CN1396435A - 基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置，属于光电检测技术领域。本发明利用相位差180°的两列方波，分别调制光路中的两个半导体激光器或者分别调制光路中两个偏振方向正交的液晶光阀，产生两束分时交替的正交偏振光，使发射端输出交替工作的正交双偏振平行光；经过检偏器后产生光强差值，通过检测该差值得到滚转角的值。本发明与现有技术相比，光路结构简单，无较多复杂反馈电路，在保证测量精度的前提下，有效降低了生产成本；同时实现了x－y准直度的测量控制，节省了测量的时间，实现了并行实时测量，为进一步提高测量精度提供了条件。可广泛用于大型工件安装时的滚转角和准直度测量以及运动物的直线度和滚转角的自动跟踪***。

Description

基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种滚转角光电检测的方法及装置，特别涉及一种利用正交双偏振光的滚转角非接触式测量的方法及装置，属于光电检测技术领域。

背景技术

在机床或三坐标测量机等***中经常使用双频干涉仪进行长度测量。为了实时地修正长度测量中的阿贝误差，需要同时对长度、偏转角、俯仰角和滚转角进行测量。其中滚转角是最难于测量的一个。另外，在某些工件的安装和校准中，也需要对滚转角进行测量或者定位。在许多实际检测中，例如隧道互通、战斗机空中加油、航天器对接都要求对滚转角进行非接触式测量。因此，有必要研究一种具有高灵敏度、高稳定性的非接触式滚转角测量方法。

对于导轨滚转角误差的检测，一般有三种方法：电子水平仪法、法拉第磁光调制法和基于横向塞曼激光器的滚转角测量法。电子水平仪无法用于实时测量。

基于横向塞曼激光器的滚转角测量***，利用45°放置的四分之一波片将横向塞曼激光器射出的频率分别为ω₁ω₂正交线偏振光转变成为正交圆偏振光，检偏器作为滚转角传感器跟随被测件转动，再用光电探测器检测出射光的相位变化，得到检偏器的滚转角变化。这时相位变化与转角成线性关系，有

                              Δψ＝2α

式中Δψ为拍频信号的附加相位变化，α是检偏器转角。利用该***使用分辨率为0.003°的相位计，得到的测相精度为0.01°，相应的机械转角精度为0.005°。

清华大学蒋弘、殷纯永提出一种基于横向塞曼激光器的非线性滚转角测量***，《一种测量滚转角的新方法》(中国激光，第26卷，第12期，1999年12月)中利用四分之一波片将横向塞曼激光器出射的正交线偏振光轻微椭偏化，这时相位变化与转角成非线性关系，在特定的角度上出现测量转角的灵敏度倍增区。采用这种方法，可以实现大范围的滚转角测量，并且在特定的角度上得到很高的灵敏度。使用分辨率为0.01°的相位计，滚转角的测量分辨率达到0.00018°。

该方法是通过检测相位变化来测量滚转角的大小，虽然能够取得很高的分辨率，但是塞曼激光器价格昂贵，控制电路极其复杂。

法拉第磁光调制法检测滚转角，是利用磁致旋光物质的磁致旋光效应检测滚转角。线偏振光经过磁致旋光物质后，偏振方向偏转θ角度，

θ＝VHL

其中，V是磁光物质的费尔德常数，L是磁光物质的长度，H是磁场强度。

在被测物和固定基准上分别放置两偏振方向正交的偏振片，若滚转角为零，则光线经过两正交偏振片后光强为零；若滚转角不为零，则光线经两偏振片后光强不为零，光强的大小可以用光电探测器测得。在两正交偏振片之间放置磁致旋光物质(一般是钇铁石榴石晶体)，对通过基准偏振片后的线偏振光的偏振面进行调制，使得光通过被测物上的偏振片后光强为零。此时，在磁光物质上加的电压大小就反映了滚转角的大小，相位反映了滚转角的方向。

法拉第磁光调制法的分辨率很高，达0.1″。但是该方法由于存在旋光热漂移，故在多处采用反馈电路，电路复杂，对工作环境要求苛刻，并且法拉第磁光物质钇铁石榴石材料国内没有生产，需从日本引进，价格昂贵。

发明内容

本发明的目的和任务是在保证测量精度的前提下，提出一种光路结构简单，无较多复杂反馈电路的基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置，从而降低成本，易于推广应用。

本发明的目的和任务是通过如下技术方案实现的：一种基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法，该方法按如下步骤进行：

(1)利用相位差180°的两列方波，分别调制光路中两个偏振方向正交的液晶光阀，产生两束分时交替的正交偏振光，经过偏振分光棱镜后，使发射端输出交替工作的正交双偏振平行光；

(2)正交双偏振平行光通过在接收端放置的初始偏振方向与入射正交偏振光互成45°的检偏器及放置在其后的透镜将光会聚在该透镜焦点处的光强探测器上；

(3)光强探测器将两正交双偏振光光强转化为电信号，该电信号放大后，经过两个脉冲信号采样，分别得到代表两正交双偏振光光强的电信号，将两电信号送入减法器相减，经低通滤波放大后得到的电压值的正负即反映了滚转角的方向，其电压绝对值大小反映了滚转角的值。

为实现上述目的，本发明提供的第二种基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法，该方法包括如下步骤：

(1)利用相位差180°的两列方波，分别调制光路中的两个半导体激光器，产生两束分时交替的光；使两束分时交替光分别经过两个偏振方向正交的偏振片后输出正交双偏振光，再经过偏振分光棱镜后，使发射端输出交替工作的正交双偏振平行光；

(2)正交双偏振平行光通过在接收端放置的初始偏振方向与入射正交偏振光互成45°的检偏器及放置在其后的透镜将光会聚在该透镜焦点处的光强探测器上；

(3)光强探测器将两正交双偏振光光强转化为电信号，该电信号放大后，经过两个脉冲信号采样，分别得到代表两正交双偏振光光强的电信号，将两电信号送入减法器相减，经低通滤波放大后得到的电压值的正负即反映了滚转角的方向，其电压绝对值大小反映了滚转角的值。

本发明提供了一种实施上述第一种测量方法的滚转角光电检测装置，该装置由放置在基准上的发射端和放置在被测物体上的接收端组成，其特征在于，所述的发射端主要包括半导体激光器，与该激光器相连的半导体激光器电源、耦合透镜，两块带有分时调制器的液晶光阀，偏振分光棱镜和准直透镜，所述的两块液晶光阀分别放置在偏振分光棱镜相邻的两个面上，所述的耦合透镜通过光纤和光纤定向耦合器分别与两块液晶光阀连接，所述光纤的出光点设置在准直透镜的焦点上；所述的接收端主要包括垂直设置在发射平行光路中的初始偏振方向与正交双偏振光互成45°的检偏器，放置在其后的会聚透镜和放置在会聚透镜焦点上的光强探测器及与该探测器相连的滚转角信号处理电路。

本发明还提供了实施上述第二种测量方法的滚转角光电检测装置，该装置由放置在基准上的发射端和放置在被测物体上的接收端组成，其特征在于，所述的发射端主要包括分时调制器，受调制器调制的两个半导体激光器电源，与两个半导体激光器电源分别相连的两个半导体激光器，偏振分光棱镜，设置在半导体激光器与偏振分光棱镜之间的两个准直透镜，两块起偏器，所述两个半导体激光器的出光点分别设置在所述的两个准直透镜的焦点上，所述的两块起偏器分别放置在偏振分光棱镜相邻的两个面上；所述的接收端主要包括垂直设置在发射平行光路中的初始偏振方向与正交双偏振光互成45°的检偏器，放置在其后的会聚透镜和放置在会聚透镜焦点上的光强探测器及与该探测器相连的滚转角信号处理电路。

在所述的第一种检测装置中，所述准直透镜放置在所述偏振分光棱镜的出射光路中或将两个准直透镜分别放置在所述两块液晶光阀的入射光路中。

为了实现滚转角和准直度的同时测量，在上述两种检测装置中，在所述接收端还包括偏振分光棱镜、四象限光强探测器及与该探测器相连的准直度信号处理电路，所述偏振分光棱镜放置在检偏器前的平行光路中，所述四象限光强探测器放置在偏振分光棱镜出射光路中。

本发明提出的基于正交双偏振光的滚转角非接触式检测方法及装置，是应用分时调制的正交双偏振光经过检偏器后产生的光强差值，通过检测该差值得到滚转角的值。这种方法及装置与现有技术相比，光路结构简单，无较多的复杂反馈电路，因此在保证测量精度的前提下，有效降低了产品的生产成本；同时实现了x-y准直度的测量控制，节省了测量的时间，实现了并行实时测量，为进一步提高测量精度提供了条件。可广泛用于大型工件安装时的滚转角和准直度测量以及运动物的直线度和滚转角的自动跟踪***。

附图说明

图1：为本发明采用液晶光阀分时调制的滚转角光电检测装置实施例的结构原理示意图。

图2：为本发明采用半导体激光器直接分时驱动的滚转角光电检测装置实施例的结构原理示意图。

图3：为本发明采用液晶光阀分时调制的滚转角与准直度检测装置实施例的结构示意图。

图4：为采用双偏振光检测滚转角原理示意图。

图5：为分时调制用方波及采样脉冲图。

图6：为分时调制器及采样脉冲发生电路框图。

图7：为滚转角光强探测器输出波形图。

图8：为滚转角测量电路框图。

图9：为四象限光强探测器检测准直度原理图。

图中：1、29为半导体激光器；2为耦合透镜；3、5、6为光纤；4为光纤定向耦合器(50∶50)；7、8为液晶光阀；9、13为偏振分光棱镜；10、24、25为准直透镜；11、26为半导体激光器驱动电源；12为分时调制器；14为检偏器；15为会聚透镜；16为光强探测器；17为四象限光强探测器；18为准直度信号处理电路；19为滚转角信号处理电路；20为发射端；21为接收端；22、23为起偏器；

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的原理、具体结构及实施方式：

本发明提出的基于正交双偏振光检测滚转角的方法可以采用以下两种具体实施方式来实现，现说明如下：

具体实施方式1为液晶光阀调制式滚转角检测方法及装置。

图1是本发明采用液晶光阀分时调制的滚转角光电检测装置实施例的结构原理示意图。

该方法利用如图6所示电路框图产生的相位差180°的两列方波信号a、b，分别调制光路中的两个偏振方向正交的液晶光阀7、8，使发射端20输出两束分时交替工作的正交双偏振平行光；该平行光通过在接收端21放置的初始偏振方向与入射正交偏振光互成45°的检偏器14，经放置在其后的透镜15将光会聚在放在透镜焦点处的光强探测器16上；探测器16将两正交双偏振光光强转化为电信号，利用图8所示滚转角信号处理电路，该电信号放大后，经过两个脉冲信号采样，分别得到代表两正交双偏振光光强的电信号，两电信号送入减法器相减，经低通滤波，放大后得到的电压值的正负即反映了滚转角的方向，其电压绝对值大小反映了滚转角的值。

实现上述方法的装置由放置在基准上的发射端20和放置在被测物体上的接收端21组成，发射端采用液晶光阀调制方式。发射端主要包括半导体激光器1，与该激光器相连的半导体激光器电源11、耦合透镜2，两块带有分时调制器12的液晶光阀7和8，偏振分光棱镜9和准直透镜10，两块液晶光阀分别放置在偏振分光棱镜9相邻的两个面上，耦合透镜2通过光纤3和光纤定向耦合器(50∶50)4分别与两块液晶光阀连接，光纤5、6的出光点设置在准直透镜10的焦点上。接收端21主要包括垂直设置在发射平行光路中的初始偏振方向与正交双偏振光互成45°的检偏器14，放置在其后的会聚透镜15和放置在会聚透镜焦点上的光强探测器16及与该探测器相连的滚转角信号处理电路19(图8示出了该电路的框图)。在该装置中，准直透镜10的安装位置可以采用两种具体实施方式：一种是在偏振分光棱镜9的出射光路中设置一个准直透镜；另一种实施方式是在两个液晶光阀的入射光路中分别设置一个准直透镜。其测量原理如下：

半导体激光器1发出的激光经耦合透镜2，耦合进光纤3，再经分光比为50∶50的光纤定向耦合器4，分成光强相等的两束光，分别进入光纤5和6，在光纤5和6的输出端形成强度相等的两个点光源，两点光源位于准直透镜10的焦点处。两液晶光阀7、8分别位于光纤5、6的出口处，且偏振方向互成90°(正交)，两点光源发出的光分别经液晶光阀7、8，偏振分光棱镜9和准直透镜10后，形成在同一直线上传播的分时调制正交双偏振平行光。分时调制器输出相位差180°的两路方波信号(图5a、b)分别加在液晶光阀7、8上，两液晶光阀交替导通(通光)与关闭(遮光)，从而使准直透镜10交替分时输出正交双偏振平行光。图6表示出了分时调制器的电路框图，压控振荡器输出信号经过两次二分频输出相位差180°的两路方波信号a、b。

接收端21放置的检偏器14初始偏振方向与入射正交偏振光互成45°(如图4C-C位置，此时称角度零位)，通过检偏器14后的偏振光经放置在其后的透镜15将光会聚在放在透镜焦点处的光强探测器16上。当检偏器的初始偏振方向与入射正交偏振光成45°时，即检偏器处于角度零位时，正交双偏振光通过检偏器投射到光强探测器上的光强相等，探测器的输出电压为一直线(如图7a所示)。当检偏器的偏振方向沿顺时针方向偏离角度零位即C-C位置α角度时(即图4D-D位置)，沿检偏器D-D方向偏振方向为A-A的偏振光在探测器上的投影光强大于偏振方向为B-B的偏振光在探测器上的投影光强，探测器的输出电压是图7b方波。同理，检偏器偏振方向沿逆时针方向偏离角度零位即C-C位置α角度时(即图4E-E位置)，沿检偏器E-E方向偏振方向为A-A的偏振光在探测器上的投影光强小于偏振方向为B-B的偏振光在探测器上的投影光强，探测器的输出电压如图7c所示。图7b、c方波的高低电压差反映了滚转角变化的大小，相位表示滚转角的变动方向，其原理如下：由于所测的电压差和双偏振光投影到探测器上的光强差成线性关系，而双偏振光投影到探测器上的光强差ΔI和滚转角α的数学关系如下， $\mathrm{\ΔI}=I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{4}-\mathrm{\α})-I_0{\cos }^2(\frac{\mathrm{\π}}{4}+\mathrm{\α})$ $=I_0\left(\frac{[1+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-2\mathrm{\α})]-[1+\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}+2\mathrm{\α})]}{2}\right)$ $=I_0\left(\frac{(1+\sin 2\mathrm{\α})-(1-\sin 2\mathrm{\α})}{2}\right)$ ＝I₀sin2α

当滚转角α比较小的情况下，投影到探测器上的双偏振光光强差ΔI与滚转角α呈线性关系，即所测的方波信号的高低电压差与滚转角α亦呈线性关系。

由光强探测器16输出的电信号送入滚转角信号处理电路19，经过放大后，用两个采用脉冲进行采样，得到代表两正交双偏振光光强的电信号，两电信号送入减法器相减，经低通滤波，放大后得到的电压值正负反映了滚转角的方向，其电压绝对值反映了滚转角的值。采样脉冲由如图6所示的电路产生。压控振荡器输出信号经过两次二分频输出与分时调制器输出方波信号a、b相位差均为90°的一路方波信号(图5c)，其上升沿和下降沿分别触发两个单稳态产生两列采样脉冲信号(图5d、e)，分别用作对探测器输出光强信号在T1、T2时间内的采样。

具体实施方式2为双半导体激光器分时调制式滚转角检测方法及装置。

图2是本发明采用双半导体激光器分时调制的滚转角光电检测装置实施例的结构原理示意图。

该方法利用如图6所示电路框图产生的相位差180°的两列方波信号a、b，分别调制光路中的两个半导体激光器1、29，产生两束分时交替的光；使两束分时交替光分别经过两个偏振方向正交的起偏器22、23后输出正交双偏振光，再经过偏振分光棱镜9后，使发射端20输出交替分时工作的正交双偏振平行光；该平行光通过在接收端21放置的初始偏振方向与入射正交偏振光互成45°的检偏器14及放置在其后的透镜15将光会聚在该透镜焦点处的光强探测器16上；探测器16将两正交双偏振光光强转化为电信号，利用图8所示电路，该电信号放大后，经过两个脉冲信号d、e采样，分别得到代表两正交双偏振光光强的电信号，将两电信号送入减法器相减，经低通滤波放大后得到的电压值的正负即反映了滚转角的方向，其电压绝对值大小反映了滚转角的值。

实现上述方法的装置由放置在基准上的发射端20和放置在被测物体上的接收端21组成。发射端主要包括分时调制器12，受调制器调制的两个半导体激光器电源11、26，与两个半导体激光器电源分别相连的两个半导体激光器1和29，偏振分光棱镜9，设置在半导体激光器与偏振分光棱镜之间的两个准直透镜24和25，两块起偏器22和23，两个半导体激光器的出光点分别设置在所述的两个准直透镜的焦点上，两块起偏器分别放置在偏振分光棱镜9相邻的两个面上。接收端21主要包括垂直设置在发射平行光路中的初始偏振方向与正交双偏振光互成45°的检偏器14，放置在其后的会聚透镜15和放置在会聚透镜焦点上的光强探测器16及与该探测器相连的滚转角信号处理电路19。其测量原理如下：

发射端中，采用双半导体激光器直接调制的方式。用分时调制器12产生相位差180°的调制方波(图2a、b)分别调制两个半导体激光器电源11、26，使两个半导体激光器1、29产生两束分时传播的光波。两束光分别经准直透镜24、25准直，再分别通过偏振方向互成90°的起偏器22、23，由偏振分光棱镜9合光，形成在同一直线上传播的分时调制正交双偏振平行光。

发射端20发射的正交双偏振光传入接收端21。此处，接收端与实施例1相同。

在上述两种实施方案的基础上，在接收端增设偏振分光棱镜13、四象限光强探测器17及与该探测器相连的准直度信号处理电路18。偏振分光棱镜13放置在检偏器14前的平行光路中，四象限光强探测器17放置在偏振分光棱镜13的出射光路中。发射端发出的正交双偏振平行光一部分经分光棱镜反射投向放置在偏振分光棱镜13前的四象限光强探测器17上，四象限光强探测器输出信号送入准直度信号处理电路18处理(如图3所示)。

准直度信号处理电路原理如下：如图9所示，从四象限探测器得到的四路光强信号分别记为A、B、C、D，则x-y方向上的直线度偏差X、Y，可分别由下式求得， $X=\frac{(A+C)-(B+D)}{A+B+C+D}$ $Y=\frac{(A+B)-(C+D)}{A+B+C+D}$ 按照上述方案，即可实现滚转角和准直度的同时测量。

Claims (7)

1.一种基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法，该方法按如下步骤进行：

(1)利用相位差180°的两列方波，分别调制光路中两个偏振方向正交的液晶光阀，产生两束分时交替的正交偏振光，经过偏振分光棱镜后，使发射端输出交替工作的正交双偏振平行光；

(2)正交双偏振平行光通过在接收端放置的初始偏振方向与入射正交偏振光互成45°的检偏器及放置在其后的透镜将光会聚在该透镜焦点处的光强探测器上；

(3)光强探测器将两正交双偏振光光强转化为电信号，该电信号放大后，经过两个脉冲信号采样，分别得到代表两正交双偏振光光强的电信号，将两电信号送入减法器相减，经低通滤波放大后得到的电压值的正负即反映了滚转角的方向，其电压绝对值大小反映了滚转角的值。

2.一种基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法，该方法包括如下步骤：

(1)利用相位差180°的两列方波，分别调制光路中的两个半导体激光器，产生两束分时交替的光；使两束分时交替光分别经过两个偏振方向正交的偏振片后输出正交双偏振光，再经过偏振分光棱镜后，使发射端输出交替工作的正交双偏振平行光；

(2)正交双偏振平行光通过在接收端放置的初始偏振方向与入射正交偏振光互成45°的检偏器及放置在其后的透镜将光会聚在该透镜焦点处的光强探测器上；

(3)光强探测器将两正交双偏振光光强转化为电信号，该电信号放大后，经过两个脉冲信号采样，分别得到代表两正交双偏振光光强的电信号，将两电信号送入减法器相减，经低通滤波放大后得到的电压值的正负即反映了滚转角的方向，其电压绝对值大小反映了滚转角的值。

3.实施如权利要求1所述方法的检测装置，由放置在基准上的发射端和放置在被测物体上的接收端组成，其特征在于，所述的发射端主要包括半导体激光器，与该激光器相连的半导体激光器电源、耦合透镜，两块带有分时调制器的液晶光阀，偏振分光棱镜和准直透镜，所述的两块液晶光阀分别放置在偏振分光棱镜相邻的两个面上，所述的耦合透镜通过光纤和光纤定向耦合器分别与两块液晶光阀连接，所述光纤的出光点设置在准直透镜的焦点上；所述的接收端主要包括垂直设置在发射平行光路中的初始偏振方向与正交双偏振光互成45°的检偏器，放置在其后的会聚透镜和放置在会聚透镜焦点上的光强探测器及与该探测器相连的滚转角信号处理电路。

4.根据权利要求3所述的检测装置，其特征在于：所述准直透镜放置在所述偏振分光棱镜的出射光路中或将两个准直透镜分别放置在所述两块液晶光阀的入射光路中。

5.实施如权利要求2所述方法的检测装置，由放置在基准上的发射端和放置在被测物体上的接收端组成，其特征在于：所述的发射端主要包括分时调制器，受调制器调制的两个半导体激光器电源，与两个半导体激光器电源分别相连的两个半导体激光器，偏振分光棱镜，设置在半导体激光器与偏振分光棱镜之间的两个准直透镜，两块起偏器，所述两个半导体激光器的出光点分别设置在所述的两个准直透镜的焦点上，所述的两块起偏器分别放置在偏振分光棱镜相邻的两个面上；所述的接收端主要包括垂直设置在发射平行光路中的初始偏振方向与正交双偏振光互成45°的检偏器，放置在其后的会聚透镜和放置在会聚透镜焦点上的光强探测器及与该探测器相连的滚转角信号处理电路。

6.根据权利要求3或4所述的检测装置，其特征在于：所述接收端还包括偏振分光棱镜、四象限光强探测器及与该探测器相连的准直度信号处理电路，所述偏振分光棱镜放置在检偏器前的平行光路中，所述四象限光强探测器放置在偏振分光棱镜出射光路中。

7.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于：所述接收端还包括偏振分光棱镜、四象限光强探测器及与该探测器相连的准直度信号处理电路，所述偏振分光棱镜放置在检偏器前的平行光路中，所述四象限光强探测器放置在偏振分光棱镜出射光路中。

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