專利名稱：偏振光分束檢偏法測(cè)量物體的角位移的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為一種測(cè)量物體角位移的方法。該方法可對(duì)最多六自由度物體的三維角位移進(jìn)行非接觸式測(cè)量。
背景技術(shù)：
一個(gè)物體自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果需要對(duì)其角位移進(jìn)行測(cè)量，一般只能進(jìn)行非接觸式測(cè)量。目前較成熟的方法有幾何光學(xué)法測(cè)量和磁感應(yīng)法測(cè)量等。
幾何光學(xué)法測(cè)量的原理是，在被測(cè)物體上固定三個(gè)點(diǎn)光源，采用適當(dāng)?shù)姆椒y(cè)量這三個(gè)點(diǎn)所確定平面的法向量，即測(cè)得了該物體的角位移。
幾何光學(xué)法測(cè)量的缺點(diǎn)是，測(cè)量端需要對(duì)光源進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描，完成掃描功能的是一個(gè)復(fù)雜而精密的光-機(jī)-電設(shè)備。而且被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)范圍要與測(cè)量端對(duì)光源的探測(cè)范圍相適應(yīng)，這使被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)范圍受到限制。另外，實(shí)際的光源不可能是真正數(shù)學(xué)意義上的點(diǎn)光源，它的輻射面積會(huì)影響測(cè)量精度。輻射面積越大，光源位置的不確定性越大，精度越低。
磁感應(yīng)法的原理是，在三個(gè)正交線圈中用穩(wěn)恒電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，被測(cè)物體上固連三個(gè)正交的感應(yīng)線圈，通過測(cè)量感應(yīng)線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即可測(cè)量感應(yīng)線圈與激磁線圈的夾角，也就測(cè)得了被測(cè)物體的角位移。
磁感應(yīng)法的缺點(diǎn)是，它需要一個(gè)清潔的電磁環(huán)境，抗電磁干擾能力差。而且，感應(yīng)線圈附近不能有鐵磁性物體，否則將使磁場(chǎng)扭曲，影響測(cè)量。這使被測(cè)對(duì)象的材料受到了限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種新的角位移測(cè)量方法，用于對(duì)自由運(yùn)動(dòng)物體的角位移進(jìn)行非接觸式測(cè)量。這種方法利用光介質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，不含運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，對(duì)電磁環(huán)境沒有特殊要求。這樣的特點(diǎn)使其利于工程應(yīng)用，并且具有較強(qiáng)的環(huán)境耐受能力。
以下將對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的描述。
本發(fā)明的理論依據(jù)是馬呂斯(Malus)定律，即照度為E的偏振光垂直照射偏振片時(shí)，透射光的照度為E′＝k·E·Cos2α(1)式中α是偏振片的偏振化方向與偏振光偏振方向的夾角。k為α＝0時(shí)偏振片的透射系數(shù)。
本發(fā)明即是基于馬呂斯定律所述理論在角度測(cè)量上的應(yīng)用?；咀龇ㄊ?，在被測(cè)自由運(yùn)動(dòng)的物體上固連一個(gè)偏振光源，它發(fā)出的一束偏振光照射檢偏器，通過對(duì)光源輻射出射度的測(cè)量和通過檢偏器后照度的測(cè)量，就可以依據(jù)馬呂斯定律間接測(cè)量出被測(cè)物體沿接收光束傳播方向的角位移矢量。
分束檢偏法照度測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。用分束鏡將接收到的偏振光(偏振化方向相對(duì)基準(zhǔn)方向的角度為α，照度為E)分為兩束(分別用I、III表示)。光束I的光路上設(shè)置檢偏器，其偏振化方向相對(duì)基準(zhǔn)方向夾角為A。則檢偏器偏振化方向與光源偏振光偏振化方向的夾角為α+A。
這樣，兩個(gè)照度傳感器測(cè)得的照度分別為E3＝kb·E (2)E1＝mb·E·Cos2(α+A)(3)kb、mb分別為分束鏡的反射系數(shù)和透射系數(shù)。
設(shè)e1＝E1/E3＝(mb/kb)·Cos2(α+A) (4)e1的函數(shù)曲線見圖3。
可見，利用這條曲線，可以滿足范圍為(-A，π/2-A)的角度測(cè)量要求。
使α在至少一個(gè)周期內(nèi)連續(xù)變化，e1總能取得最大值。
即當(dāng)α+A＝kπ(k＝0，1，2……)時(shí)，e1取得最大值e1max＝mb/kb(5)將(5)式代入(4)式得e1＝e1max·Cos2(α+A)(6)α=arCose1e1max-A(-A<α≤π/2-A)......(7)]]>依據(jù)公式(7)不僅可以在(-π/2+A，A)范圍內(nèi)測(cè)量角位移，而且無須關(guān)心分束鏡的透射率和反射率，也就不存在對(duì)分束鏡透射率和反射率標(biāo)定帶來的系統(tǒng)誤差。可以說，這樣的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自標(biāo)定。這一特點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中具有非常重要的意義。
對(duì)于上述測(cè)量系統(tǒng)，定義其特征方向?yàn)樵撓到y(tǒng)能夠測(cè)量的被測(cè)物體角位移矢量方向。


對(duì)于圖1，1-1為光源，1-2為起偏器，1-3為b分束鏡，1-4為照度傳感器，1-5為檢偏器，1-6為照度傳感器?！癐”、“III”分別表示分束后的兩個(gè)光路。
對(duì)于圖2，2-1為光源，2-2為起偏器，2-3為a分束鏡，2-4為b分束鏡，2-5為照度傳感器，2-6為檢偏器，2-7為照度傳感器，2-8為照度傳感器，2-9為檢偏器?！癐”、“II”、“III”分別表示分束后的三個(gè)光路。
對(duì)于圖3，e1、e2分別表示e1、e2作為α的因變量的函數(shù)曲線。
實(shí)施方式 按(7)式，對(duì)一路光束進(jìn)行檢偏測(cè)量時(shí)，測(cè)量范圍小于(π/2)。并且在α趨向kπ-A(k＝0，1，2……)時(shí)，測(cè)量靈敏度將趨向0。為增加測(cè)量范圍及提高靈敏度，可對(duì)接收光束進(jìn)行多路分束檢偏。具體做法見圖2。
在圖1的基礎(chǔ)上增加一個(gè)分束鏡，同時(shí)增加一個(gè)檢偏器和一個(gè)照度傳感器，增加的光路用II表示。光路II上檢偏器測(cè)得的照度為E2，光路II上檢偏器的偏振化方向相對(duì)基準(zhǔn)方向夾角為-A。則該檢偏器偏振化方向與光源偏振光偏振化方向的夾角為α-A。
則參照式(2)到式(7)的分析，可得α=arCose2e2max+A(-π/2+A<α<A).....(8)]]>由式(7)、(8)可見，增加分束檢偏通道，可以增加測(cè)量范圍及提高靈敏度。
如果需要測(cè)量物體的二維或三維角位移，可以用特征方向正交的兩個(gè)或三個(gè)上述測(cè)量系統(tǒng)完成。
權(quán)利要求
1 一種通過對(duì)偏振光分束檢偏測(cè)量物體角位移的方法。可以對(duì)自由運(yùn)動(dòng)物體的三維角位移進(jìn)行非接觸式測(cè)量，被測(cè)物體可以具有一到六個(gè)自由度。其特征是a.測(cè)量介質(zhì)為偏振光；b.測(cè)量端對(duì)接收到的光束多路分束后進(jìn)行直接照度測(cè)量及檢偏對(duì)比照度測(cè)量，以確定被測(cè)物體的角位移。
2 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于測(cè)量端對(duì)接收光束分束后進(jìn)行對(duì)比照度測(cè)量，使被測(cè)物體與測(cè)量接收裝置間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不影響對(duì)其角位移的測(cè)量。
3 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于可以用分束鏡將接收到的光束分成多束，增加檢偏測(cè)量通道，進(jìn)行分段測(cè)量，可增加測(cè)量范圍及提高測(cè)量靈敏度。
4 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于固連于被測(cè)物體上的偏振光源發(fā)出的偏振光是球面光束，以保證被測(cè)物體自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量端總能接收到光源發(fā)出的偏振光。
5 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于結(jié)構(gòu)相同但特征方向正交的測(cè)量裝置可以對(duì)物體不同方向的角位移矢量進(jìn)行測(cè)量，最多可對(duì)三維角位移進(jìn)行測(cè)量。
6 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于偏振光源最好采用單色光源，并且環(huán)境光不含該單色光波長(zhǎng)附近的波段，以盡量減小環(huán)境光噪聲干擾。
7 權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于可以進(jìn)行自標(biāo)定，光學(xué)元器件的透過系數(shù)及反射系數(shù)不影響測(cè)量，其參數(shù)可不標(biāo)定。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種測(cè)量自由運(yùn)動(dòng)物體角位移的方法。在被測(cè)物體上固連偏振光源，靜止的測(cè)量端對(duì)接收到的偏振光束進(jìn)行分束，分束后，對(duì)一束光直接進(jìn)行照度測(cè)量，其它光束的光路上設(shè)置檢偏器，對(duì)透射檢偏器的光束同時(shí)進(jìn)行照度測(cè)量。照度傳感器測(cè)得照度的比值與被測(cè)物體的角位移間具有確定的函數(shù)關(guān)系，據(jù)此可以間接測(cè)量被測(cè)物體的角位移。此方法對(duì)被測(cè)物體自由度的值不加限制，并可對(duì)同一被測(cè)物體的三維角位移進(jìn)行測(cè)量。
文檔編號(hào)G02B27/28GK1431464SQ0311088
公開日2003年7月23日 申請(qǐng)日期2003年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月20日
發(fā)明者趙獻(xiàn)民 申請(qǐng)人:趙獻(xiàn)民