CN1231743C - 光栅楔形平板及应用该平板的转角测量装置 - Google Patents

光栅楔形平板及应用该平板的转角测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种测角元件，还公开应用该测角元件的转角测量装置。一种光栅楔形平板(1)，它由上下平面间夹成楔形的玻璃楔形平板(1-1)和加工在玻璃楔形平板(1-1)倾斜表面(101)上的反射式闪耀光栅(1-2)组成，(1-2)是若干个以中心轴(102)为中心的同心圆形分布的刻划面。应用光栅楔形平板(1)的转角测量装置，它由双频激光干涉仪(2)、干涉模块(3)和光栅楔形平板(1)组成，(2)由双频激光光源(2-1)和光电接收器(2-2)组成，(3)由偏振分光镜(3-1)、两块相同的λ/4波片(3-2)、直角棱镜(3-3)和角锥棱镜(3-4)组成，加工有闪耀光栅(1-2)的倾斜表面(101)背向(3)。由于本发明采用激光光学测角方法，响应迅速，因此动态响应范围大。本发明具有设计新颖、工作可靠和具有较大推广价值的优点。

Description

光栅楔形平板及应用该平板的转角测量装置
技术领域：
本发明涉及一种测角元件，本发明还涉及应用该测角元件的转角测量装置。
背景技术：
角度测量作为最基本的物理量测量之一，是计量科学的重要组成部分，然而已有的这些角度测量方法或者动态响应范围低，只能在静态和低速情况下工作，或者测量范围小，不能满足在确保测量精度的同时获得大的测角范围，目前国内外发展的较成熟的机械及电磁式测角装置大都只能进行静态及小角度测量，对于高精度动态角度的测量方法只能向光学领域中寻找。
发明内容：
本发明的目的就是提供一种测量时的动态响应范围大，而且测角范围大的测角元件及转角测量装置。本发明通过以下方案实现：一种光栅楔形平板，圆形的光栅楔形平板1包括上下平面间夹成楔形的玻璃楔形平板1-1和加工在玻璃楔形平板1-1倾斜表面101上的反射式闪耀光栅1-2，反射式闪耀光栅1-2是若干个以中心轴102为中心的同心圆形分布的刻划面，反射式闪耀光栅1-2的刻划线104垂直于中心轴102。如图1所示，玻璃楔形平板1-1的倾斜表面101上加工反射式闪耀光栅1-2，来自激光器的入射光线S垂直玻璃楔形平板1-1的上表面入射到反射式闪耀光栅1-2上，在反射式闪耀光栅1-2表面发生衍射，闪耀级的衍射光将沿入射光线的方向返回。测量过程中光栅楔形平板1随被测物体绕中心轴102转动，入射光线S和闪耀级衍射光线的方向不随转角变化，由于玻璃楔形平板1旋转后，激光光束S在玻璃楔形平板1内的光程线性变化，因此能通过光程变化计算出玻璃楔形平板1转角的变化，从而得到被测物体转角的动态变化值。本发明由于采用了闪耀光栅，因而还可采用楔角较大的楔形平板，有利于提高系统分辨力。
本发明还提供了应用光栅楔形平板的转角测量装置。它由双频激光干涉仪2、干涉模块3和光栅楔形平板1组成，双频激光干涉仪2由双频激光光源2-1和光电接收器2-2组成，干涉模块3由偏振分光镜3-1、两块相同的λ/4波片3-2、直角棱镜3-3和角锥棱镜3-4组成，双频激光干涉仪2的前方依次设置偏振分光镜3-1、λ/4波片3-2和直角棱镜3-3，偏振分光镜3-1的上方设置角锥棱镜3-4，偏振分光镜3-1的下方设置有λ/4波片3-2，干涉模块3的下方设置光栅楔形平板1，加工有反射式闪耀光栅1-2的倾斜表面101背向干涉模块3。从双频激光光源2-1发出的双频激光光束直接入射到干涉模块3中，经过偏振分光镜3-1后分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光，两束光分别经过λ/4波片3-2、直角棱镜3-3、角锥棱镜3-4的反射及光栅楔形平板1衍射后，回到偏振分光镜3-1处产生干涉，干涉信号由光电接收器2-2接收。本发明的测角装置如图2所示，干涉模块3和光栅楔形平板1的光路是差动倍程式布局，这种布局计算的是光程的差分信号，不仅可提高系统的灵敏度，而且可以消除安装偏心和轴系偏心对转角测量的影响。由于本发明采用激光光学测角方法，响应迅速，因此动态响应范围大，光栅楔形平板1随被测物体整周旋转，测角范围大，光路的差动倍程式布局满足了测角的高精度要求。本发明具有设计新颖、工作可靠和具有较大推广价值的优点。
附图说明：
图1是本发明光栅楔形平板1的剖面结构示意图，图2是本发明应用光栅楔形平板1的转角测量装置的结构示意图，图3是本发明的测角原理示意图。
具体实施方式：
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本发明的光栅楔形平板1。它由上下平面间夹成楔形的圆形玻璃楔形平板1-1和加工在玻璃楔形平板1-1倾斜表面101上的反射式闪耀光栅1-2组成，反射式闪耀光栅1-2是若干个以中心轴102为中心的同心圆形分布的刻划面。反射式闪耀光栅1-2的刻划线104垂直于中心轴102。
具体实施方式二：下面结合图2和图3具体说明本实施方式。应用光栅楔形平板1的转角测量装置。它由双频激光干涉仪2、干涉模块3和光栅楔形平板1组成，双频激光干涉仪2由双频激光光源2-1和光电接收器2-2组成，干涉模块3由偏振分光镜3-1、两块相同的λ/4波片3-2、直角棱镜3-3和角锥棱镜3-4组成，双频激光干涉仪2的前方依次设置偏振分光镜3-1、λ/4波片3-2和直角棱镜3-3，偏振分光镜3-1的上方设置角锥棱镜3-4，偏振分光镜3-1的下方设置有λ/4波片3-2，干涉模块3的下方设置光栅楔形平板1，加工有闪耀光栅1-2的倾斜表面101背向干涉模块3。从双频激光光源2-1发出的双频激光光束直接入射到干涉模块3中，经过偏振分光镜3-1后分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光，两束光分别经过λ/4波片3-2、直角棱镜3-3、角锥棱镜3-4的反射及光栅楔形平板1衍射后，回到偏振分光镜3-1处产生干涉，干涉信号由光电接收器2-2接收。基于闪耀光栅楔形平板的双频激光干涉转角测量系统，其光路原理如图3所示。将底面刻有反射式闪耀光栅1-2的圆形玻璃楔形平板1-1作为后向反射和改变光程差的主要部件，安装在被测物体上，随被测物一起转动。从双频激光光源2-1发出的双频激光光束直接入射到干涉模块3中，经过偏振分光镜3-1后分成两束偏振方向互相垂直的线偏振光。其中被偏振分光镜3-1透射的一路，偏振方向平行于纸面，频率为f1，而偏振方向垂直于纸面的一路，经偏振分光镜3-1垂直向下反射，频率为f2。透射的一路光经过直角棱镜3-3的反射后，两束光在干涉模块的出口处形成两路相距为L的平行测量光束(S1和S2)。两束测量光穿过玻璃楔形平板1-1射向反射式闪耀光栅1-2，在光栅表面发生衍射，主闪耀级次的衍射光将沿入射方向返回。由于光栅不改变光线的偏振，方向不发生变化。两束测量光线分别两次经过λ/4波片3-2，偏振方向将分别改变90°，返回光束与入射光束的方向相垂直，在偏振分光镜3-1处改变反射和透射关系，光束将不再返回到激光器内，而是射向偏振分光镜3-1上的角锥棱镜3-4。角锥棱镜3-4将光线平移z距离后，反射回偏振分光镜3-1，两束光在偏振分光镜3-1上重新分开。在干涉模块的出口处重新形成两路相距为L的测量光S1′和S2′，重新分别到达光栅的表面，再次发生衍射后返回偏振分光镜3-1处。由于又两次经过λ/4波片，因此两束光线的偏振方向将再次改变90°，各自回到原来的偏振状态，射向双频激光干涉仪2上的光电接收器2-2。两束光经过后续设备中的检偏器后发生干涉，干涉信号由信号处理电路处理，并通过接口电路送入计算机中进行计算。这样，用刻有反射式闪耀光栅的光栅楔形平板1作为差动测角元件，用光学倍程布局的干涉系统实现将转角转换为光程差的测量，从而实现转角测量。当光栅楔形平板1随被测物体同时旋转时，透过楔形平板入射到反射式闪耀光栅上的两路测量光线的光程差将随转角发生变化，并且由于闪耀光栅的作用，测量过程中光线始终沿入射方向返回，这样就可以大大增加双频激光干涉仪的测量范围和测量灵敏度，实现整周任意转动角度的测量。双频激光干涉仪2可以采用Hewlett-Packard公司的双频激光干涉仪(如HP5528A、HP5529A等)或成都工具研究所生产的MJS5C型双频激光干涉仪的激光头。
具体实施方式三：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式二的不同点是，它还包括反射膜1-3，反射膜1-3镀在玻璃楔形平板1-1的上表面103上。如此设置，利用反射膜1-3的反光特性，使从干涉模块3射来的两路光束中的一路不必要通过闪耀光栅1-2来反射，这样可以减小闪耀光栅1-2的加工面积，减少加工工作量。

Claims (3)

1、一种光栅楔形平板，其特征是圆形的光栅楔形平板(1)包括上下平面间夹成楔形的玻璃楔形平板(1-1)和加工在玻璃楔形平板(1-1)倾斜表面(101)上的反射式闪耀光栅(1-2)，反射式闪耀光栅(1-2)是若干个以中心轴(102)为中心的同心圆形分布的刻划面，反射式闪耀光栅(1-2)的刻划线(104)垂直于中心轴(102)。
2、根据权利要求1所述的光栅楔形平板，其特征是它还包括反射膜(1-3)，反射膜(1-3)镀在玻璃楔形平板(1-1)的上表面(103)上。
3、一种采用如权利要求1所述的光栅楔形平板的转角测量装置，其特征是它由双频激光干涉仪(2)、干涉模块(3)和光栅楔形平板(1)组成，双频激光干涉仪(2)由双频激光光源(2-1)和光电接收器(2-2)组成，干涉模块(3)由偏振分光镜(3-1)、两块相同的λ/4波片(3-2)、直角棱镜(3-3)和角锥棱镜(3-4)组成，双频激光干涉仪(2)的前方依次设置偏振分光镜(3-1)、λ/4波片(3-2)和直角棱镜(3-3)，偏振分光镜(3-1)的上方设置角锥棱镜(3-4)，偏振分光镜(3-1)的下方设置有λ/4波片(3-2)，干涉模块(3)的下方设置光栅楔形平板(1)，加工有反射式闪耀光栅(1-2)的倾斜表面(101)背向干涉模块(3)。
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