CN113446963B - 一种基于相控阵的角度测量***及其测量方法 - Google Patents

一种基于相控阵的角度测量***及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于相控阵的角度测量***及其测量方法，***包括激光器、准直器、分光镜、反射镜、电荷耦合器探测器、旋转台和空间光调制器，准直器正对激光器，准直器和电荷耦合器探测器分别位于分光镜一对相对的两侧，反射镜和空间光调制器分别位于分光镜另一对相对的两侧，空间光调制器安装在旋转台上；空间光调制器用于通过光学相控阵对传输至空间光调制器的光束进行相位调制，从而挪动电荷耦合器探测器上的光斑，最底端的两个光斑重新重合；根据空间光调制器的相位调制量和电荷耦合器探测器中多个光斑间的距离，计算角度测量***的旋转角度。与现有技术相比，本发明具有有效地扩大***测量范围、提高测量角度分辨率等优点。

Description

一种基于相控阵的角度测量***及其测量方法
技术领域
本发明涉及角度测量技术领域，尤其是涉及一种基于相控阵的角度测量***及其测量方法。
背景技术
对于精密机械组件、光学***的安装等，精确和精密小角度测量至关重要。小角度测量包括测量范围小，测量精度要求高和分辨率高等特点。为了实现精密角度测量，目前提出的光学测角法主要包括内反射法和激光干涉法等。
例如文献1“平面镜多次反射的二维高精度小角度偏转测量”(邓立新，谭吉春，范清春等.光电工程37.1(2010):26-30.)提出一种基于平面镜多次反射小角度测量***。所述***由参考镜和动镜之间多次反射，每次被测物体偏转角度，动镜角度随着发生变化，对应探测器光斑位置也发生变化。通过光斑在探测器位移变化可以得出被测物体偏转角度，但其缺点是探测器范围有限，偏转角度过大时光斑不能被探测器探测到。
例如文献2“Small-angle measurement with highly sensitive total-internal-reflection heterodyne interferometer”(J.Y.Lin,Y.C.Liao.OpticsExpress 53.9(2014):1903-1908.)提出一种用于小角度测量的高灵敏度全内反射外差干涉仪。所述外差干涉中，一个半波片和两个四分之一波片特定光轴方位组合成一个移相器。当菱形棱镜放置在移相器和显示合适透射轴方位角分析仪之间，它会改变和增强s-和p-极化相位差异的双重全内反射。相位差增强与入射角有关，通过估计相位差，可以方便、准确地测量小角度。由于内反射法经过多次反射光功率由单个光电探测器检测，光束发散、棱镜安装偏转等因素会在测量过程中带来功率损失，导致测量误差。
例如文献3“Full-circle range and microradian resolution anglemeasurement using the orthogonal mirror self-mixing interferometry”(C.Wang,X.Fan,Y.Guo,et al.Optics Express 26.8(2018):10371-10381.)提出一种改进的基于激光自混合效应的微无线电分辨率全圆范围测角***，实验中利用正交镜自混合干涉法建立了角度测量***，并利用设计机械连杆实现全圆范围的角度测量。与传统的激光自混合干涉法角度测量方法相比，测量的分辨率和距离都有了很大的提高。
例如文献4“Double-grating with multiple diffractions enabled smallangle measurement”(J.Y.Wang,C.Liu,S.Y.Qin,et al.Optics Express 27.4(2019):5289-5296.)提出了一种基于两个非平行发光光栅偏转角放大的双光栅结构。在这种特殊的双光栅结构中，光束可以重复绕射，偏转角度也相应放大。这种结构可以***到其他角度测量***之前，以提高其角度分辨率。实验结果表明，采用双光栅结构可相应地实现40倍以上的角度放大和微弧度角度分辨率。
上述探测成像光斑采用电荷耦合探测器(CCD)，CCD范围有限，光斑间距离不能太大，其角度探测范围是有限，因此运用激光束偏转技术扩大测量范围，一定范围内对光束进行精准地指向性控制称为光束偏转技术。现有技术大多采用机械式的光束偏转技术，其主要是借助机械转动装置改变光轴的方向，从而控制光束指向。由于机械转动部件存在，因此存在角度精度低、指向速度慢、控制***复杂等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种扩大***测量范围和测量角度分辨率的基于相控阵的角度测量***及其测量方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于相控阵的角度测量***，包括激光器、准直器、分光镜、反射镜和电荷耦合器探测器，所述角度测量***还包括旋转台和空间光调制器，所述准直器正对所述激光器，所述准直器和电荷耦合器探测器分别位于所述分光镜一对相对的两侧，所述反射镜和空间光调制器分别位于所述分光镜另一对相对的两侧，所述空间光调制器安装在旋转台上；
所述激光器用于发射激光；
所述准直器正对所述激光器，用于将发散的激光转变为平行光输出至分光器；
所述分光器用于将激光分离为透射光和反射光；
所述反射镜用于对入射到反射镜的光束进行反射，然后依次经过分光镜和空间光调制器；
所述空间光调制器用于通过光学相控阵对传输至空间光调制器的光束进行相位调制，从而挪动电荷耦合器探测器上的光斑，使得电荷耦合器探测器上的多个光斑重新重合；
所述电荷耦合器探测器用于获取光斑图像，光束通过分光镜在电荷耦合器探测器上形成多个光斑，通过所述电荷耦合器探测器测量光斑间的距离；
根据所述空间光调制器的相位调制量和电荷耦合器探测器中多个光斑间的距离，计算所述角度测量***的旋转角度。
进一步地，所述反射镜和空间光调制器均为反射体，激光光束在所述反射镜和空间光调制器间多次反射后出射。
进一步地，所述旋转台用于通过手动调节千分尺改变空间光调制器左右偏转的角度。
进一步地，所述角度测量***的最大角度测量范围的获取过程包括：
激光器射出的光束在电荷耦合器探测器上形成多个光斑；
调节位于空间光调制器下的旋转台使得电荷耦合器探测器最底端的两个光斑分离到电荷耦合器探测器的最大位置处；当电荷耦合器探测器显示两光斑分离距离最大时，调整基于空间光调制器的光学相控阵使得光斑重新重合；多次转动旋转台和加载相控阵，直到相控阵没法控制光斑移动为止；最终角度测量***的最大角度测量范围为相控阵偏转最大距离和电荷耦合器探测器探测面的距离的总和。
进一步地，所述分光镜设有45度直角棱镜斜面。
进一步地，所述电荷耦合器探测器和空间光调制器还连接有电脑。
本发明还提供一种采用如上所述的一种基于相控阵的角度测量***的角度测量方法，包括以下步骤：
激光器射出的光束在电荷耦合器探测器上形成多个光斑；
初始状态时，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑重合；
当所述旋转台发生偏转后，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑分离，此时通过空间光调制器进行相位调制，使得电荷耦合器探测器最底端的两个光斑重新重合，根据空间光调制器的相位调制量，计算偏转角度。
进一步地，所述方法还包括：
若所述空间光调制器将相位调制量调整到最大值后，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑仍未重新重合，则进一步根据所述电荷耦合器探测器中最底端的两个光斑间的距离计算偏转角度。
进一步地，通过调节空间光调制器中光学相控阵的俯仰角，进行相位调制。
进一步地，所述相位调制量的计算表达式为：
Figure BDA0003105538060000041
式中，Phase为相位调制量，为加载到空间光调制器上，控制光束从空间光调制器单元出射时的转向，dx为x轴上阵元间距，dy为y轴上阵元间距，k为波数，k＝2*π/λ，λ为波长，θ0为俯仰角，φ0为水平角，±为偏转方向。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明基于相控阵的角度测量***，空间光调制器加载相控阵，通过得到的相控阵偏转最大距离和CCD距离，从而有效地扩大***测量范围，提高测量角度分辨率，本发明应用范围的广泛性，决定了其巨大的潜在市场价值。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于相控阵的角度测量***光路图；
图2为本发明实施例中提供的一种基于相控阵的角度测量***内部装置光路图，图中，(1)为光路第一变化状态图，(2)为光路第二变化状态图，(3)为光路第三变化状态图，；
图3为验证本实施例基于相控阵的角度测量***仿真结果图；
图4为验证本实施例基于相控阵的角度测量***实验结果图，其中(a)为空间光调制器加载俯仰角约2.333°相控阵的光斑前后变化图，(b)为空间光调制器加载俯仰角约4.667°相控阵的光斑前后变化图，(c)为空间光调制器加载俯仰角约7°相控阵的光斑前后变化图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
本实施例提供一种基于相控阵的角度测量***，包括激光器、准直器、分光镜、反射镜、电荷耦合器探测器、旋转台和空间光调制器，准直器正对激光器，准直器和电荷耦合器探测器分别位于分光镜一对相对的两侧，反射镜和空间光调制器分别位于分光镜另一对相对的两侧，空间光调制器安装在旋转台上；
激光器用于发射激光；
准直器正对激光器，用于将发散的激光转变为平行光输出至分光器；
分光器用于将激光分离为透射光和反射光；
反射镜用于对入射到反射镜的光束进行反射，然后依次经过分光镜和空间光调制器；
旋转台用于通过手动调节千分尺改变空间光调制器左右偏转的角度；
空间光调制器用于通过光学相控阵对传输至空间光调制器的光束进行相位调制，从而挪动电荷耦合器探测器上的光斑，使得电荷耦合器探测器上的多个光斑重新重合；
电荷耦合器探测器(CCD)用于获取光斑图像，光束通过分光镜在电荷耦合器探测器上形成多个光斑，通过电荷耦合器探测器测量光斑间的距离；
根据空间光调制器的相位调制量和电荷耦合器探测器中多个光斑间的距离，计算角度测量***的旋转角度。
激光器发射光源，到达准直器后输出平行光经分光镜进行传输；分光镜平行放置于空间光调制器和反射镜中间，经过分光镜将光分离成透射光和反射光。
空间光调制器采用反射型，即其每个点上的调制根据每个点反射率决定；相对设置反射镜和空间光调制器均为反射体，光束在两个反射体之间多次反射后出射。
角度测量***的最大角度测量范围的获取过程包括：
激光器射出的光束在电荷耦合器探测器上形成多个光斑；
调节位于空间光调制器下的旋转台使得电荷耦合器探测器最底端的两个光斑分离到电荷耦合器探测器的最大位置处；当电荷耦合器探测器显示两光斑分离距离最大时，调整基于空间光调制器的光学相控阵使得光斑重新重合；多次转动旋转台和加载相控阵，直到相控阵没法控制光斑移动为止；最终角度测量***的最大角度测量范围为相控阵偏转最大距离和电荷耦合器探测器探测面的距离的总和。
相比于现有技术中，CCD测量范围有限，光斑间距离不能太大，其角度探测范围有限；本申请角度测量***的最终测量范围为相控阵偏转最大距离和CCD距离，从而实现了扩大光斑测量范围。
本实施例中，分光镜设有45度直角棱镜斜面，电荷耦合器探测器和空间光调制器还连接有电脑，通过电脑进行整体控制。
本实施例还提供一种采用如上的一种基于相控阵的角度测量***的角度测量方法，包括以下步骤：
激光器射出的光束在电荷耦合器探测器上形成多个光斑；
初始状态时，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑重合；
当旋转台发生偏转后，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑分离，此时通过空间光调制器进行相位调制，使得电荷耦合器探测器最底端的两个光斑重新重合，根据空间光调制器的相位调制量，计算偏转角度；
若空间光调制器将相位调制量调整到最大值后，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑仍未重新重合，则进一步根据电荷耦合器探测器中最底端的两个光斑间的距离计算偏转角度。
通过调节空间光调制器中光学相控阵的俯仰角，进行相位调制。
基于空间光调制器的光学相控阵加载俯仰角为θ，水平角为0的相控阵相位；光束每经过相控阵反射一次进行一次相位调制，同时光束角度偏转增加θ；光学相控阵有效面积大于或等于空间光调制器面积，同时空间光调制器加载的相控阵范围为0～2π，可以保证空间光调制器对相位有效调控，同时光束相位能够至任意需要的值。
基于空间光调制器相控阵加载相位由以下公式确定：
Figure BDA0003105538060000061
式中，Phase为相位调制量，为加载到空间光调制器上，控制光束从空间光调制器单元出射时的转向，dx为x轴上阵元间距，dy为y轴上阵元间距，k为波数，k＝2*π/λ，λ为波长，θ0为俯仰角，φ0为水平角，±为偏转方向。
与现有技术相比，本发明将光学相控阵应用于精密测量***中，具体操作步骤如下：
1)采用高斯光束进行传输，经过准直器入射到分光镜45°直角棱镜斜面，一半透射光直接被CCD探测到，另一部分反射光依次经过空间光调制器和反射镜，再次经过45°直角棱镜斜面上反射到CCD。
2)调节空间光调制器、分光镜和反射镜三者相对位置，顺时针旋转位于空间光调制器下的旋转台，使得CCD能够探测到透射光与反射光。
3)光斑分离到CCD能够探测的最大距离时，在空间光调制器加载相控阵控制光斑移动位置。
4)当相控阵加载到空间光调制器上，如图2所示，每次经过相控阵时，偏转角发生改变。再依次经过45°直角棱镜斜面、反射镜、45°直角棱镜斜面时，反射光被CCD探测到。
5)调节相控阵的俯仰角，如图2(2)所示，使得CCD距离最近的标号1和2两个光斑重合；再次转动旋转台，如图2(3)所示，使得电荷耦合探测器1和2之间距离变大；之后多次经过图2(2)和图2(3)过程，直到相控阵不能改变光斑之间距离为止；得到***总的测量范围为相控阵偏转最大距离和CCD距离，加载相控阵会导致***信噪比下降，影响CCD输出图像。
对本实施例中的基于相控阵的角度测量***，以一个具体实例进行验证。空间光调制器，采用反射型，维度为800*600，每个像素点大小dx(10um)；分光镜大小为2.5*2.5*2.5(cm3)，光束经过准直器入射到45°直角棱镜斜面；旋转台，安装在空间光调制器下，控制空间光调制器左右偏转角度，千分尺转动一圈，旋转台旋转1.083°；反射镜大小为6*4(cm2)；CCD大小为1.41312*0.7452(cm2)；基于空间光调制器的光学相控阵，相控阵加载相位俯仰角范围约为2*每次旋转台旋转最大角度，确定公式中Phase。由于本次测量空间光调制器大小有限，当旋转多次后光斑会移到空间光调制器边缘，可以选择较大面积的空间光调制器，更多扩大测量范围。
分光镜位于空间光调制器和反射镜中间。图3所示，旋转台每次旋转0.1083°，记录两个光斑位置相对变化，可以看出旋转角度与两光斑相对位置呈线性关系。图4所示，加载一次相控阵的实验结果图。图4(a)左图所示，旋转台旋转约1.1913°，使得两光斑分离到CCD较远位置。如图4(a)右图所示为了使得两光斑重新重合，空间光调制器加载俯仰角约2.333°相控阵。图4(b)左图所示，旋转台第二次旋转约1.1913°，使得光斑分离到CCD较远位置。当空间光调制器加载俯仰角为4.667°，水平角为0°相控阵相位，光斑重新在CCD最左侧重合，如图4(b)右图所示。图4(c)左图所示，旋转台第三次旋转约1.1913°，使得两光斑分离到CCD较远位置。如图4(c)右图所示，当空间光调制器加载俯仰角为7°，水平角为0°相控阵相位，光斑再次重新在CCD最左侧重合，如图4(c)右图所示。经过多次加载相控阵重合光斑和转动旋转台分离到CCD光斑距离最大处，从而扩大CCD测量范围，使得测量结果更加精确。
从仿真结果和实验结果可以看出，基于相控阵的小角度测量***运用在两反射体之间，相控阵加载到空间光调制器控制光束转向。本发明基于相控阵的小角度测量***，***通过空间光调制器加载相控阵，有效地扩大CCD测量范围，提高测量角度分辨率和***灵敏度。光学相控阵能够精确测量小角度，本发明应用范围的广泛性，决定了其巨大的潜在市场价值。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于相控阵的角度测量***，包括激光器、准直器、分光镜、反射镜和电荷耦合器探测器，其特征在于，所述角度测量***还包括旋转台和空间光调制器，所述准直器正对所述激光器，所述准直器和电荷耦合器探测器分别位于所述分光镜一对相对的两侧，所述反射镜和空间光调制器分别位于所述分光镜另一对相对的两侧，所述空间光调制器安装在旋转台上；
所述激光器用于发射激光；
所述准直器正对所述激光器，用于将发散的激光转变为平行光输出至分光器；
所述分光器用于将激光分离为透射光和反射光；
所述反射镜用于对入射到反射镜的激光进行反射，然后依次经过分光镜和空间光调制器；
所述空间光调制器用于通过光学相控阵对传输至空间光调制器的激光进行相位调制，从而挪动电荷耦合器探测器上的光斑，使得电荷耦合器探测器上的多个光斑重新重合；
所述电荷耦合器探测器用于获取光斑图像，激光通过分光镜在电荷耦合器探测器上形成多个光斑，通过所述电荷耦合器探测器测量光斑间的距离；
根据所述空间光调制器的相位调制量和电荷耦合器探测器中多个光斑间的距离，计算所述角度测量***的旋转角度。
2.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的角度测量***，其特征在于，所述反射镜和空间光调制器均为反射体，激光在所述反射镜和空间光调制器间多次反射后出射。
3.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的角度测量***，其特征在于，所述旋转台用于通过手动调节千分尺改变空间光调制器左右偏转的角度。
4.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的角度测量***，其特征在于，所述角度测量***的最大角度测量范围的获取过程包括：
激光器射出的激光在电荷耦合器探测器上形成多个光斑；
调节位于空间光调制器下的旋转台使得电荷耦合器探测器最底端的两个光斑分离到电荷耦合器探测器的最大位置处；当电荷耦合器探测器显示两光斑分离距离最大时，调整基于空间光调制器的光学相控阵使得光斑重新重合；多次转动旋转台和加载相控阵，直到相控阵没法控制光斑移动为止；最终角度测量***的最大角度测量范围为相控阵偏转最大距离和电荷耦合器探测器探测面的距离的总和。
5.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的角度测量***，其特征在于，所述分光镜设有45度直角棱镜斜面。
6.根据权利要求1所述的一种基于相控阵的角度测量***，其特征在于，所述电荷耦合器探测器和空间光调制器还连接有电脑。
7.一种采用如权利要求1所述的一种基于相控阵的角度测量***的角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
激光器射出的激光在电荷耦合器探测器上形成多个光斑；
初始状态时，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑重合；
当所述旋转台发生偏转后，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑分离，此时通过空间光调制器进行相位调制，使得电荷耦合器探测器最底端的两个光斑重新重合，根据空间光调制器的相位调制量，计算偏转角度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
若所述空间光调制器将相位调制量调整到最大值后，电荷耦合器探测器最底端的两个光斑仍未重新重合，则进一步根据所述电荷耦合器探测器中最底端的两个光斑间的距离计算偏转角度。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过调节空间光调制器中光学相控阵的俯仰角，进行相位调制。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述相位调制量的计算表达式为：
Figure FDA0003523778560000021
式中，Phase为相位调制量，为加载到空间光调制器上，控制激光从空间光调制器单元出射时的转向，dx为x轴上阵元间距，dy为y轴上阵元间距，k为波数，k＝2*π/λ，λ为波长，θ0为俯仰角，φ0为水平角，±为偏转方向。
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