CN114894124B - 一种干涉式角度测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于角度测量领域，具体涉及一种干涉式角度测量系统及测量方法。包括棱柱反射镜和第一检测模组，所述棱柱反射镜用于与被测物品连接，所述第一检测模组设置于所述棱柱反射镜外部；所述第一检测模组包括，激光器，所述激光器用于发出测量激光；激光分散单元，所述激光分散单元与所述激光器对应设置，用于将所述激光器发出的单束激光分散为两束激光，并引导两束激光照射至棱柱反射镜；透镜，所述透镜用于接收所述棱柱反射镜反射出的两束激光，并将两束激光聚焦至干涉分析单元；干涉分析单元，干涉分析单元用于分析干涉状态变化。本发明提供一种干涉式角度测量系统及测量方法，其目的在于解决现有的角度测量方法无法达到高精度测量的问题。

Description

一种干涉式角度测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于角度测量领域，具体涉及一种干涉式角度测量系统及测量方法。

背景技术

目前，在进行高精度角度测量时，常常会采用光栅作为高精度角度测量的测量元件。但是在现有技术中，光栅精度会受限于光栅刻线密度以及刻线精度。因此，将使用光栅运用到一些要求极高的角度测量场景中时，例如用于计量检定的高精度气浮转台，所需精度0.5角秒以上的测量精度常规光栅很难满足。同时由于光栅原理决定了测量精度依赖于光栅刻线的单位密度，刻线密度无法提高的情况下精度也很难进一步提高。

发明内容

本发明提供一种干涉式角度测量系统及测量方法，其目的在于解决现有的角度测量方法无法达到高精度测量的问题。

为了达到上述目的，本发明提供一种干涉式角度测量系统，包括棱柱反射镜和第一检测模组，所述棱柱反射镜用于与被测物品连接，并与被测物品同轴转动，所述第一检测模组设置于所述棱柱反射镜外部；

所述第一检测模组包括，

激光器，所述激光器用于发出测量激光；

激光分散单元，所述激光分散单元与所述激光器对应设置，用于将所述激光器发出的单束激光分散为两束相干激光，并引导两束相干激光互相平行照射至棱柱反射镜；

透镜，所述透镜用于接收所述棱柱反射镜反射出的两束激光，并将两束激光聚焦至干涉分析单元；

干涉分析单元，干涉分析单元用于分析初始状态和棱柱反射镜转动后状态的干涉变化，从而得出角度变化。

本方案中，通过对比和分析初始状态和棱柱反射镜转动后和/或转动时状态的干涉变化，从而判断出棱柱反射镜转动的角度。本方案中激光的干涉变化会清楚且精确的反映出柱反射镜转动的角度，并且由于可以通过低精度的元器件测量光的干涉状态，从而使得角度测量更为精准。

进一步的，为了实现将激光器发出的单束激光分为两束相干激光，并且使得两束激光都互相平行。于是本方案中所述激光分散单元包括分光镜和反光镜，所述分光镜对应所述激光器设置，用于将所述测量激光分为两束相干激光，所述反光镜用于将两束激光调整为互相平行。

当单束激光照射到分光镜时，于是分光镜便可以将单束激光分为两束相干激光。同时反光镜与分光镜对应设置，反光镜可以调整从分光镜射出的两束激光的方向，从而使得从分光镜射出的两束激光处于互相平行状态，保证两束激光互相平行射入进棱柱反射镜。

进一步的，为了使得结构更为简单，于是本方案中所述反光镜设置为一个或两个。

当反光镜设置为一个时，反光镜便可以将从分光镜射出的其中一束激光调整到与另一束激光互相平行，进而实现两束激光互相平行。当反光镜设置为两个时，两个反光镜便可以分别对两束激光分别进行反射，从而调整两束激光的方向，保证两束激光互相平行。

优选将反光镜设置为一个或两个，相较于将反光镜设置为多个，例如，三个以上。结构会更为简单。

进一步的，为了实现对激光干涉状态的测量和计算，于是本方案中干涉分析单元包括光电探测器和处理器，所述光电探测器用于检测两束激光的干涉状态，所述处理器用于对光电探测器的干涉计数，并根据计数结果计算棱柱反射镜的角度变化。

当两束相干激光照射至光电探测器时，于是光电探测器便可以测量两束激光的干涉状态。之后处理器便可计算相长干涉或相消干涉的个数，从而判断出棱柱反射镜的角度变化。

进一步的，为了保证激光干涉的误差更小，于是本方案中所述光电探测器设置于所述透镜的焦平面。

将光电探测器设置于所述透镜的焦平面，于是两个激光发生干涉时，光电探测器会更精确测量出两个激光的干涉状态。

进一步的，为了避免角度测量出现误差，于是本方案中还包括第二检测模组，所述第二检测模组设置于所述棱柱反射镜外部，并与所述第一检测模组位于不同角度；

所述第二检测模组与第一检测模组结构相同。

第一检测模组和第二检测模组可以同时对角度进行测量，然后通过对照两个检测模组的检测结果，从而便可判断出测量结果是否出现误差。除此之外，当棱柱反射镜转动到一些特殊角度时(即激光照射到棱柱反射镜上的另一个反射面，激光便可能不会再被反射到激光分析单元)，第一检测模组便可能会不能够检测到角度的变化，而此时第二检测模组由于设置在不同的侧，于是第二检测模组还能够正常检测，从而保证检测正常进行(反之，第二检测模组无法检测时，第一检测模组能够正常检测)。

进一步的，为了保证棱柱反射镜能够随着被测量的物品同轴转动，于是本方案中所述棱柱反射镜中部设置安装部，所述安装部用于与被测物品连接。

当被测物品转动时，由于安装部设置在棱柱反射镜中部，于是棱柱反射镜便可以安装部为轴转动，从而保证测量精准。

进一步的，为了使得本方案的测量系统适应的范围更广，于是本方案中所述棱柱反射镜为正棱柱反射镜。

当棱柱反射镜不为正棱柱反射镜时(即不规则的棱柱反射镜)，于是棱柱反射镜上不同反射面的反射状态以及反射角度便会存在不同，于是当被测物品带动棱柱反射镜转动到不同的反射面时，每个反射面对应的可测区域不同造成连续角度测量难度增加。

而使用正棱柱反射镜时，由于正棱柱反射镜每一个面的反射状态以及反射角度相同，于是当被测物品带动棱柱反射镜转动到不同的反射面，也能够保证精确测量。

本发明还提供了一种干涉式角度测量方法，包括，

步骤一，将棱柱反射镜与被测物品连接，使得棱柱反射镜能够与被测物品能够同轴进行转动。棱柱反射镜的转动角度与被测物品的转动角度相同。

步骤二，棱柱反射镜接收同源的两束平行激光照射，并且将两束激光都反射至透镜。棱柱反射镜接收同源的激光照射，从而采可以使得激光在反射后出现干涉。之后当棱柱反射镜转动时，两个激光的传播距离会发生改变，从而使得反射出的两束激光的干涉状态发生变化。

步骤三，透镜接收棱柱反射镜反射的两束激光，并将两束激光聚焦至干涉分析单元。透镜用于接收两束同源激光，从而使得激光能够稳定在干涉分析单元上发生干涉。

步骤四，干涉分析单元接收棱柱反射镜经过聚焦的两束激光，并记录初始状态下的干涉状态，使得初始状态下的干涉状态作为对照(初始状态即棱柱反射镜未转动时)。

步骤五，棱柱反射镜在被测物品的带动下转动，被测物品与棱柱反射镜转动角度相同。干涉分析单元再次接收经过聚焦的两束激光，并记录棱柱反射镜转动后和/或转动时两束激光的反射状态变化，最终推算出棱柱反射镜的转动角度。

本发明的有益效果在于：本方案通过将棱柱反射镜与待测物品连接，棱柱反射镜与待测物品可以进行同轴转动。之后通过对比棱柱反射镜在转动前和转动后造成的激光干涉变化，从而便可得出棱柱反射镜转动的角度。相较于现有技术，激光干涉变化来反映角度变化的方式能够更为精准，同时方便测量。

附图说明

图1为初始状态时干涉式角度测量系统的结构示意图。

图2为转动发生转动后干涉式角度测量系统的结构示意图。

图3为第一检测模组和第二检测模组的安装状态示意图。

图4为初始状态下激光的传播状态。

图5为棱柱反射镜反射后激光的传播状态。

图6为图5中B部分的放大图。

附图标记包括：棱柱反射镜1、激光器2、透镜3、光电探测器4、分光镜5、反光镜6、第一检测模组7、第二检测模组8。

具体实施方式

为了使实施例的目的、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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例基本如附图1至附图6所示，一种干涉式角度测量系统，包括了棱柱反射镜1和第一检测模组7。第一检测模组7设置在棱柱反射镜1外部，棱柱反射镜1可以与被测量的物品连接在一起，从而使得棱柱反射镜1与被测量的物品同轴进行转动。第一检测模组7用于测量棱柱反射镜1的转动角度，进而得出被测物品转动的角度。

需要说明的是：由于被测物品与棱柱反射镜1为同轴转动，于是棱柱反射镜1的转动角度与被测物品的转动角度相同。

本实施例中的第一检测模组7包括激光器2、激光分散单元、透镜3和干涉分析单元。

激光器2用于发出测量激光。

激光分散单元与激光器2对应设置，即激光器2发出的激光会直接射入进激光分散单元内。激光分散单元会将激光器2发出的激光分为两束，并且将两束激光调整为互相平行。两束平行的激光直接照射至棱柱反射镜1的反射面，并被棱柱反射镜1反射至透镜3。

透镜3也设置于棱柱反射镜1的外部。当两束激光被棱柱反射镜1反射至透镜3后，于是透镜3便可以将两束激光进行聚效，使得两个激光发生干涉。透镜3为凸透镜3。

干涉分析单元对应透镜3设置。干涉分析单元用于测量两个激光的干涉状态。并且干涉分析单元可以分析初始状态和棱柱反射镜1转动后和/或转动时状态下的干涉变化，最终得出棱柱反射镜1的角度变化。

具体的测量过程为：当棱柱反射镜1处于初始状态时，此时激光从激光器2出发，然后经过激光分散单元分为两束同源激光照射至棱柱反射镜1，之后再依次经过透镜3和干涉分析单元，最终便可得到初始状态下激光的干涉状态。而在棱柱反射镜1跟随被测物品转动后或转动时，此时激光仍然从激光器2出发，然后经过激光分散单元分为两束同源激光照射至棱柱反射镜1。但是由于此时棱柱反射镜1已经发生了转动，故两束同源激光的光程差与照射位置便会发生改变，之后发生改变的两束同源激光再依次经过透镜3和干涉分析单元，最终得到棱柱反射镜1转动后或转动时状态下激光的干涉状态。通过对比初始状态和棱柱反射镜1转动后或转动时状态的干涉变化，进而便可判断出棱柱反射镜1是否发生了转动，以及转动的角度。

本实施例干涉分析单元可以在棱柱反射镜进行转动时关闭，之后在棱柱反射镜完成转动后再打开，从而测量转动前后激光反射状态的变化，最终得到角度的变化值。或者，干涉分析单元可以在棱柱反射镜进行转动时一直处于测量状态，从而实时精确测量棱柱反射镜的转动角度。

需要说明的是：如果干涉分析单元在棱柱反射镜进行转动时一直处于测量状态，则干涉分析单元可以实时精确测量棱柱反射镜的转动角度，满足了一些往复运动的测量需求(例如，被测物品在进行回转运动，一定时间内为左转，一定时间内为右转)。

本实施例激光分散单元具体包括分光镜5和反光镜6，分光镜5对应所述激光器2设置。激光器2发出的激光可以直接照射至分光镜5上，分光镜5可以将单独激光分为两束同源激光。分光镜5分出的两束同源激光可以一束直接照射到棱柱反射镜1上，然后另一束通过对应设置的反光镜6进行反射，再照射到棱柱反射镜1上。反光镜6反射的激光束与从分光镜5射出的激光束互相平行。或者，也可以在分光镜5分出的两束同源激光都对应设置一个反光镜6，反光镜6分别将激光束互相平行的反射至棱柱反射镜1。

本实施例中的干涉分析单元包括了光电探测器4和处理器，光电探测器4用于测量两束激光的干涉状态。同时，光电探测器4与处理器电连接。当光电探测器4测量出两束激光的干涉状态后，于是处理器便可以计算相长干涉或相消干涉的个数。通过对照棱柱反射镜1处于最初状态和转动后状态的干涉状态，进而便可判断出棱柱反射镜1的转动角度。

需要说明的是：本实施例中处理器1内可以设置对照表，对照表内对照记录有棱柱反射镜1处于不同转动角度下时激光的干涉状态。于是当棱柱反射镜1的转动后，于是通过对照表上的干涉状态，最终得出棱柱反射镜1的转动角度。

需要说明的是：本实施例中处理器1内可以预先设置角度计算程序。处理器1通过按照预定的计算程序进行运算，最终得出棱柱反射镜1的转动角度。

计算程序的过程如下：如图4所示，当棱柱反射镜1处于初始状态下时，两束激光A1和A2都照射至棱柱反射镜1上，A1和A2的入射角度都为α1，A1和A2之间的距离为a，此时A1和A2的光程差为X1，X1＝a/tan(α)；

如图5和图6所示，因为当棱柱反射镜1向左旋转β角度时，A1和A2的入射角度都为α2(α2＝α1-β)，A1和A2之间的距离为仍然为a。于是PM＝a/tan(α2)，NP＝a/sin(α2)，QW＝NP*sin(α1-α2)＝NP*sin(β)，PQ＝QW/sin(2α2-α1)。此时A1和A2的光程差为X2＝PM+PQ＝a/tan(α2)+QW/sin(2α2-α1)，光程差变化值为X2-X1。光程差的变化值会与干涉条纹的变化互相对应。于是通过干涉条纹便可得出光程差的变化值，最终再逆向推算出β的值。

需要说明的是，本实施例中由于激光A1经过了分光镜5以及反射镜6，于是激光A1会相较于激光A2存在一个固定的光程差Y。此光程差Y在棱柱放射镜转动前和转动后都不会发生改变。因此，在上述的计算程序中，光程差Y不参与到对棱柱放射镜转动角度的计算中，并且对计算出来的转动角度，也不会造成影响。

本实施例中光电探测器4具体为二象限光电探测器4。

本实施例中光电探测器4设置于透镜3的焦平面，从而保证光电探测器4测量更为精准。

本实施例中还包括第二检测模组8。第二检测模组8也同样设置于棱柱反射镜1外部，第二检测模组8也用于对棱柱反射镜1的角度变化进行测量。但是第二检测模组8设置在与第一检测模组7不同的位置。例如：第二检测模组设置在第一检测模组非相邻棱柱反射镜面的侧面。

本实施例中第二检测模组8与第一检测模组7的结构相同。都包括有激光器2、激光分散单元、透镜3和干涉分析单元。

需要说明的是：通过设置第二检测模组8与第一检测模组7，于是便可以将第二检测模组8与第一检测模组7的结果互相对照，从而判断出检测结果是否精准。

需要说明的是：当棱柱反射镜1转动到特定角度时，第一检测模组内的激光器1可能会照射到棱柱反射镜1的另一个反射面(即与初始状态时反射面不同)，于是第一检测模组便可能不再能够精确接收激光。于是此时，第二检测模组便能够起到对棱柱反射镜1的检测。同时，当棱柱反射镜1转动，会导致第一检测模组和第二检测模组内的激光照射面都改变时，此时，第一检测模组和第二检测模组互相交替测量，从而组合得出棱柱反射镜1的转动角度。

本实施例中所述棱柱反射镜1中部设置安装部，安装部可以为安装轴孔或者安装轴等。安装部用于与被测物品连接，从而使得安装部可以跟随被测物品进行转动。

本实施例中所述棱柱反射镜1为正棱柱反射镜，具体可以为六棱柱、八棱柱或者十棱柱等。

本实施例中还包括有外壳，所述外壳用于将第一检测模组和第二检测模块都笼罩在内。从而避免第一检测模组和第二检测模组受到外界环境光的影响，测量更为精准，避免出现测量误差。

本发明还包括了一种干涉式角度测量方法，包括，

步骤一，首先将棱柱反射镜1通过安装部与被测物品连接，保证棱柱反射镜1能够与被测物品同轴转动。于是棱柱反射镜1的转动角度与被测物品的角度相同。

步骤二，棱柱反射镜1接收同源的两束平行激光照射。同源的两束激光通过激光器2和激光分散单元照射至棱柱反射镜1。棱柱反射镜1将照射到棱柱反射镜1上的两束激光再反射到透镜3上。

步骤三，透镜3接收棱柱反射镜1反射的两束激光，并且将两束激光都聚焦至干涉分析单元。两束激光在聚焦至干涉分析单元时，会产生干涉现象。

步骤四，干涉分析单元接收棱柱反射镜经过聚焦的两束激光，并记录初始状态下的干涉状态，从而作为棱柱反射镜转动后和/或转动时的对照。

步骤五，棱柱反射镜在被测物品的带动下转动，棱柱反射镜与被测物品的转动角度相同。干涉分析单元同时接收经过聚焦的两束激光，并记录棱柱反射镜转动后和/或转动时两束激光的反射状态变化，从而推算出棱柱反射镜的转动角度。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种干涉式角度测量系统，其特征在于：包括棱柱反射镜(1)和第一检测模组(7)，所述棱柱反射镜(1)用于与被测物品连接，并与被测物品同轴转动，所述第一检测模组(7)固定设置于所述棱柱反射镜(1)外部；

所述第一检测模组(7)包括，

激光器(2)，所述激光器(2)用于发出测量激光；

激光分散单元，所述激光分散单元与所述激光器(2)对应设置，用于将所述激光器(2)发出的单束激光分散为两束相干激光，并引导两束相干激光互相平行照射至棱柱反射镜(1)；所述激光分散单元包括分光镜(5)和反光镜(6)，所述分光镜(5)对应所述激光器(2)设置，用于将测量激光分为两束相干激光，所述反光镜(6)用于将两束激光调整为互相平行；

透镜(3)，所述透镜(3)用于接收所述棱柱反射镜(1)反射出的两束激光，使得两束激光发生干涉，并将两束激光聚焦至干涉分析单元；

干涉分析单元，干涉分析单元用于检测和分析初始状态与棱柱反射镜(1)转动后和/或转动时状态下的干涉变化，从而得出角度变化。

2.根据权利要求1所述的一种干涉式角度测量系统，其特征在于：所述反光镜(6)设置为一个或两个。

3.根据权利要求1所述的一种干涉式角度测量系统，其特征在于：干涉分析单元包括光电探测器(4)和处理器，所述光电探测器(4)用于检测两束激光的干涉状态，所述处理器用于分析两束激光的干涉状态变化。

4.根据权利要求3所述的一种干涉式角度测量系统，其特征在于：所述光电探测器(4)设置于所述透镜(3)的焦平面。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种干涉式角度测量系统，其特征在于：还包括第二检测模组(8)，所述第二检测模组(8)设置于所述棱柱反射镜(1)外部，并与所述第一检测模组(7)位于不同角度；

所述第二检测模组(8)与第一检测模组(7)结构相同。

6.根据权利要求1所述的一种干涉式角度测量系统，其特征在于：所述棱柱反射镜(1)中部设置安装部，所述安装部用于与被测物品连接。

7.根据权利要求1所述的一种干涉式角度测量系统，其特征在于：所述棱柱反射镜(1)为正棱柱反射镜。

8.一种适用于权利要求1所述干涉式角度测量系统的方法，其特征在于：包括，

步骤一，将棱柱反射镜(1)与被测物品连接，使棱柱反射镜(1)能够与被测物品同轴转动；

步骤二，棱柱反射镜(1)接收同源的两束平行激光照射，并将两束激光反射至透镜(3)；

步骤三，透镜(3)接收棱柱反射镜(1)反射的两束激光，并将两束激光聚焦至干涉分析单元；

步骤四，干涉分析单元接收棱柱反射镜(1)经过聚焦的两束激光，并记录初始状态下的干涉状态；

步骤五，棱柱反射镜(1)在被测物品的带动下转动，干涉分析单元同时接收经过聚焦的两束激光，并分析棱柱反射镜转动后和/或转动时两束激光的反射状态变化，从而推算出棱柱反射镜(1)的转动角度。