專利名稱：納弧度分辨率角位移測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及角位移測量，特別是一種納弧度分辨率角位移測量裝置，正弦相位調(diào)制半導(dǎo)體激光雙F-P干涉儀的結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近期發(fā)展起來的高精度角位移測量方法主要有全內(nèi)反射差動探測角位移測量法(參見在先技術(shù)[1]Aiyu Zhang and Peisen S.Huang“Total internal reflection forprecision small-angle measurement”Appl.Opt.2001 10 1617-1622)，此方法的測量原理如下激光束從玻璃介質(zhì)平面入射到空氣中，當(dāng)入射角接近全反射臨界角時(shí)，兩介質(zhì)界面上的反射激光束的光強(qiáng)將隨入射角的增大而迅速增大。根據(jù)菲涅耳公式得出反射光強(qiáng)度的變化量與入射角改變量即角位移之間的線性關(guān)系式，通過探測兩介質(zhì)界面上反射光強(qiáng)度的變化量，代入上述關(guān)系式來得到角位移。由于此儀器直接利用探測到的光強(qiáng)來計(jì)算角位移，測量過程中任何雜散光的存在都會對測量結(jié)果造成影響，帶入較大的測量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型要解決的問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種納弧度分辨率角位移測量裝置，以實(shí)現(xiàn)位移、距離、面形等參數(shù)的高精度的測量。
本實(shí)用新型采用半導(dǎo)體激光器(以下簡稱為LD)作光源將光外差技術(shù)與角位移測量結(jié)合起來。LD除體積小、用電省、價(jià)格低外，一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是波長調(diào)制簡便。這使得能提高測量精度的光外差技術(shù)在半導(dǎo)體激光干涉儀中可以簡單地通過直接調(diào)制LD的注入電流來實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型利用雙F-P干涉儀解決了角位移測量中初始角的確定問題，得出干涉信號的相位變化與被測物體角位移之間的線性關(guān)系。又采用了正弦相位調(diào)制光外差技術(shù)來精確測量干涉信號的相位變化，從而實(shí)現(xiàn)了被測物體角位移的精確測量。本實(shí)用新型是通過探測干涉信號的相位變化來得到被測物體角位移，對雜散光有較強(qiáng)的抗干擾作用，有效克服了上述在先技術(shù)中的不足。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下本實(shí)用新型的納弧度分辨率角位移測量裝置，包括帶有驅(qū)動電源的調(diào)制光源，沿著調(diào)制光源發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上放置著準(zhǔn)直物鏡和反射鏡，在反射鏡的反射光束的前進(jìn)方向上放置被測轉(zhuǎn)動鏡面。在被測轉(zhuǎn)動鏡面反射光的前進(jìn)方向上放置著分束鏡，該分束鏡的端口b出射的光束方向上與光束同光軸依次放置著第一F-P干涉儀、第一透鏡和第一光電轉(zhuǎn)換元件，該第一光電轉(zhuǎn)換元件經(jīng)第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。分束鏡端口c出射光束方向上依次放置著第二F-P干涉儀、第二透鏡和第二光電轉(zhuǎn)換元件，放置時(shí)第二F-P干涉儀和第二透鏡的光軸方向與分束鏡端口c的出射光束的光軸成一夾角γ。第二光電轉(zhuǎn)換元件與連接有計(jì)算機(jī)的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連。分束鏡端口d外放置著第三光電轉(zhuǎn)換元件，該第三光電轉(zhuǎn)換元件經(jīng)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相連。
所說的調(diào)制光源是半導(dǎo)體激光器(也稱激光二極管，簡稱為LD)。
所說的驅(qū)動電源提供直流、正弦交流信號給調(diào)制光源。
所說的第一光電轉(zhuǎn)換元件和第二光電轉(zhuǎn)換元件是光電二極管，或光電池等。
所說的第三光電轉(zhuǎn)換元件是CCD圖像探測器。
所說的分束鏡是指能夠?qū)⑷肷涔獍唇咏?∶1的光強(qiáng)比分成兩束光的元件。如分光棱鏡、兩面分別鍍析光膜的平行平板等。
所說的第一F-P干涉儀7和第二F-P干涉儀10是由兩塊平行平板平行放置構(gòu)成。
調(diào)制光源發(fā)出的光通過準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直后由反射鏡反射到被測轉(zhuǎn)動鏡面，被測轉(zhuǎn)動鏡面將光束反射到分束鏡，由該分束鏡分成兩束，其中端口b出射的反射光照射到第一F-P干涉儀，透過F-P干涉儀經(jīng)由第一透鏡匯聚到第一光電轉(zhuǎn)換元件上，光電轉(zhuǎn)換元件輸出一路電信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)入計(jì)算機(jī)。分束鏡端口c出射的透射光透過第二F-P干涉儀后，由第二透鏡匯聚到第二光電轉(zhuǎn)換元件上，光電轉(zhuǎn)換元件輸出的電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)。第一F-P干涉儀的反射光再次透過分束鏡，從該分束鏡的d端口出射照射到第三光電轉(zhuǎn)換元件上，第二F-P干涉儀的反射光由分束鏡的d端口出射照射到第三光電轉(zhuǎn)換元件上。第三光電轉(zhuǎn)換元件采集到的兩光束強(qiáng)度分布經(jīng)圖像采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型利用雙F-P干涉儀解決了角位移測量中初始角的確定問題，得出干涉信號的相位變化與被測物體角位移之間的線性關(guān)系。
2、本實(shí)用新型把正弦相位調(diào)制光外差探測技術(shù)與角位移測量結(jié)合起來，從而獲得了較高的測量精度。
3、本實(shí)用新型與在先技術(shù)[1]相比，采用正弦相位調(diào)制法通過測相位來測量物體的角位移，增強(qiáng)了儀器對雜散光的抗干擾能力，減少了儀器的測量誤差，提高了儀器的測量精度。


圖1為本實(shí)用新型納弧度分辨率角位移測量裝置的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為F-P干涉儀的示意圖。
具體實(shí)施方式
先請參閱圖1，本實(shí)用新型納弧度分辨率角位移測量裝置，包括帶有驅(qū)動電源1的調(diào)制光源2，沿著調(diào)制光源2發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上放置著準(zhǔn)直物鏡3和反射鏡4，在反射鏡4的反射光束的前進(jìn)方向上放置被測轉(zhuǎn)動鏡面5。被測轉(zhuǎn)動鏡面5反射光的前進(jìn)方向上放置著分束鏡6，分束鏡6端口b出射的光束方向上與光束同光軸依次放置著第一F-P干涉儀7，第一透鏡8和第一光電轉(zhuǎn)換元件9，第一光電轉(zhuǎn)換元件9與連接有計(jì)算機(jī)17的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器15相連。分束鏡6端口c出射光束方向上依次放置著第二F-P干涉儀10，第二透鏡11和第二光電轉(zhuǎn)換元件12，放置時(shí)第二F-P干涉儀10，第二透鏡11的光軸方向與分束鏡6端口c的出射光束光軸成一定夾角γ。第二光電轉(zhuǎn)換元件12與連接有計(jì)算機(jī)17的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器13相連。分束鏡6端口d，放置著第三光電轉(zhuǎn)換元件14，第三光電轉(zhuǎn)換元件14與連接有計(jì)算機(jī)17的圖像采集卡16相連。其中調(diào)制光源2采用波長為660nm的LD，第一光電轉(zhuǎn)換元件9和第二光電轉(zhuǎn)換元件12均為光電二級管。第三光電轉(zhuǎn)換元件14為CCD圖像探測器。分束鏡6采用兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板。反射鏡4為一面鍍金的平行平板。第一F-P干涉儀7和第二F-P干涉儀10是由兩塊平行平板平行放置構(gòu)成，兩平行平板的內(nèi)側(cè)在波長660nm處鍍90％的增反膜，外側(cè)鍍增透膜。
其具體工作過程是帶有驅(qū)動電源1的調(diào)制光源2發(fā)出的光通過準(zhǔn)直物鏡3準(zhǔn)直后由反射鏡4反射到被測轉(zhuǎn)動鏡面5，被測轉(zhuǎn)動鏡面5將光束反射到分束鏡6，由分束鏡6分成兩束，其中分束鏡6的反射光照射到第一F-P干涉儀7上，第一F-P干涉儀7把分束鏡6的反射光分成兩束，其中光束1直接透過第一F-P干涉儀7的兩平行平板，光束2透過第一F-P干涉儀7的平板1后，由平板2反射回來，再由平板1反射，透過平板2。如圖2所示。當(dāng)被測轉(zhuǎn)動鏡面5轉(zhuǎn)動角位移Δi(t)時(shí)，光束1和2的光程差Δl1可寫為
Δl1＝2nh1cos(i1+2Δi(t)) (1)與第一F-P干涉儀7相同，第二F-P干涉儀10把分束鏡6的透射光也分成兩束，這兩束光的光程差Δl2可寫為Δl2＝2nh2cos(i1+γ+2Δi(t)) (2)其中n為空氣折射率，h1、h2分別為第一F-P干涉儀和第二F-P干涉儀兩平板的間距，i1為分束鏡6端口b出射的反射光入射到第一F-P干涉儀7的初始入射角，i1+γ為分束鏡6端口c出射的透射光入射到第二F-P干涉儀10的初始入射角。
從第一F-P干涉儀7和第二F-P干涉儀10出來的干涉光分別由透鏡8和11匯聚到的一光電轉(zhuǎn)換元件9和第二光電轉(zhuǎn)換元件12上。
第一光電轉(zhuǎn)換元件9檢測到干涉信號S1(t)，第二光電轉(zhuǎn)換元件12檢測到干涉信號S2(t)。光電轉(zhuǎn)換元件9和12探測到的干涉信號S1(t)和S2(t)分別由模數(shù)轉(zhuǎn)換器15和13轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)17進(jìn)行計(jì)算，通過對S1(t)和S2(t)進(jìn)行傅里葉變換可以分別求出兩干涉信號的相位變化量α1和α2。而α1和α2又可由如下公式來表示α1＝2π(Δl1-2nh1cos(i1))/λ (3)α2＝2π(Δl2-2nh2cos(i1+γ))/λ (4)其中，λ為光源2的中心波長。第一F-P干涉儀7和第二F-P干涉儀10的反射光經(jīng)分束鏡6端口d照射到第三光電轉(zhuǎn)換元件14上，第三光電轉(zhuǎn)換元件14采集到的兩光束的強(qiáng)度分布經(jīng)圖像采集卡16進(jìn)入計(jì)算機(jī)17，通過計(jì)算可以得出γ。
被測轉(zhuǎn)動鏡面角位移Δi(t)可以表示為Δi(t)=-α12g1sini1.----(5)]]>其中g(shù)1＝4πnh1/λ，是由儀器參數(shù)構(gòu)成的常數(shù)。光線入射到第一F-P干涉儀7的初始入射角i1的三角函數(shù)sini1可表示為sini1=-b+b2-4c2.----(6)]]>其中b=α2g2sinγ-α1cosγg1sinγ,]]>c=e2+b24-e2e2+b2,]]>e=α1g1,]]>g1＝4πnh1/λ，g2＝4πnh2/λ。
通過計(jì)算機(jī)對第一光電轉(zhuǎn)換元件9和二光電轉(zhuǎn)換元件12檢測到的干涉信號進(jìn)行處理我們獲得α1、α2。將α1、α2和γ代入(6)式得出sini1，再將α1和sini1代入(7)式便可得出被測轉(zhuǎn)動鏡面的微角位移Δi(t)。選擇光源的波長為660nm，空氣折射率為1，兩F-P干涉儀的平板間距h1和h2均為10mm，可得出1/g1的值為5.25*10-6。采用正弦相位調(diào)制光外差技術(shù)測量干涉信號的相位變化α1，其分辨率在0.01rad以上。選擇sini1的值大于0.5，將1/g1、α1和sini1代入(7)式可得Δi(t)的分辨率在10-8rad數(shù)量級。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，本實(shí)用新型的測量分辨率可達(dá)納弧度量級。
權(quán)利要求1.一種納弧度分辨率角位移測量裝置，其特征在于它包括帶有驅(qū)動電源(1)的調(diào)制光源(2)，沿著調(diào)制光源(2)發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上放置著準(zhǔn)直物鏡(3)和反射鏡(4)，在反射鏡(4)的反射光束的前進(jìn)方向上放置被測轉(zhuǎn)動鏡面(5)，被測轉(zhuǎn)動鏡面(5)反射光的前進(jìn)方向上放置分束鏡(6)，該分束鏡(6)端口b出射的光束方向上與光束同光軸依次放置著第一F-P干涉儀(7)、第一透鏡(8)和第一光電轉(zhuǎn)換元件(9)，第一光電轉(zhuǎn)換元件(9)與連接有計(jì)算機(jī)(17)的第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器(15)相連，分束鏡(6)端口c出射光束方向上依次放置著第二F-P干涉儀(10)、第二透鏡(11)和第二光電轉(zhuǎn)換元件(12)，放置時(shí)第二F-P干涉儀(10)和第二透鏡(11)的光軸方向與分束鏡(6)端口c的出射光束的光軸成一定夾角γ，第二光電轉(zhuǎn)換元件(12)與連接有計(jì)算機(jī)(17)的第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器(13)相連，分束鏡(6)端口d，放置著第三光電轉(zhuǎn)換元件(14)，該第三光電轉(zhuǎn)換元件(14)與計(jì)算機(jī)(17)的圖像采集卡(16)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納弧度分辨率角位移測量裝置，其特征在于所說的調(diào)制光源(2)是一半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納弧度分辨率角位移測量裝置，其特征在于所說的驅(qū)動電源(1)給調(diào)制光源(2)提供直流、正弦交流信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納弧度分辨率角位移測量裝置，其特征在于所說的所說的第一光電轉(zhuǎn)換元件(9)和第二光電轉(zhuǎn)換元件(12)是光電二極管，或光電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納弧度分辨率角位移測量裝置，其特征在于所說的所說的第三光電轉(zhuǎn)換元件(14)是CCD圖像探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納弧度分辨率角位移測量裝置，其特征在于所說的分束鏡(6)是能夠?qū)⑷肷涔獍唇咏?∶1的光強(qiáng)比分成兩束光的元件，或分光棱鏡，或兩面分別鍍析光膜的平行平板。
專利摘要納弧度分辨率角位移測量裝置，包括帶有驅(qū)動電源的調(diào)制光源，沿著調(diào)制光源發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上放置著準(zhǔn)直物鏡和反射鏡，在該反射鏡的反射光束前進(jìn)方向上放置被測轉(zhuǎn)動鏡面，該被測轉(zhuǎn)動鏡面反射光方向上放置一分束鏡，該分束鏡的端口b出射光束方向上依次放置第一F－P干涉儀、第一透鏡和第一光電轉(zhuǎn)換元件，該第一光電轉(zhuǎn)換元件經(jīng)第一模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連，分束鏡端口c出射光束方向依次放置第二F－P干涉儀、第二透鏡和第二光電轉(zhuǎn)換元件，第二光電轉(zhuǎn)換元件經(jīng)第二模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)的相連，分束鏡端口d放置第三光電轉(zhuǎn)換元件并經(jīng)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)相連。本實(shí)用新型的測量分辨率達(dá)到了納弧度量級。
文檔編號G01B21/22GK2616888SQ0323026
公開日2004年5月19日 申請日期2003年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月11日
發(fā)明者張彩妮, 王向朝 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所