CN100434862C - 基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置，将激光器输出的激光束入射到设置于被测物体表面的反射镜，入射线偏离被测物体的角度旋转中心，激光器的输出功率用一光电探测器进行监测，当被测物体发生微小角度旋转时，光电探测器监测到的激光器输出功率将随着角度的变化而变化，角度的变化引起的回馈光的光程每变化半个激光波长，输出激光功率变化一个条纹周期，通过预先定标好的角度和输出功率间的对应关系，来实现对被测物体旋转角度的测量。该测量装置结构简单、紧凑，测量精度高。

Description

基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置

技术领域

本发明涉及激光测量技术领域，特别涉及基于激光自混合干涉的微小角度测量方法及装置。

背景技术

角度测量是计量科学的重要组成部分，微小角度的测量在航空航天、军事、微机电系统、精密加工、高精度检测等许多领域都具有极其重要的意义和作用。目前常用的微小角度测量方法主要有：光学自准直法、激光干涉法等。各种装置有各自的特点及应用局限性。自准直法就是在光学上使物体和像分别位于共轭平面上，当物体发生转动时，物体在像面上所成的像点也随之发生移动，通过测量像点的移动量便可以求出物体转动的角度。传统激光干涉法是利用测量光束和参考光束的干涉现象，即将角度的变化转换成两束光的光程差变化，从而引起干涉条纹移动，通过测量干涉条纹的移动量，来实现对角度的高精度测量。自准直法原理简单，操作方便，但测量精度较低；传统激光干涉法装置复杂，但测量精度高。

激光自混合干涉是指激光器输出光被外部物体反射或散射后，部分光反馈回激光器内，与激光腔内光相混合后，引起激光器输出功率发生变化的现象，也可称为光回馈，即激光器输出的光反馈自身的谐振腔内。光回馈引起的功率变化输出信号与传统的双光束干涉信号类似，当外部反射物每移动半个激光波长的位移时，激光器输出功率变化一个条纹周期。激光自混合干涉系统仅有一个光学通道，并且可以做到“绝对”测量，相对传统的激光干涉系统，具有结构简单、紧凑、易准直等优点，在许多场合可以代替传统干涉仪，目前主要应用于位移和距离、速度和振动等的测量。利用激光自混合干涉现象对角度测量的研究甚少，仅有学者报道，由于外腔镜偏离不同的角度，使得激光经外腔镜反射回内腔的回馈量不同，从而引起激光自混合干涉条纹的幅度也不同，可通过测量自混合干涉条纹的幅度变化，来实现对偏离角度的测量，但这种测量方法对激光器的稳定性要求较高，难于提高测量精度，并且当角度连续变化时，测量较困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光自混合干涉的微小角度测量方法，有效地解决自准直法测量精度较低和传统激光干涉法装置复杂的问题。

本发明的目的还在于提供一种实现上述方法的测量装置。

本发明的一种基于激光自混合干涉的微小角度测量方法，见图1，是在被测物体4表面设置一反射镜3，激光器1输出的激光束通过光阑2垂直入射到反射镜3上，入射线偏离被测物体4的角度旋转中心，激光束经反射镜3反射回激光器1中，引起激光自混合干涉，激光器1的输出功率用一光电探测器5进行监测，当被测物体4发生微小角度旋转时，光电探测器5监测到的激光器1的输出功率将随着角度的变化而变化，角度的变化引起的回馈光的光程每变化半个激光波长，激光器1的输出功率变化一个条纹周期，通过预先定标好的角度和输出功率间的对应关系，实现对被测物体4微小旋转角度的测量。

优选方案：通过曲线拟合找到干涉条纹幅度最大处，将干涉条纹幅度最大处的角度作为角度测量的零基准角。

实现所述的方法的基于激光自混合干涉的微小角度测量装置，如图1所示，包含一个激光器1，一个光阑2，一个设置于被测物体4表面的反射镜3，一个光电探测器5，一个信号采集处理模块10，激光器1的激光束偏离被测物体4的角度旋转中心，且正好穿过光阑2的小孔，反射镜3放在光阑2的另一侧，激光束穿过光阑后入射到反射镜上，反射镜3的另一侧放置有光电探测器5，信号采集处理模块10与光电探测器5相连。

反射镜3优选低反射率镜。所述低反射率镜优选光楔反射镜。

本发明的测量方法中，回馈光线偏离入射光线的角度越小，光回馈到激光腔内的量就越大，自混合干涉条纹的幅度也越大，通过曲线拟合，可找到干涉条纹幅度最大处，在此处，回馈光线和入射光线的夹角近似为零度，因此可以将干涉条纹幅度最大处的角度作为角度测量的零基准角。通过曲线拟合找到干涉条纹幅度最大处，将干涉条纹幅度最大处的角度作为角度测量的零基准角。

当旋转角度增大时，回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，激光器离回馈光反射镜越近，测量系统所能测量的最大角度就越大。

本发明是将被测物体的角度变化转化为回馈光的光程变化，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，以保证回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，回馈光的光程随角度变化就越大，自混合干涉条纹也就越密。利用条纹细分技术提高测量精度，为了便于条纹细分，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。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：相对传统激光干涉法测角系统，结构简单、紧凑，并且可以进行零基准角的自校准；相对自准直法测量精度更高。

附图说明

图1是本发明方法采用的装置的结构示意图，图中，1-激光器；2-光阑；3-平面反射镜；4-被测物体，5-光电探测器；10-信号采集处理模块。

图2是本发明方法中的光程随角度变化关系示意图。

图3是本发明方法用于测量被步进电机驱动的微小旋转角度时的一种测量装置的结构示意图；图中，6-信号调理电路；7-计算机；8-数据采集卡；9-步进电机。

图4是根据图3测量装置实测到的光功率随角度的变化曲线。

图5是本发明方法用于测量被步进电机驱动的微小旋转角度时的一种测量装置的结构示意图。

图6是根据图5测量装置实测到的光功率随角度的变化曲线。

具体实施方式

如图1所示，激光器1发射出的激光束经光阑2垂直入射到平面反射镜3，平面反射镜3固定在被测物体4上随被测物体4旋转，入射光线偏离被测物体4的旋转中心，虚线交点为旋转中心；偏离量由自混合干涉条纹的疏密程度决定。为了采用弱回馈方式，可将反射率只有4％左右的透明玻璃片用作平面反射镜3。激光器1的输出功率由光电探测器5监测，光电探测器5采集到的激光功率信号，经信号采集处理模块10分析处理。

如图2所示，设平面反射镜与角度旋转中心之间的距离为d，光束入射点偏离旋转中心的角度为α，当被测物体旋转角度θ时，回馈光的光程变化ΔL为：

$\mathrm{\ΔL}=2d(\mathrm{tg\α}-\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2})\mathrm{tg\θ}---\left(1\right)$

如果θ为微小角度(小于0.1度)，由(1)式表示的回馈光的光程变化ΔL可写为：

$\mathrm{\ΔL}\≅\left(2\mathrm{dtg\α}\right)\mathrm{\θ}=2\mathrm{h\θ}---\left(2\right)$

在图2中，如果将反射镜的反射面放置在过角度旋转中心的平面上，即d＝0和α＝π/2时，同样有：

ΔL＝2hθ    (3)

显然，在上述两种情况下，当被测物体旋转角度θ为微小角度时，回馈光的光程随被测物体的角度按近似线性变化。

实施例1

如图3，激光器1采用腔长为250毫米、输出功率为3毫瓦的氦氖激光器；一透明光楔反射镜3固定在旋转台4上，采用光楔作为反射镜可以避免平面反射镜的两个表面的反射光同时回馈到激光腔中，这样只有一个表面的反射光可以回馈到激光腔中，透明光楔反射镜反射率为4％左右形成弱回馈方式；激光束偏离被测物体4角度旋转中心的距离d＝0.75mm，光楔反射镜3距角度旋转中心的距离h＝1.5cm。用一硅光电池5探测透过光楔的光束能量，硅光电池5将光信号转化为电信号后再经信号调理电路6放大后供数据采集卡8采集，计算机7主要完成测量信号的数据采集和步进电机驱动器9的控制等功能，本系统采用美国NI(National Instruments)公司的PCI-6025E型数据采集卡。

图4为实测到的光功率随角度变化的曲线。图中，虚线为曲线拟合线，通过曲线拟合线可以找到干涉条纹幅度最大处，将此处对应的角度作为角度测量的零基准角。通过预先定标好的每变化一个条纹周期所对应的角度值和条纹细分技术，利用图4可实现对被测物体微小旋转角度的测量。

实施例2

图5中，与实施例1不同之处在于，激光器1采用输出功率为5毫瓦的半导体激光器，激光束偏离被测物体4角度旋转中心的距离h＝3mm，光楔反射镜3的反射面所在的平面通过角度旋转中心。

图6为实测到的光功率随角度变化的曲线。图中，虚线为曲线拟合线，通过曲线拟合线可以找到干涉条纹幅度最大处，将此处对应的角度作为角度测量的零基准角。通过预先定标好的每变化一个条纹周期所对应的角度值和条纹细分技术，利用图6可实现对被测物体微小旋转角度的测量。

Claims (5)

1、一种基于激光自混合干涉的微小角度测量方法，其特征在于在被测物体(4)表面设置一反射镜(3)，激光器(1)输出的激光束通过光阑(2)垂直入射到反射镜(3)上，入射线偏离被测物体(4)的角度旋转中心，激光束经反射镜(3)反射回激光器(1)中，引起激光自混合干涉，激光器(1)的输出功率用一光电探测器(5)进行监测，当被测物体(4)发生微小角度旋转时，光电探测器(5)监测到的激光器(1)的输出功率将随着角度的变化而变化，角度的变化引起的回馈光的光程每变化半个激光波长，激光器(1)的输出功率变化一个条纹周期，通过预先定标好的角度和输出功率间的对应关系，实现对被测物体(4)微小旋转角度的测量。

2、根据权利要求1所述的微小角度测量方法，其特征在于：通过曲线拟合找到干涉条纹幅度最大处，将干涉条纹幅度最大处的角度作为角度测量的零基准角。

3、实现权利要求1或2所述方法的基于激光自混合干涉的微小角度测量装置，其特征在于：所述微小角度测量装置包含一个激光器(1)，一个光阑(2)，一个设置于被测物体(4)表面的反射镜(3)，一个光电探测器(5)，一个信号采集处理模块(10)，激光器(1)的激光束偏离被测物体(4)的角度旋转中心，且正好穿过光阑(2)的小孔，反射镜(3)放在光阑(2)的另一侧，激光束穿过光阑后入射到反射镜上，反射镜(3)的后侧放置有光电探测器(5)，信号采集处理模块(10)与光电探测器(5)相连。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于：反射镜(3)是低反射率镜。

5、根据权利要求4所述的微小角度测量装置，其特征在于：所述低反射率镜(3)是光楔反射镜。

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