微角度測(cè)量方法及裝置制造方法
【專利摘要】一種基于自混合干涉的微角度測(cè)量方法及裝置，該微角度測(cè)量裝置包括激光光源、對(duì)激光光源輸出光束進(jìn)行自混合處理的自混合處理單元、對(duì)自混合處理單元輸出的自混合信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的光電探測(cè)單元，以及接收電流信號(hào)的信號(hào)接收單元。其中，所述自混合處理單元包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡以及反射單元，該微角度測(cè)量方法及裝置可測(cè)量較大的角度范圍。
【專利說明】微角度測(cè)量方法及裝置 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及一種微角度測(cè)量方法及裝置，尤其涉及一種基于自混合干涉的微角度 測(cè)量方法及裝置。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 角度測(cè)量技術(shù)是計(jì)量科學(xué)的重要組成部分，隨著生產(chǎn)和科學(xué)的不斷發(fā)展，角度測(cè) 量技術(shù)越來越廣泛地被應(yīng)用于機(jī)械、光學(xué)、航空、航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。其中，微角度測(cè)量 是角度測(cè)量技術(shù)中一個(gè)非常重要的部分，它的特點(diǎn)是測(cè)量范圍更小，測(cè)量精度較高。
[0003] 根據(jù)角度測(cè)量的基本原理，角度測(cè)量方法主要包括機(jī)械測(cè)量方法、電磁測(cè)量方法 以及現(xiàn)代光學(xué)測(cè)量方法。其中，機(jī)械、電磁測(cè)量方法自身的特點(diǎn)在于主要采用手工測(cè)量，不 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，手工測(cè)量導(dǎo)致測(cè)量精度受到極大限制。
[0004] 自從激光技術(shù)出現(xiàn)以后，較高測(cè)量精度的光學(xué)測(cè)量方法受到人們重視，并逐漸得 到廣泛應(yīng)用，如光學(xué)準(zhǔn)直、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS)、原子力顯微鏡成像以及精密機(jī)械加工 等。
[0005] 目前，常用的光學(xué)測(cè)量方法有自準(zhǔn)直方法、全內(nèi)反射法、環(huán)形激光器法以及激光干 涉法。其中最廣泛應(yīng)用的是激光干涉測(cè)角法，該方法通過測(cè)量參考光束和測(cè)量光束之間的 干涉條紋的改變量，即將角度變化轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)度變化來進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)微角度更高精 度的測(cè)量。
[0006] 基于激光干涉的傳統(tǒng)測(cè)角方法雖然測(cè)量精度高，但干涉裝置較笨重、復(fù)雜、且不易 準(zhǔn)直。與這些傳統(tǒng)干涉方法相比，激光自混合干涉技術(shù)則具有緊湊性、魯棒性和低成本等特 點(diǎn)，更適用于角度測(cè)量。激光自混合干涉技術(shù)是指激光器輸出的激光遇到外界反饋物體后， 其中一部分光會(huì)被反射或者散射回激光腔內(nèi)，與激光腔內(nèi)的光混合后發(fā)生干涉，使輸出光 功率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)反饋物體運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)量。激光自混合干涉技術(shù)被廣泛應(yīng)用 于多種場(chǎng)合，其中包括對(duì)目標(biāo)物位移、速度、振動(dòng)以及距離的測(cè)量，其單一光路特性能夠保 證需要的測(cè)量裝置相對(duì)于傳統(tǒng)干涉測(cè)量裝置尺寸更小、可靠性更高。目前，基于自混合干涉 的微角度測(cè)量方法主要利用旋轉(zhuǎn)平面鏡進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)外腔平面鏡旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致反饋光程每改變 半個(gè)波長(zhǎng)，輸出激光光功率改變一個(gè)條紋，根據(jù)條紋數(shù)目可測(cè)得被測(cè)角度。然而，一旦平面 鏡的待測(cè)旋轉(zhuǎn)角度稍大時(shí)，反饋回激光器的光會(huì)大幅度減少甚至消失，導(dǎo)致無法觀察到自 混合現(xiàn)象。此外，即使在微小角度測(cè)量范圍下，產(chǎn)生一定的信號(hào)強(qiáng)度調(diào)制，也無法準(zhǔn)確判斷 出該信號(hào)是來源于角度改變引起的自混合信號(hào)，還是來源于反饋光引起的光強(qiáng)變化。同時(shí)， 利用該測(cè)量方法所得出的外腔長(zhǎng)度變化量與光束的入射點(diǎn)有關(guān)，而入射點(diǎn)的微小變動(dòng)均會(huì) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成明顯的影響。
[0007] 根據(jù)上述分析可知，以上三個(gè)原因都會(huì)直接影響激光自混合實(shí)驗(yàn)的測(cè)量精度、靈 敏度以及測(cè)量范圍等。
[0008] 因此，有必要提供一種改進(jìn)的微角度測(cè)量方法及裝置，以克服上述缺陷。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0009] 本發(fā)明的目的在于提供一種可擴(kuò)大角度測(cè)量范圍、提高測(cè)量精度和靈敏度的微角 度測(cè)量方法及裝置。
[0010] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明微角度測(cè)量方法采用如下技術(shù)方案：一種微角度測(cè)量方 法，包括以下步驟：提供激光光源；提供分束鏡，使上述激光光源至少形成第一光束；提供 自混合處理單元，對(duì)第一光束進(jìn)行折射、反射后自混合產(chǎn)生第二光束；提供光電轉(zhuǎn)換單元， 將第二光束轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)；提供信號(hào)接收單元，將上述電流信號(hào)以波形數(shù)據(jù)輸出。
[0011] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供自混合處理單元的步驟中，所述激光光源依 次經(jīng)過可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡進(jìn)行折射、再經(jīng)過反射單元進(jìn)行反射后回由原路返回到激光光源 內(nèi)，從而形成自混合的第二光束。
[0012] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述自混合處理單元提供可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡，該 可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡提供待測(cè)的旋轉(zhuǎn)角度，第一光束的入射角度等于該旋轉(zhuǎn)角度。
[0013] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述第一光束以任意角入射到可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡 表面，經(jīng)過兩次反射后，再?gòu)目赊D(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡的同一面射出，且入射光平行于出射光。
[0014] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供分束鏡之前，所述激光光源的出射光束經(jīng)過 光闌處理。
[0015] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述第一光束進(jìn)入直角棱鏡之前，經(jīng)過另一光闌 處理。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明微角度測(cè)量方法具有如下有益效果：通過自混合處理單 元對(duì)第一光束進(jìn)行折射、反射后自混合產(chǎn)生穩(wěn)定的自混合信號(hào)，從而可以獲得較大的角度 測(cè)量范圍。
[0017] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明微角度測(cè)量裝置采用如下技術(shù)方案：一種微角度測(cè)量裝 置，包括：激光光源、對(duì)激光光源所產(chǎn)生的出射光束進(jìn)行自混合處理的自混合處理單元、對(duì) 自混合處理單元輸出的自混合信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的光電探測(cè)單元以及接收電流信號(hào)的信號(hào)接 收單元；所述自混合處理單元包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡以及反射單元。
[0018] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中所述微角度測(cè)量裝置還包括對(duì)激光光源出射光 束進(jìn)行分尚的分束鏡。
[0019] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中所述可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡的入射光平行于出射 光。
[0020] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中所述可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡的出射光照射在反射單 元上。
[0021] 為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明中所述反射單元的輸出光經(jīng)過可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡 再反射回所述激光光源內(nèi)進(jìn)行自混合。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明微角度測(cè)量裝置具有如下有益效果：通過可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角 棱鏡、反射單元使得反饋光始終沿原路返回到激光光源內(nèi)，保證了反饋光強(qiáng)度的恒定，這樣 就可以有效擴(kuò)大測(cè)量角度的范圍，提高激光自混合角度測(cè)量的精度和靈敏度。 【【專利附圖】

【附圖說明】】
[0023] 圖1為本發(fā)明微角度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2為未旋轉(zhuǎn)時(shí)可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡在原始位置的光路變化示意圖；
[0025] 圖3為旋轉(zhuǎn)過程中可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡在位置改變后的光路變化示意圖。 【【具體實(shí)施方式】】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說明。
[0027]請(qǐng)參考圖1所示，本發(fā)明微角度測(cè)量裝置包括激光光源1、光闌2、分束鏡3、光電探 測(cè)器4、信號(hào)接收單元5、光闌6、可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡7、反射面8,本實(shí)施方式中，所述微角度 測(cè)量裝置是一種基于自混合干涉的微角度測(cè)量系統(tǒng)。
[0028] 激光腔內(nèi)的激光光源1的出射光束通過第一個(gè)光闌2后，被分束鏡3分成兩束光， 其中一束光經(jīng)第二個(gè)光闌6和可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡7后，被反射面8反射后又重新反饋回激 光腔內(nèi)，從而形成自混合信號(hào)。激光光源1的出射光束以任意角入射到可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡 7表面的光束在其內(nèi)部經(jīng)過兩次反射后，從可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡7的同一面出射，其中入射光 ME平行于出射光FN。另外一束光，也就是經(jīng)過自混合信號(hào)產(chǎn)生的第二束光，被光電探測(cè)器 4接收并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，該電流信號(hào)被信號(hào)接收單元5接收，進(jìn)而可以獲得關(guān)于測(cè)量角度 的信息。反饋光始終沿原路返回到激光光源，保證了反饋光強(qiáng)度的恒定。在反饋光強(qiáng)度恒 定的前提下，可有效擴(kuò)大測(cè)量角度的范圍，進(jìn)而提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精度和靈敏度。
[0029] 所述激光光源1可由半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、或者固體激光器提供。
[0030] 所述信號(hào)接收單元5可采用示波器、頻率計(jì)數(shù)器、頻譜儀或數(shù)據(jù)采集卡獲取數(shù)據(jù)。 具體而言，示波器獲取干涉條紋的數(shù)據(jù)；頻率計(jì)數(shù)器獲取干涉條紋對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)據(jù)；頻譜 儀獲取干涉條紋對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集卡獲取干涉條紋的數(shù)據(jù)。
[0031] 所述可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡7可以采用不同尺寸，通過調(diào)整可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡的尺寸 大小，即可實(shí)現(xiàn)改變待測(cè)的角度范圍。
[0032] 請(qǐng)參考圖2及圖3所示，當(dāng)可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡7位于原始位置時(shí)，也就是可轉(zhuǎn)動(dòng)的 直角棱鏡未旋轉(zhuǎn)時(shí)，入射光ME垂直入射在可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡7的表面，根據(jù)可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角 棱鏡的特性，出射光FN平行于入射光ME。當(dāng)可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡7在測(cè)量過程中旋轉(zhuǎn)一定角 度9后，入射光ME的入射角度由垂直發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但此時(shí)的出射光FN仍平行于入射光ME。 從圖中可以看出，由于出射光FN、入射光ME相互平行，根據(jù)平行線的性質(zhì)，角度FBJ等于需 要測(cè)量的旋轉(zhuǎn)角度9，根據(jù)三角形的內(nèi)角和定理，入射光ME的入射角度等于旋轉(zhuǎn)角度0可 知，此時(shí)外腔長(zhǎng)度變化量與入射點(diǎn)無關(guān)，即使入射點(diǎn)變動(dòng)，也不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。
[0033] 為便于依照下列公式（1)?（5)計(jì)算，定義如下：
[0034] P是直角棱鏡直角邊的邊長(zhǎng)，h為光束進(jìn)入棱鏡前的光程，h2為光束射出棱鏡后 到反射面的光程，h3為光束在棱鏡中的光程，那么可設(shè)AC=qi，0C=q2,AO=BO=P，EM =h1；FN=h2,EC+CD+DF=h3〇
[0035] 通過理論分析可以得出，計(jì)算所需測(cè)量角度e的大小需要測(cè)量hp匕和匕的長(zhǎng)度。 而hi，匕和匕的長(zhǎng)度分別可由正弦定理采用以下公式（1)?（3)計(jì)算得出：
【權(quán)利要求】
1. 一種微角度測(cè)量方法，包括以下步驟： 提供激光光源（1); 提供分束鏡，使上述激光光源（1)至少形成第一光束； 提供自混合處理單元，對(duì)第一光束進(jìn)行折射、反射后自混合產(chǎn)生第二光束； 提供光電轉(zhuǎn)換單元，將第二光束轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)； 提供信號(hào)接收單元，將上述電流信號(hào)以波形數(shù)據(jù)輸出。
2. 如權(quán)利要求1所述的微角度測(cè)量方法，其特征在于：提供自混合處理單元的步驟中， 所述激光光源（1)依次經(jīng)過可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡（7)進(jìn)行折射、再經(jīng)過反射單元進(jìn)行反射回 激光光源（1)內(nèi)，從而形成自混合的第二光束。
3. 如權(quán)利要求2所述的微角度測(cè)量方法，其特征在于：自混合處理單元提供可轉(zhuǎn)動(dòng)的 直角棱鏡（7)，該可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡（7)提供待測(cè)的旋轉(zhuǎn)角度，第一光束的入射角度等于該 旋轉(zhuǎn)角度。
4. 如權(quán)利要求2或3所述的微角度測(cè)量方法，其特征在于：第一光束以任意角入射到 可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡（7)表面，經(jīng)過兩次反射后，再?gòu)目赊D(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡的同一面出射，且入 射光平行于出射光。
5. 如權(quán)利要求1或2或3所述的微角度測(cè)量方法，其特征在于：提供分束鏡（3)之前， 所述激光光源（1)出射光束經(jīng)過光闌（2)處理。
6. 如權(quán)利要求4所述的微角度測(cè)量方法，其特征在于：所述第一光束進(jìn)入可轉(zhuǎn)動(dòng)的直 角棱鏡（7)之前，經(jīng)過另一光闌（6)處理。
7. -種微角度測(cè)量裝置，包括： 激光光源（1)、對(duì)激光光源（1)進(jìn)行自混合處理的自混合處理單元、對(duì)自混合處理單元 輸出的自混合信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的光電探測(cè)單元以及接收電流信號(hào)的信號(hào)接收單元； 其特征在于：所述自混合處理單元包括可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡（7)以及反射單元。
8. 如權(quán)利要求7所述的微角度測(cè)量裝置，該微角度測(cè)量裝置還包括對(duì)激光光源（1)出 射光束進(jìn)行分離的分束鏡（3)。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的微角度測(cè)量裝置，其特征在于：所述可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡（1) 的入射光平行于出射光。
10. 如權(quán)利要求9所述的微角度測(cè)量裝置，其特征在于：所述可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡（7)的 出射光照射在反射單元上。
11. 如權(quán)利要求10所述的微角度測(cè)量裝置，其特征在于：所述反射單元的輸出光經(jīng)過 可轉(zhuǎn)動(dòng)的直角棱鏡（7)再反射回所述激光光源（1)產(chǎn)生處進(jìn)行自混合。
【文檔編號(hào)】G01B11/26GK104330053SQ201410412730
【公開日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月20日
【發(fā)明者】呂亮, 楊波, 俞本立, 向榮, 吳爽, 王德輝, 張文華, 肖鴻晶, 蔡文定, 劉宇 申請(qǐng)人:安徽大學(xué)