹计数法测量出外腔长度进一步计数处理采集的波形数据，得到位移信息，并根据激光三角法，得到外腔长度的变化量和角度之间的关系，即可得到目标物体在Z轴方向偏转的角度。
所述一种基于激光自混合干涉的角度测量方法所用的测量装置，包括激光器、信号调制电路和计算机；所述激光器谐振腔内封装有光电探测器、激光光源和准直透镜，所述光电探测器与信号调制电路连接，信号调制电路与计算机连接；所述激光光源形成入射光束通过准直透镜垂直入射到被测物体表面的反射镜上，经反射后反射回激光器谐振腔内，并由封装在激光器谐振腔内的光电检测器接收。
所述信号调制电路由信号放大电路、信号调制电路和电流电压转换电路依次连接组成。
所述激光器采用波长为785纳米的半导体激光器。
所述激光器连接有温度控制器。
所述激光光源连接有LD调制电路。
本发明具有如些优点和积极效果：
1、本发明是将被测物体的角度变化转化为反馈光的光程变化，并且使得入射到被测物体表面(反射镜)的入射光线偏离被测物体的角度旋转中心，以保证反馈光的光程随被测物体的角度按近似线性变化，并且入射光线偏离角度旋转中心越远，反馈光的光程随角度变化就越大，自混合干涉条纹也就越密。
2、本发明利用条纹计数提高测量精度，为了便于条纹计数，采用弱回馈方式，使得激光器自混合干涉条纹为近余弦波形状。
3、本发明装置相对于传统激光干涉法测角系统，结构简单、紧凑，测量精度更高。
附图说明
图1是本发明基于激光自混合干涉的角度测量方法的原理图；
图2是三镜腔模型示意图；
图3是角度测量原理图；
图4是根据图3测量装置实测到的电压幅值随角度变化的条纹波形，图4中(a)为逆时针方向的条纹波形图，(b)为顺时针方向的条纹波形图；
图5是本发明方法所用测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明图1所示：一种基于激光自混合干涉的角度测量方法，将两个激光光源1输出的两道平行激光束作为入射光分别经准直透镜3 垂直入射到被测旋转物体11表面两端的反射镜12、13上，在旋转过程中两束入射光经反射镜反射后产生的反射光返回至激光器的谐振腔内且在激光器腔内发生激光自混合干涉形成自混合干涉信号，由封装在谐振腔内的光电探测器2接收此信号，并将其转化为电流信号，再将此电流信号以波形数据输出；利用激光自混合干涉条纹计数法测量出外腔长度进一步计数处理采集的波形数据，得到位移信息，并根据激光三角法，即可得到外腔长度的变化量和角度之间的关系，得到目标物体在Z轴方向偏转的角度。
当旋转角度增大时，反馈光可能偏离出激光腔，此时干涉条纹的幅度接近零，因此当干涉条纹的幅度接近零时所对应的角度，即为所能测量的最大角度，激光器离反馈光反射镜越近，测量系统所能测量的最大角度就越大。
本发明图2所示：根据三镜腔等效模型分析自混合干涉理论，可得其数字模型如下:称为相位条件。其中：α为线宽增益因子。arctanα为相邻两个位移方向改变点之间包含的自混合干涉条纹数。C为光反馈水平因子，τ为光波往返外腔一次所需的时间，τ＝2L/c，L为外腔长度，c为光速。
Figure RE-GDA0002293004530000042
和
Figure RE-GDA0002293004530000043
分别为LD有光反馈和无光反馈情况下光相位。
Figure RE-GDA0002293004530000044
称为功率方程。P和P0分别为有外腔和无外腔情况下激光器的输出功率。
Figure RE-GDA0002293004530000045
称为干涉函数。表现为外腔光相位对激光器输出功率的影响。m为调制系数，一般为10-3。
根据图2所示，假设位移量为x，得到外腔长度:L＝L0±x其中L0为初始外腔长度，即被测目标静止时，激光器内腔外壁M2到被测面的距离。由干涉函数得到F(ωτ+2π)＝F(ωτ)可知，F(ωτ)是一个周期函数，周期为2π，即当ωτ变化2π时，产生一个干涉条纹。这里的λ0为激光器的工作波长。
因为
Figure RE-GDA0002293004530000046
所以当L变化
Figure RE-GDA0002293004530000047
时，有
Figure RE-GDA0002293004530000048
可知，当角度测量系统的外腔长度变化λ0/2时，对应输出信号波形变化一个条纹。
本发明图3所示角度测量原理，激光光源1发出两道激光光束，在旋转过程中反射回来的光束产生干涉，利用激光自混合干涉条纹计数法测量出外腔长度的变化量AA′和BB′。调节两道激光光束分别与初始面AB垂直。已知A点与B点的垂直距离，根据几何关系，得到外腔长度的变化量AA′、BB′和角度θZ之间的关系:
Figure RE-GDA0002293004530000051
故可推出目标物体在Z轴方向偏转的角度θZ。
本发明图4所示为实测到的电压幅值随角度变化的条纹波形。图中，曲线倾斜表示转台转动的方向，通过条纹计数可以得到外腔长度的变化量，即可计算出被测物体的旋转角度。图4中(a)为逆时针方向的条纹波形图，(b)为顺时针方向的条纹波形图。
考虑透镜的初始位置，可以进一步得到光程差：
Figure RE-GDA0002293004530000052
式中:N为条纹数目；“±”为旋转方向，与干涉条纹的倾斜方向有关。
本发明图5所示，一种基于激光自混合干涉角度测量方法所用的测量装置，该装置包括激光器、信号调制电路和计算机；所述激光器谐振腔内封装有光电探测器2、激光光源1和准直透镜3，所述光电探测器2与信号调制电路连接，信号调制电路与计算机9连接；所述激光光源1输出入射光束通过准直透镜3垂直入射到被测物体11表面的反射镜12、13上，经反射后反射回激光器谐振腔内形成弱回馈方式，并由封装在激光器谐振腔内的光电检测器2接收。激光束距离被测物体的垂直距离为12cm，反射镜距被测物旋转中心的距离为5.9cm。光电探测器2将光信号转化为电信号后再经信号信号调制电路处理后由示波器采集，计算机9主要完成测量信号的数据采分析和旋转平台步进电机驱动器10的控制等功能。
所述信号调制电路由信号放大电路6、信号调制电路7和电流电压转换电路8依次连接组成。
所述激光器采用波长为785纳米的半导体激光器。
所述激光器连接有温度控制器5。
所述激光光源连接有LD调制电路4。
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 (6)

1.一种基于激光自混合干涉的角度测量方法，其特征在于：将激光器输出的平行激光束作为入射光经准直透镜垂直入射到旋转物体表面的反射镜上，在旋转过程中入射光经反射镜反射后产生的反射光返回至激光器的谐振腔内且在激光器腔内发生激光自混合干涉形成自混合干涉信号，封装在谐振腔内的光电探测器接收此信号，并将其转化为电流信号，再将此电流信号以波形数据输出；利用激光自混合干涉条纹计数法测量出外腔长度进一步计数处理采集的波形数据，得到位移信息，并根据激光三角法，得到外腔长度的变化量和角度之间的关系，即可得到目标物体在Z轴方向偏转的角度。
2.一种根据权利要求1所述的基于激光自混合干涉的角度测量方法所用的测量装置，其特征在于：包括激光器、信号调制电路和计算机；所述激光器谐振腔内封装有光电探测器、激光光源和准直透镜，所述光电探测器与信号调制电路连接，信号调制电路与计算机连接；所述激光光源形成入射光束通过准直透镜垂直入射到被测物体表面的反射镜上，经反射后反射回激光器谐振腔内，并由封装在激光器谐振腔内的光电检测器接收。
3.根据权利要求2所述的基于激光自混合干涉的角度测量方法所用的测量装置，其特征在于：所述信号调制电路由信号放大电路、信号调制电路和电流电压转换电路依次连接组成。
4.根据权利要求2所述的基于激光自混合干涉的角度测量方法所用的测量装置，其特征在于：所述激光器采用波长为785纳米的半导体激光器。
5.根据权利要求2所述的基于激光自混合干涉的角度测量方法所用的测量装置，其特征在于：所述激光器连接有温度控制器。
6.根据权利要求2所述的基于激光自混合干涉的角度测量方法所用的测量装置，其特征在于：所述激光光源连接有LD调制电路。
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