CN1170122C - 高精度双f－p角位移测量仪 - Google Patents

Abstract

高精度双F-P角位移测量仪，包括：带有驱动电源的调制光源，沿着调制光源发出的光束的前进方向上放置着准直物镜和反射镜，在该反射镜的反射光束前进方向上放置被测转动镜面，该被测转动镜面反射光方向上放置一分束镜，该分束镜的端口b出射光束方向上依次放置第一F-P干涉仪、第一透镜和第一光电转换元件，该第一光电转换元件经第一模数转换器与计算机相连，分束镜端口c出射光束方向依次放置第二F-P干涉仪、第二透镜和第二光电转换元件，第二光电转换元件经第二模数转换器与计算机的相连，分束镜端口d放置第三光电转换元件并经图像采集卡与计算机相连。本发明的测量分辨率达到了纳弧度量级。

Description

高精度双F-P角位移测量仪

技术领域：

本发明涉及角位移测量，特别是一种高精度双F-P角位移测量仪，正弦相位调制半导体激光双F-P干涉仪的结构。

背景技术：

近期发展起来的高精度角位移测量方法主要有全内反射差动探测角位移测量法(参见在先技术[1]Aiyu Zhang and Peisen S.Huang“Total internal reflection forprecision small-angle measurement”Appl.Opt.2001 10 1617-1622)，此方法的测量原理如下：激光束从玻璃介质平面入射到空气中，当入射角接近全反射临界角时，两介质界面上的反射激光束的光强将随入射角的增大而迅速增大。根据菲涅耳公式得出反射光强度的变化量与入射角改变量即角位移之间的线性关系式，通过探测两介质界面上反射光强度的变化量，代入上述关系式来得到角位移。由于此仪器直接利用探测到的光强来计算角位移，测量过程中任何杂散光的存在都会对测量结果造成影响，带入较大的测量误差。

发明内容

本发明要解决的问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种高精度双F-P角位移测量仪，以实现位移、距离、面形等参数的高精度的测量。

本发明采用半导体激光器(以下简称为LD)作光源将光外差技术与角位移测量结合起来。LD除体积小、用电省、价格低外，一个突出的优点是波长调制简便。这使得能提高测量精度的光外差技术在半导体激光干涉仪中可以简单地通过直接调制LD的注入电流来实现。本发明利用双F-P干涉仪解决了角位移测量中初始角的确定问题，得出干涉信号的相位变化与被测物体角位移之间的线性关系。又采用了正弦相位调制光外差技术来精确测量干涉信号的相位变化，从而实现了被测物体角位移的精确测量。本发明是通过探测干涉信号的相位变化来得到被测物体角位移，对杂散光有较强的抗干扰作用，有效克服了上述在先技术中的不足。

本发明的技术解决方案如下：

本发明的高精度双F-P角位移测量仪，包括：带有驱动电源的调制光源，该调制光源是一被调制的半导体激光器，沿着调制光源发出的光束的前进方向上放置着准直物镜和反射镜，在反射镜的反射光束的前进方向上放置被测转动镜面。在被测转动镜面反射光的前进方向上放置着分束镜，该分束镜的端口b出射的光束方向上与光束同光轴依次放置着第一F-P干涉仪、第一透镜和第一光电转换元件，该第一光电转换元件经第一模数转换器与计算机相连。分束镜端口c出射光束方向上依次放置着第二F-P干涉仪、第二透镜和第二光电转换元件，放置时第二F-P干涉仪和第二透镜的光轴方向与分束镜端口c的出射光束的光轴成一夹角γ。第二光电转换元件与连接有计算机的第二模数转换器相连。分束镜端口d外放置着第三光电转换元件，该第三光电转换元件经图像采集卡与计算机相连。

所说的驱动电源提供直流和正弦交流信号给调制光源。

所说的第一光电转换元件和第二光电转换元件是光电二极管，或光电池等。

所说的第三光电转换元件是CCD图像探测器。

所说的分束镜是指能够将入射光按接近1∶1的光强比分成两束光的元件。如分光棱镜、两面分别镀析光膜的平行平板等。

所说的第一F-P干涉仪7和第二F-P干涉仪10是由两块平行平板平行放置构成。

调制光源发出的光通过准直物镜准直后由反射镜反射到被测转动镜面，被测转动镜面将光束反射到分束镜，由该分束镜分成两束，其中端口b出射的反射光照射到第一F-P干涉仪，透过F-P干涉仪经由第一透镜汇聚到第一光电转换元件上，光电转换元件输出一路电信号，经模数转换器转换成数字信号后进入计算机。分束镜端口c出射的透射光透过第二F-P干涉仪后，由第二透镜汇聚到第二光电转换元件上，光电转换元件输出的电信号经模数转换器转换成数字信号进入计算机。第一F-P干涉仪的反射光再次透过分束镜，从该分束镜的d端口出射照射到第三光电转换元件上，第二F-P干涉仪的反射光由分束镜的d端口出射照射到第三光电转换元件上。第三光电转换元件采集到的两光束强度分布经图像采集卡进入计算机。

本发明的优点：

1、本发明利用双F-P干涉仪解决了角位移测量中初始角的确定问题，得出干涉信号的相位变化与被测物体角位移之间的线性关系。

2、本发明把正弦相位调制光外差探测技术与角位移测量结合起来，从而获得了较高的测量精度。

3、本发明与在先技术[1]相比，采用正弦相位调制法通过测相位来测量物体的角位移，增强了仪器对杂散光的抗干扰能力，减少了仪器的测量误差，提高了仪器的测量精度。

附图说明

图1为本发明高精度双F-P角位移测量仪的光路结构示意图。

图2为F-P干涉仪的示意图。

具体实施方式：

先请参阅图1，本发明高精度双F-P角位移测量仪，包括：带有驱动电源1的调制光源2，沿着调制光源2发出的光束的前进方向上放置着准直物镜3和反射镜4，在反射镜4的反射光束的前进方向上放置被测转动镜面5。被测转动镜面5反射光的前进方向上放置着分束镜6，分束镜6端口b出射的光束方向上与光束同光轴依次放置着第一F-P干涉仪7，第一透镜8和第一光电转换元件9，第一光电转换元件9与连接有计算机17的第一模数转换器15相连。分束镜6端口c出射光束方向上依次放置着第二F-P干涉仪10，第二透镜11和第二光电转换元件12，放置时第二F-P干涉仪10，第二透镜11的光轴方向与分束镜6端口c的出射光束光轴成一定夹角γ。第二光电转换元件12与连接有计算机17的第二模数转换器13相连。分束镜6端口d，放置着第三光电转换元件14，第三光电转换元件14与连接有计算机17的图像采集卡16相连。其中调制光源2采用波长为660nm的LD，第一光电转换元件9和第二光电转换元件12均为光电二级管。第三光电转换元件14为CCD图像探测器。分束镜6采用两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板。反射镜4为一面镀金的平行平板。第一F-P干涉仪7和第二F-P干涉仪10是由两块平行平板平行放置构成，两平行平板的内侧在波长660nm处镀90％的增反膜，外侧镀增透膜。

其具体工作过程是：

带有驱动电源1的调制光源2发出的光通过准直物镜3准直后由反射镜4反射到被测转动镜面5，被测转动镜面5将光束反射到分束镜6，由分束镜6分成两束，其中分束镜6的反射光照射到第一F-P干涉仪7上，第一F-P干涉仪7把分束镜6的反射光分成两束，其中光束1直接透过第一F-P干涉仪7的两平行平板，光束2透过第一F-P干涉仪7的平板1后，由平板2反射回来，再由平板1反射，透过平板2。如图2所示。当被测转动镜面5转动角位移Δi(t)时，光束1和2的光程差Δl₁可写为

Δl₁＝2nh₁cos(i₁+2Δi(t))                                   (1)

与第一F-P干涉仪7相同，第二F-P干涉仪10把分束镜6的透射光也分成两束，这两束光的光程差Δl₂可写为

Δl₂＝2nh₂cos(i₁+γ+2Δi(t))                             (2)

其中n为空气折射率，h₁、h₂分别为第一F-P干涉仪和第二F-P干涉仪两平板的间距，i₁为分束镜6端口b出射的反射光入射到第一F-P干涉仪7的初始入射角，i₁+γ为分束镜6端口c出射的透射光入射到第二F-P干涉仪10的初始入射角。

从第一F-P干涉仪7和第二F-P干涉仪10出来的干涉光分别由透镜8和11汇聚到的一光电转换元件9和第二光电转换元件12上。

第一光电转换元件9检测到干涉信号S₁(t)，第二光电转换元件12检测到干涉信号S₂(t)。光电转换元件9和12探测到的干涉信号S₁(t)和S₂(t)分别由模数转换器15和13转换成数字信号进入计算机17进行计算，通过对S₁(t)和S₂(t)进行傅里叶变换可以分别求出两干涉信号的相位变化量α₁和α₂。而α₁和α₂又可由如下公式来表示

α₁＝2π(Δl₁-2nh₁cos(i₁))/λ                           (3)

α₂＝2π(Δl₂-2nh₂cos(i₁+γ))/λ                        (4)

其中，λ为光源2的中心波长。第一F-P干涉仪7和第二F-P干涉仪10的反射光经分束镜6端口d照射到第三光电转换元件14上，第三光电转换元件14采集到的两光束的强度分布经图像采集卡16进入计算机17，通过计算可以得出γ。

被测转动镜面角位移Δi(t)可以表示为

$\mathrm{\Δi}\left(t\right)=-\frac{{\mathrm{\α}}_1}{2g_1{\sin i}_1}.---\left(5\right)$

其中g₁＝4πnh₁/λ，是由仪器参数构成的常数。光线入射到第一F-P干涉仪7的初始入射角i₁的三角函数sini₁可表示为

$\sin i_1=\frac{-b+\sqrt{b^2-4c}}{2}.---\left(6\right)$

其中 $b=\frac{{\mathrm{\α}}_2}{g_2\sin \mathrm{\γ}}-\frac{{\mathrm{\α}}_1\cos \mathrm{\γ}}{g_1\sin \mathrm{\γ}},$ $c=\frac{e^2+b^2}{4}-\frac{e^2}{e^2+b^2},$ $e=\frac{{\mathrm{\α}}_1}{g_1},$ g₁＝4πnh₁/λ，g₂＝4πnh₂/λ。

通过计算机对第一光电转换元件9和二光电转换元件12检测到的干涉信号进行处理我们获得α₁、α₂。将α₁、α₂和γ代入(6)式得出sini₁，再将α₁和sini₁代入(5)式便可得出被测转动镜面的微角位移Δi(t)。选择光源的波长为660nm，空气折射率为1，两F-P干涉仪的平板间距h₁和h₂均为10mm，可得出1/g₁的值为5.25*10^-6。采用正弦相位调制光外差技术测量干涉信号的相位变化α₁，其分辨率在0.01rad以上。选择sini₁的值大于0.5，将1/g₁、α₁和sini₁代入(5)式可得Δi(t)的分辨率在10^-8rad数量级。

经实验证明，本发明的测量分辨率可达纳弧度量级。

Claims (5)

1、一种高精度双F-P角位移测量仪，其特征在于它包括：带有驱动电源(1)的调制光源(2)，该调制光源(2)是一被调制的半导体激光器，沿着调制光源(2)发出的光束的前进方向上放置着准直物镜(3)和反射镜(4)，在反射镜(4)的反射光束的前进方向上放置被测转动镜面(5)，被测转动镜面(5)反射光的前进方向上放置分束镜(6)，该分束镜(6)端口b出射的光束方向上与光束同光轴依次放置着第一F-P干涉仪(7)、第一透镜(8)和第一光电转换元件(9)，第一光电转换元件(9)与连接有计算机(17)的第一模数转换器(15)相连，分束镜(6)端口c出射光束方向上依次放置着第二F-P干涉仪(10)、第二透镜(11)和第二光电转换元件(12)，放置时第二F-P干涉仪(10)和第二透镜(11)的光轴方向与分束镜(6)端口c的出射光束的光轴成一定夹角γ，第二光电转换元件(12)与连接有计算机(17)的第二模数转换器(13)相连，分束镜(6)端口d，放置着第三光电转换元件(14)，该第三光电转换元件(14)与计算机(17)的图像采集卡(16)相连。

2、根据权利要求1所述的高精度双F-P角位移测量仪，其特征在于所说的驱动电源(1)给调制光源(2)提供直流和正弦交流信号。

3、根据权利要求1所述的高精度双F-P角位移测量仪，其特征在于所说的第一光电转换元件(9)和第二光电转换元件(12)是光电二极管，或光电池。

4、根据权利要求1所述的高精度双F-P角位移测量仪，其特征在于所说的第三光电转换元件(14)是CCD图像探测器。

5、根据权利要求1所述的高精度双F-P角位移测量仪，其特征在于所说的分束镜(6)是能够将入射光按接近1∶1的光强比分成两束光的元件，或分光棱镜，或两面分别镀析光膜的平行平板。

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