CN1431464A - 偏振光分束检偏法测量物体的角位移 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种测量自由运动物体角位移的方法。在被测物体上固连偏振光源，静止的测量端对接收到的偏振光束进行分束，分束后，对一束光直接进行照度测量，其它光束的光路上设置检偏器，对透射检偏器的光束同时进行照度测量。照度传感器测得照度的比值与被测物体的角位移间具有确定的函数关系，据此可以间接测量被测物体的角位移。此方法对被测物体自由度的值不加限制，并可对同一被测物体的三维角位移进行测量。

Description

偏振光分束检偏法测量物体的角位移

技术领域  本发明为一种测量物体角位移的方法。该方法可对最多六自由度物体的三维角位移进行非接触式测量。

背景技术  一个物体自由运动时，如果需要对其角位移进行测量，一般只能进行非接触式测量。目前较成熟的方法有几何光学法测量和磁感应法测量等。

几何光学法测量的原理是，在被测物体上固定三个点光源，采用适当的方法测量这三个点所确定平面的法向量，即测得了该物体的角位移。

几何光学法测量的缺点是，测量端需要对光源进行动态扫描，完成扫描功能的是一个复杂而精密的光-机-电设备。而且被测对象的运动范围要与测量端对光源的探测范围相适应，这使被测对象的运动范围受到限制。另外，实际的光源不可能是真正数学意义上的点光源，它的辐射面积会影响测量精度。辐射面积越大，光源位置的不确定性越大，精度越低。

磁感应法的原理是，在三个正交线圈中用稳恒电流产生磁场，被测物体上固连三个正交的感应线圈，通过测量感应线圈中的感应电动势，即可测量感应线圈与激磁线圈的夹角，也就测得了被测物体的角位移。

磁感应法的缺点是，它需要一个清洁的电磁环境，抗电磁干扰能力差。而且，感应线圈附近不能有铁磁性物体，否则将使磁场扭曲，影响测量。这使被测对象的材料受到了限制。

发明内容  本发明是一种新的角位移测量方法，用于对自由运动物体的角位移进行非接触式测量。这种方法利用光介质进行测量，测量设备相对简单，不含运动机构。同时，对电磁环境没有特殊要求。这样的特点使其利于工程应用，并且具有较强的环境耐受能力。

以下将对本发明的原理及实现进行详细的描述。

本发明的理论依据是马吕斯(Malus)定律，即照度为E的偏振光垂直照射偏振片时，透射光的照度为：

E′＝k·E·Cos²α                                            (1)

式中α是偏振片的偏振化方向与偏振光偏振方向的夹角。k为α＝0时偏振片的透射系数。

本发明即是基于马吕斯定律所述理论在角度测量上的应用。基本做法是，在被测自由运动的物体上固连一个偏振光源，它发出的一束偏振光照射检偏器，通过对光源辐射出射度的测量和通过检偏器后照度的测量，就可以依据马吕斯定律间接测量出被测物体沿接收光束传播方向的角位移矢量。

分束检偏法照度测量系统结构见图1。用分束镜将接收到的偏振光(偏振化方向相对基准方向的角度为α，照度为E)分为两束(分别用I、III表示)。光束I的光路上设置检偏器，其偏振化方向相对基准方向夹角为A。则检偏器偏振化方向与光源偏振光偏振化方向的夹角为α+A。

这样，两个照度传感器测得的照度分别为：

E₃＝k_b·E                                                 (2)

E₁＝m_b·E·Cos²(α+A)                                    (3)

k_b、m_b分别为分束镜的反射系数和透射系数。

设

e₁＝E₁/E₃＝(m_b/k_b)·Cos²(α+A)                       (4)

e₁的函数曲线见图3。

可见，利用这条曲线，可以满足范围为(-A，π/2-A)的角度测量要求。

使α在至少一个周期内连续变化，e₁总能取得最大值。

即当α+A＝kπ(k＝0，1，2……)时，e₁取得最大值

e_1max＝m_b/k_b                                                 (5)

将(5)式代入(4)式得：

e₁＝e_1max·Cos²(α+A)                                        (6) $\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{arCos}\sqrt{\frac{e_1}{e_{1\max }}}-A(-A<\mathrm{\&alpha;}\&le;\mathrm{\&pi;}/2-A)......\left(7\right)$

依据公式(7)不仅可以在(-π/2+A，A)范围内测量角位移，而且无须关心分束镜的透射率和反射率，也就不存在对分束镜透射率和反射率标定带来的系统误差。可以说，这样的系统可以实现自标定。这一特点在实际应用中具有非常重要的意义。

对于上述测量系统，定义其特征方向为：该系统能够测量的被测物体角位移矢量方向。

附图说明  对于图1，1-1为光源，1-2为起偏器，1-3为b分束镜，1-4为照度传感器，1-5为检偏器，1-6为照度传感器。“I”、“III”分别表示分束后的两个光路。

对于图2，2-1为光源，2-2为起偏器，2-3为a分束镜，2-4为b分束镜，2-5为照度传感器，2-6为检偏器，2-7为照度传感器，2-8为照度传感器，2-9为检偏器。“I”、“II”、“III”分别表示分束后的三个光路。

对于图3，e₁、e₂分别表示e₁、e₂作为α的因变量的函数曲线。

实施方式  按(7)式，对一路光束进行检偏测量时，测量范围小于(π/2)。并且在α趋向kπ-A(k＝0，1，2……)时，测量灵敏度将趋向0。为增加测量范围及提高灵敏度，可对接收光束进行多路分束检偏。具体做法见图2。

在图1的基础上增加一个分束镜，同时增加一个检偏器和一个照度传感器，增加的光路用II表示。光路II上检偏器测得的照度为E₂，光路II上检偏器的偏振化方向相对基准方向夹角为-A。则该检偏器偏振化方向与光源偏振光偏振化方向的夹角为α-A。

则参照式(2)到式(7)的分析，可得 $\mathrm{\&alpha;}=\mathrm{arCos}\sqrt{\frac{e_2}{e_{2\max }}}+A(-\mathrm{\&pi;}/2+A<\mathrm{\&alpha;}<A).....\left(8\right)$

由式(7)、(8)可见，增加分束检偏通道，可以增加测量范围及提高灵敏度。

如果需要测量物体的二维或三维角位移，可以用特征方向正交的两个或三个上述测量系统完成。

Claims (7)

1 一种通过对偏振光分束检偏测量物体角位移的方法。可以对自由运动物体的三维角位移进行非接触式测量，被测物体可以具有一到六个自由度。其特征是：

a.测量介质为偏振光；

b.测量端对接收到的光束多路分束后进行直接照度测量及检偏对比照度测量，以确定被测物体的角位移。

2 权利要求1所述的方法，其特征在于测量端对接收光束分束后进行对比照度测量，使被测物体与测量接收装置间的相对运动不影响对其角位移的测量。

3 权利要求1所述的方法，其特征在于可以用分束镜将接收到的光束分成多束，增加检偏测量通道，进行分段测量，可增加测量范围及提高测量灵敏度。

4 权利要求1所述的方法，其特征在于固连于被测物体上的偏振光源发出的偏振光是球面光束，以保证被测物体自由运动时，测量端总能接收到光源发出的偏振光。

5 权利要求1所述的方法，其特征在于结构相同但特征方向正交的测量装置可以对物体不同方向的角位移矢量进行测量，最多可对三维角位移进行测量。

6 权利要求1所述的方法，其特征在于偏振光源最好采用单色光源，并且环境光不含该单色光波长附近的波段，以尽量减小环境光噪声干扰。

7 权利要求1所述的方法，其特征在于可以进行自标定，光学元器件的透过系数及反射系数不影响测量，其参数可不标定。

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