CN1322308C - 微小转角干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

一种微小转角干涉测量装置，其结构是：一调制的半导体激光器由可提供直流驱动信号和交流驱动信号的驱动电源驱动，在该半导体激光器发出的光束的前进方向上依次放置有光束准直***、光束缩束***和分光元件，在该分光元件的第一出射光束前进方向上经第一反光镜，进入第一测量臂组件，在所述的分光元件的第二出射光束前进方向放置第二测量臂组件，在所述的分光元件的第三出射光束前进方向上置有光电转换元件，该光电转换元件之后依次串连信号放大器、模数转换器与计算机。本发明的角位移测量分辨率由在先技术中的10^-4度(1.75*10^-6rad)提高到10^-8rad数量级。

Description

微小转角干涉测量装置

技术领域

本发明涉及微小转角测量，特别是一种微小转角的干涉测量装置。具体地讲是基于双直角棱镜和相位调制技术的一种微小转角干涉测量装置。

背景技术

微小角度的检测在精密控制与精密定位方面有着广泛的应用。由于生产加工自动化程度的提高，科学实验过程的高效性及误差溯源的科学性等要求，对被测物体空间自由度中转角的探测提出了更高的要求。例如在工业加工控制操作中，某些工作平台的微小旋转角检测的实现，沿直线运动的物体是否偏离其运动轨迹的监测，都需要由高精度的精密检测技术来完成。已有技术中，Kam C.Lau等人发明的激光测量***虽然可进行多维微小转角的检测，但由于其兼顾多自由度的测量，使其在某一自由度上转角的测量精度受到了限制，其精度为0.1″(参见在先技术[1]United States Patent，Patent Number：6049377)。1988年P.Shi and E.Stijns提出了一种小旋转角测量方法(参见在先技术[2]，“New Optical Methodfor Measuring Small-angle Rotations，Applied Optics，Vol.27 Issue 20 Page4342(October 1988)”)。因其采用干涉条纹探测法探测信号，对于发生干涉的两束光的光程差有一个半波长的变化时，干涉条纹的强度分布就有一个明暗变化。而仅根据干涉条纹的明暗变化来正确测量光程差小于半波长的微小转角是不可能的，这导致其测量分辨率的提高受到了限制。在先技术[2]中给出的分辨率是10^-4度(1.75*10^-6rad)。要想以更高精度实现微小转角的检测，在先技术[1]和在先技术[2]显然达不到检测精度要求。由于在先技术[2]中采用的光源是He-Ne激光器，无法对输出波长进行调制，因而限制了基于内调制方式的准外差技术的使用。另外此方法要求入射到两直角棱镜的初始位置要严格保证相同，这给实验调试、操作带来很大难度。

发明内容

本发明的目的是克服上述在先技术中的不足之处，提供一种微小转角干涉测量装置，将角位移测量分辨率提高到10^-8rad数量级。

本发明的技术解决方案如下：

一种微小转角干涉测量装置，特征在于其结构是：一调制的半导体激光器由提供直流电流驱动信号和交流电流驱动信号的驱动电源驱动，在该半导体激光器发出的光束的前进方向上依次放置有光束准直***、光束缩束***和分光元件，在该分光元件的第一出射光束a的前进方向上放置有第一反光镜，在该第一反光镜的出射光束d的前进方向上放置有第一测量臂组件，在第一测量臂组件的出射光束的前进方向上放置有第二反光镜，在所述的分光元件的第二出射光束b的前进方向上放置有第二测量臂组件，在第二测量臂组件的出射光束的前进方向上放置有第三反光镜，在所述的分光元件的第三出射光束c的前进方向上放置有光电转换元件，该光电转换元件的输出端与信号放大器的输入端相连，该信号放大器的输出端与模数转换器相连，该模数转换器与计算机相连。

所述的光束准直***由显微物镜和透镜组成。

所述的光束缩束***是指能将入射准直光按一定倍数缩束成较细且准直光束的光学***。

所述的分光元件是分光棱镜，或者是两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板。

所述的第一反光镜为高反射率的反射镜。所述第二反光镜和第三反光镜是两相同的并具有高反射率的反光镜。所述的第一测量臂组件和第二测量臂组件同时为直角棱镜或角锥棱镜。

所述的光电转换元件是光电二极管或光电池。

入射到第一测量臂组件和第二测量臂组件上的两光束间的初始间距d的测量精度为50-200μm。

本发明具有以下显著的特点：

1、本发明与在先技术[2]相比，利用半导体激光器做光源，通过改变注入电流对光源的波长进行调制，这是一种基于内调制方式的相位调制方法。在信号处理时，可通过快速傅立叶变换，获得所需低阶频谱分量信息，相当于对干涉信号进行了滤波，减小了测量误差，增强了对杂散光的抗干扰能力。

2、本发明与在先技术[2]相比，由于直接测量入射到两测量臂组件上的两光束之间的距离，省去了对直角棱镜的斜边长度和两棱镜间距的精确测量，而且使入射到两直角棱镜上的光束的初始位置不需要严格对称，这使得测量调试工作得到很大简化。

3、本发明与在先技术[1]、[2]相比，测量精度提高了两个数量级。

4、本发明与在先技术[2]中使用的He-Ne激光器相比，由于使用半导体激光器，缩小了测量装置的重量、体积，同时此干涉测量仪还具有价格低、用电省等优点。

附图说明

图1为本发明的微小转角干涉测量装置最佳实施例的结构示意图。

图2为本发明的由双直角棱镜构成的测量臂示意图。

图3为本发明测量臂在被测旋转平台上的配置的俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例及其附图对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1是本发明的微小转角干涉测量装置最佳实施例的结构示意图。由图可见，本发明微小转角干涉测量装置的结构是：一调制半导体激光器2由调制驱动电源1驱动，在该调制半导体激光器2发出的光束的前进方向上依次放置有光束准直***3、光束缩束***4和分光棱镜5，在该分光棱镜5的第一出射光束a的前进方向上放置有第一反光镜6，在该第一反光镜6的出射光束d的前进方向上放置有第一直角棱镜71，在第一直角棱镜71的出射光束的前进方向上放置有第二反光镜81，在所述的分光棱镜5的第二出射光束b的前进方向上放置有第二直角棱镜72，在第二直角棱镜72的出射光束的前进方向上放置有第三反光镜82，在所述的分光棱镜5的第三出射光束c的前进方向上放置有光电二极管9，该光电二极管9的输出端与信号放大器10的输入端相连，该信号放大器10的输出端与模数转换器11相连，该模数转换器11与计算机12相连。

所述的驱动电源1给半导体激光器2提供直流电流驱动信号和交流电流驱动信号。

所述的第一反光镜6为高反射率的反射镜。第二反光镜件81和第三反光镜82是两相同的高反射率的反光镜。

入射到第一直角棱镜71和第二直角棱镜72上的两光束间的初始间距d₀的测量精度为50-200μm。所述的d₀的测量精度要求不大于200μm可用线阵光电耦合器件(CCD)来测量。

本发明装置的工作过程如下：

调制驱动电源1为半导体激光器2提供直流电流驱动信号和正弦交流电流驱动信号，使由半导体激光器2发出的光的波长被正弦调制。被调制的光先后经光束准直***3准直、缩束***4缩束，再由分光棱镜5分成透射光路a和反射光束b。透射光束a经反光镜6反射，入射到第一直角棱镜71上，由第直角棱镜71出射的光入射到第二反光镜81上发生反射，使光束沿原光路返回至分光棱镜5。反射光束b入射到第二直角棱镜72上，由第二直角棱镜72出射的光，入射到第三反光镜82上并发生反射，使光束沿原光路返回至分光棱镜5。沿分光棱镜5的c方向出射的两束光发生干涉。此干涉光束含有被测物体的微小转角信息，由光电二极管9接收，将光信号转换为电信号。信号放大器10对此电信号进行放大后送入模数转换器11，转换成数字信号后输入计算机12，再经过计算机12的数据处理与运算，解出被测物体的微小转角信息。

光电二极管9检测到的干涉光信号为：

A(t)＝A₀(t)+g₀(t)cos[zcos(ωt+)+γ(t)]     (1)

其中，A₀(t)与g₀(t)分别为干涉信号的直流分量与交流分量的振幅：z为干涉信号A(t)的相位调制的振幅；ω为驱动电源1的调制信号的频率；t为时间；为调制信号的初始相位；γ(t)为待测转台转动时干涉信号A(t)产生的相位变化量。其中

γ(t)=4πd₀δ(t)/λ₀                         (2)

δ(t)为转角大小，d₀为入射到双直角棱镜上的两光束间的初始间距，如图2所示，d₀值可通过线阵CCD来测量。λ₀为激光器发光的中心波长。在数据处理时，通过对如(1)式所示的干涉信号进行傅立叶变换，解得此干涉信号的基频F(ω)和二倍频F(2ω)的频谱分量如下式所示：

其中J₁(z)、J₂(z)分别为一阶、二阶贝赛尔函数。由(3)式和(4)式可以求解出相位γ(t)的表达示为：

进而根据(5)式便可求出被测转角的大小，即

δ(t)＝γ(t)λ₀/4πd₀                  (6)

根据误差理论有：

$\mathrm{\Δ\δ}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\mathrm{\π}{d}_0}*\mathrm{\Δ\γ}\left(t\right)-\frac{{\mathrm{\λ}}_0\mathrm{\γ}\left(t\right)}{4\mathrm{\π}{d}_0^2}*\mathrm{\Δd}---\left(7\right)$

其中γ(t)的测量精度达到0.010弧度是可以实现的；d₀值一般是大于10毫米的，其测量精度不大于200微米也是可以实现的。根据(7)式可知，被测转角的测量分辨率可达到10^-8弧度数量级。

如图3所示的被测转台。使用时将第一测量臂组件和第二测量臂组件即两相同的直角棱镜P1、P2和两相同的反射镜M1、M2按照下述的位置关系固定在被测转台13上。P1、P2的斜边保持在同一水平直线上，M1、M2的反射面也位于同一平面内并与P1、P2的斜边平行。

如图1所示的测量装置的结构示意图：半导体激光器2为光源，其发光中心波长λ₀为660nm。光源2发出的光经光束准直***3准直，再由缩束***按缩束比5∶1进行缩束。准直后的光束由分光比为1∶1的分光棱镜5分成两束，这两束光再由测量臂中的反射镜反射，携带被测信息，再次经分光棱镜5合束后由光电二极管9探测干涉信号，然后经信号放大器10将信号放大后，由A/D转换器11进行模数转换后送入装有傅立叶变换处理程序的计算机12进行数据处理。当旋转平台绕旋转中心发生一微小转角δ＝θ₂-θ₁时，如图2所示。两干涉光束的相位差γ(t)为：

γ(t)＝4πd₀(tanθ₂-tanθ₁)/λ₀          (8)

其中θ₁、θ₂分别为t₁、t₂时刻对应的转角；d₀为入射到双直角棱镜上的两光束间的初始间距。当θ≤5^°时，tanθ≈θ。因此有：

γ(t)＝4πd₀(θ₂-θ₁)/λ＝4πd₀δ/λ₀    (9)

δ(t)＝γ(t)λ₀/4πd₀                    (10)

可见δ与γ是一种线性关系。

采用直流电流为70mA的驱动电流驱动激光器，再通过注入幅值为1mA的正弦型交变电流调制半导体激光器的输出波长λ，即有，

λ＝λ₀+Δλ＝λ₀+βacos(wt+φ)            (11)

其中λ₀为激光器输出的中心波长；Δλ为注入交变电流后引起的波长变化量；β为半导体激光器的波长-电流系数，a为正弦交变电流的幅值。由光电二极管9探测到的干涉信号，其交流分量g(t)可以表示为：

g(t)＝g₀(t)cos[zcos(ωt+)+γ₀+γ(t)]    (12)

其中z为干涉信号g(t)的相位调制振幅；而g₀(t)、、γ(t)、t等的符号含义与(1)式中的所述含义相同。此干涉信号由信号放大器10放大后，经模数转换器11送入计算机12进行数据处理。通过对干涉信号进行傅立叶变换，提取相关频谱信息，再由(5)式即可得出相位γ(t)，从而可得到被测旋转平台的微小转角δ(t)的信息。将γ＝2.350rad，d＝15.7000mm，Δγ＝0.010rad，Δd＝200.0μm以及λ₀＝660nm各项数值待入(7)式，可知该微小转角的测量分辨率可达到6.7*10^-8rad数量级。

Claims (7)

1、一种微小转角干涉测量装置，特征在于其结构是：一调制的半导体激光器(2)由提供直流电流驱动信号和交流电流驱动信号的驱动电源(1)驱动，在该半导体激光器(2)发出的光束的前进方向上依次放置有光束准直***(3)、光束缩束***(4)和分光元件(5)，在该分光元件(5)的第一出射光束a的前进方向上放置有第一反光镜(6)，在该第一反光镜(6)的出射光束d的前进方向上放置有第一测量臂组件(71)，在第一测量臂组件(71)的出射光束的前进方向上放置有第二反光镜(81)，在所述的分光元件(5)的第二出射光束b的前进方向上放置有第二测量臂组件(72)，在第二测量臂组件(72)的出射光束的前进方向上放置有第三反光镜(82)，在所述的分光元件(5)的第三出射光束c的前进方向上放置有光电转换元件(9)，该光电转换元件(9)的输出端与信号放大器(10)的输入端相连，该信号放大器(10)的输出端与模数转换器(11)相连，该模数转换器(11)与计算机(12)相连。

2、根据权利要求1所述的微小转角干涉测量装置，其特征在于所述的光束准直***(3)由显微物镜和透镜组成。

3、根据权利要求1所述的微小转角干涉测量装置，其特征在于所述的分光元件(5)是分光棱镜，或者是两面分别镀析光膜和增透膜的平行平板。

4、根据权利要求1所述的微小转角干涉测量装置，其特征在于所述的第一反光镜(6)为高反射率的反射镜，所述的第二反光镜(81)和第三反光镜(82)是两相同的并具有高反射率的反光镜。

5、根据权利要求1所述的微小转角干涉测量装置，其特征在于所述的第一测量臂组件(71)和第二测量臂组件(72)的结构相同，由直角棱镜或角锥棱镜构成。

6、根据权利要求1所述的微小转角干涉测量装置，其特征在于所述的光电转换元件(9)是光电二极管或光电池。

7、根据权利要求1所述的微小转角干涉测量装置，其特征在于入射到第一测量臂组件(71)和第二测量臂组件(72)上的两光束间的初始间距d的测量精度为50-200μm。