專利名稱：基于激光自混合干涉的微小角度測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于激光自混合干涉的微小角度測量方法及裝置。
背景技術(shù)：
角度測量是計量科學的重要組成部分，微小角度的測量在航空航天、軍事、微機電系統(tǒng)、精密加工、高精度檢測等許多領(lǐng)域都具有極其重要的意義和作用。目前常用的微小角度測量方法主要有光學自準直法、激光干涉法等。各種裝置有各自的特點及應(yīng)用局限性。自準直法就是在光學上使物體和像分別位于共軛平面上，當物體發(fā)生轉(zhuǎn)動時，物體在像面上所成的像點也隨之發(fā)生移動，通過測量像點的移動量便可以求出物體轉(zhuǎn)動的角度。傳統(tǒng)激光干涉法是利用測量光束和參考光束的干涉現(xiàn)象，即將角度的變化轉(zhuǎn)換成兩束光的光程差變化，從而引起干涉條紋移動，通過測量干涉條紋的移動量，來實現(xiàn)對角度的高精度測量。自準直法原理簡單，操作方便，但測量精度較低；傳統(tǒng)激光干涉法裝置復(fù)雜，但測量精度高。
激光自混合干涉是指激光器輸出光被外部物體反射或散射后，部分光反饋回激光器內(nèi)，與激光腔內(nèi)光相混合后，引起激光器輸出功率發(fā)生變化的現(xiàn)象，也可稱為光回饋，即激光器輸出的光反饋自身的諧振腔內(nèi)。光回饋引起的功率變化輸出信號與傳統(tǒng)的雙光束干涉信號類似，當外部反射物每移動半個激光波長的位移時，激光器輸出功率變化一個條紋周期。激光自混合干涉系統(tǒng)僅有一個光學通道，并且可以做到“絕對”測量，相對傳統(tǒng)的激光干涉系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、易準直等優(yōu)點，在許多場合可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)干涉儀，目前主要應(yīng)用于位移和距離、速度和振動等的測量。利用激光自混合干涉現(xiàn)象對角度測量的研究甚少，僅有學者報道，由于外腔鏡偏離不同的角度，使得激光經(jīng)外腔鏡反射回內(nèi)腔的回饋量不同，從而引起激光自混合干涉條紋的幅度也不同，可通過測量自混合干涉條紋的幅度變化，來實現(xiàn)對偏離角度的測量，但這種測量方法對激光器的穩(wěn)定性要求較高，難于提高測量精度，并且當角度連續(xù)變化時，測量較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光自混合干涉的微小角度測量方法，有效地解決自準直法測量精度較低和傳統(tǒng)激光干涉法裝置復(fù)雜的問題。
本發(fā)明的目的還在于提供一種實現(xiàn)上述方法的測量裝置。
本發(fā)明的一種基于激光自混合干涉的微小角度測量方法，見圖1，是在被測物體4表面設(shè)置一反射鏡3，激光器1輸出的激光束通過光闌2垂直入射到反射鏡3上，入射線偏離被測物體4的角度旋轉(zhuǎn)中心，激光束經(jīng)反射鏡3反射回激光器1中，引起激光自混合干涉，激光器1的輸出功率用一光電探測器5進行監(jiān)測，當被測物體4發(fā)生微小角度旋轉(zhuǎn)時，光電探測器5監(jiān)測到的激光器1的輸出功率將隨著角度的變化而變化，角度的變化引起的回饋光的光程每變化半個激光波長，激光器1的輸出功率變化一個條紋周期，通過預(yù)先定標好的角度和輸出功率間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)對被測物體4微小旋轉(zhuǎn)角度的測量。
優(yōu)選方案通過曲線擬合找到干涉條紋幅度最大處，將干涉條紋幅度最大處的角度作為角度測量的零基準角。
實現(xiàn)所述的方法的基于激光自混合干涉的微小角度測量裝置，如圖1所示，包含一個激光器1，一個光闌2，一個設(shè)置于被測物體4表面的反射鏡3，一個光電探測器5，一個信號采集處理模塊10，激光器1的激光束偏離被測物體4的角度旋轉(zhuǎn)中心，且正好穿過光闌2的小孔，反射鏡3放在光闌2的另一側(cè)，激光束穿過光闌后入射到反射鏡上，反射鏡3的另一側(cè)放置有光電探測器5，信號采集處理模塊10與光電探測器5相連。
反射鏡3優(yōu)選低反射率鏡。所述低反射率鏡優(yōu)選光楔反射鏡。
本發(fā)明的測量方法中，回饋光線偏離入射光線的角度越小，光回饋到激光腔內(nèi)的量就越大，自混合干涉條紋的幅度也越大，通過曲線擬合，可找到干涉條紋幅度最大處，在此處，回饋光線和入射光線的夾角近似為零度，因此可以將干涉條紋幅度最大處的角度作為角度測量的零基準角。通過曲線擬合找到干涉條紋幅度最大處，將干涉條紋幅度最大處的角度作為角度測量的零基準角。
當旋轉(zhuǎn)角度增大時，回饋光可能偏離出激光腔，此時干涉條紋的幅度接近零，因此當干涉條紋的幅度接近零時所對應(yīng)的角度，即為所能測量的最大角度，激光器離回饋光反射鏡越近，測量系統(tǒng)所能測量的最大角度就越大。
本發(fā)明是將被測物體的角度變化轉(zhuǎn)化為回饋光的光程變化，并且使得入射到被測物體表面(反射鏡)的入射光線偏離被測物體的角度旋轉(zhuǎn)中心，以保證回饋光的光程隨被測物體的角度按近似線性變化，并且入射光線偏離角度旋轉(zhuǎn)中心越遠，回饋光的光程隨角度變化就越大，自混合干涉條紋也就越密。利用條紋細分技術(shù)提高測量精度，為了便于條紋細分，采用弱回饋方式，使得激光器自混合干涉條紋為近余弦波形狀。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和有益效果相對傳統(tǒng)激光干涉法測角系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，并且可以進行零基準角的自校準；相對自準直法測量精度更高。


圖1是本發(fā)明方法采用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1-激光器；2-光闌；3-平面反射鏡；4-被測物體，5-光電探測器；10-信號采集處理模塊。
圖2是本發(fā)明方法中的光程隨角度變化關(guān)系示意圖。
圖3是本發(fā)明方法用于測量被步進電機驅(qū)動的微小旋轉(zhuǎn)角度時的一種測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，6-信號調(diào)理電路；7-計算機；8-數(shù)據(jù)采集卡；9-步進電機。
圖4是根據(jù)圖3測量裝置實測到的光功率隨角度的變化曲線。
圖5是本發(fā)明方法用于測量被步進電機驅(qū)動的微小旋轉(zhuǎn)角度時的一種測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是根據(jù)圖5測量裝置實測到的光功率隨角度的變化曲線。
具體實施例方式
如圖1所示，激光器1發(fā)射出的激光束經(jīng)光闌2垂直入射到平面反射鏡3，平面反射鏡3固定在被測物體4上隨被測物體4旋轉(zhuǎn)，入射光線偏離被測物體4的旋轉(zhuǎn)中心，虛線交點為旋轉(zhuǎn)中心；偏離量由自混合干涉條紋的疏密程度決定。為了采用弱回饋方式，可將反射率只有4％左右的透明玻璃片用作平面反射鏡3。激光器1的輸出功率由光電探測器5監(jiān)測，光電探測器5采集到的激光功率信號，經(jīng)信號采集處理模塊10分析處理。
如圖2所示，設(shè)平面反射鏡與角度旋轉(zhuǎn)中心之間的距離為d，光束入射點偏離旋轉(zhuǎn)中心的角度為α，當被測物體旋轉(zhuǎn)角度θ時，回饋光的光程變化ΔL為ΔL=2d(tgα-tgθ2)tgθ---(1)]]>如果θ為微小角度(小于0.1度)，由(1)式表示的回饋光的光程變化ΔL可寫為ΔL≅(2dtgα)θ=2hθ---(2)]]>在圖2中，如果將反射鏡的反射面放置在過角度旋轉(zhuǎn)中心的平面上，即d＝0和α＝π/2時，同樣有ΔL＝2hθ(3)顯然，在上述兩種情況下，當被測物體旋轉(zhuǎn)角度θ為微小角度時，回饋光的光程隨被測物體的角度按近似線性變化。
實施例1如圖3，激光器1采用腔長為250毫米、輸出功率為3毫瓦的氦氖激光器；一透明光楔反射鏡3固定在旋轉(zhuǎn)臺4上，采用光楔作為反射鏡可以避免平面反射鏡的兩個表面的反射光同時回饋到激光腔中，這樣只有一個表面的反射光可以回饋到激光腔中，透明光楔反射鏡反射率為4％左右形成弱回饋方式；激光束偏離被測物體4角度旋轉(zhuǎn)中心的距離d＝0.75mm，光楔反射鏡3距角度旋轉(zhuǎn)中心的距離h＝1.5cm。用一硅光電池5探測透過光楔的光束能量，硅光電池5將光信號轉(zhuǎn)化為電信號后再經(jīng)信號調(diào)理電路6放大后供數(shù)據(jù)采集卡8采集，計算機7主要完成測量信號的數(shù)據(jù)采集和步進電機驅(qū)動器9的控制等功能，本系統(tǒng)采用美國NI(National Instruments)公司的PCI-6025E型數(shù)據(jù)采集卡。
圖4為實測到的光功率隨角度變化的曲線。圖中，虛線為曲線擬合線，通過曲線擬合線可以找到干涉條紋幅度最大處，將此處對應(yīng)的角度作為角度測量的零基準角。通過預(yù)先定標好的每變化一個條紋周期所對應(yīng)的角度值和條紋細分技術(shù)，利用圖4可實現(xiàn)對被測物體微小旋轉(zhuǎn)角度的測量。
實施例2圖5中，與實施例1不同之處在于，激光器1采用輸出功率為5毫瓦的半導體激光器，激光束偏離被測物體4角度旋轉(zhuǎn)中心的距離h＝3mm，光楔反射鏡3的反射面所在的平面通過角度旋轉(zhuǎn)中心。
圖6為實測到的光功率隨角度變化的曲線。圖中，虛線為曲線擬合線，通過曲線擬合線可以找到干涉條紋幅度最大處，將此處對應(yīng)的角度作為角度測量的零基準角。通過預(yù)先定標好的每變化一個條紋周期所對應(yīng)的角度值和條紋細分技術(shù)，利用圖6可實現(xiàn)對被測物體微小旋轉(zhuǎn)角度的測量。
權(quán)利要求
1.一種基于激光自混合干涉的微小角度測量方法，其特征在于在被測物體(4)表面設(shè)置一反射鏡(3)，激光器(1)輸出的激光束通過光闌(2)垂直入射到反射鏡(3)上，入射線偏離被測物體(4)的角度旋轉(zhuǎn)中心，激光束經(jīng)反射鏡(3)反射回激光器(1)中，引起激光自混合干涉，激光器(1)的輸出功率用一光電探測器(5)進行監(jiān)測，當被測物體(4)發(fā)生微小角度旋轉(zhuǎn)時，光電探測器(5)監(jiān)測到的激光器(1)的輸出功率將隨著角度的變化而變化，角度的變化引起的回饋光的光程每變化半個激光波長，激光器(1)的輸出功率變化一個條紋周期，通過預(yù)先定標好的角度和輸出功率間的對應(yīng)關(guān)系，實現(xiàn)對被測物體(4)微小旋轉(zhuǎn)角度的測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小角度測量方法，其特征在于通過曲線擬合找到干涉條紋幅度最大處，將干涉條紋幅度最大處的角度作為角度測量的零基準角。
3.實現(xiàn)權(quán)利要求1或2所述方法的基于激光自混合干涉的微小角度測量裝置，其特征在于所述微小角度測量裝置包含一個激光器(1)，一個光闌(2)，一個設(shè)置于被測物體(4)表面的反射鏡(3)，一個光電探測器(5)，一個信號采集處理模塊(10)，激光器(1)的激光束偏離被測物體(4)的角度旋轉(zhuǎn)中心，且正好穿過光闌(2)的小孔，反射鏡(3)放在光闌(2)的另一側(cè)，激光束穿過光闌后入射到反射鏡上，反射鏡(3)的另一側(cè)放置有光電探測器(5)，信號采集處理模塊(10)與光電探測器(5)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于反射鏡(3)是低反射率鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的微小角度測量裝置，其特征在于所述低反射率鏡(3)是光楔反射鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于激光自混合干涉的微小角度測量方法及裝置，將激光器輸出的激光束入射到設(shè)置于被測物體表面的反射鏡，入射線偏離被測物體的角度旋轉(zhuǎn)中心，激光器的輸出功率用一光電探測器進行監(jiān)測，當被測物體發(fā)生微小角度旋轉(zhuǎn)時，光電探測器監(jiān)測到的激光器輸出功率將隨著角度的變化而變化，角度的變化引起的回饋光的光程每變化半個激光波長，輸出激光功率變化一個條紋周期，通過預(yù)先定標好的角度和輸出功率間的對應(yīng)關(guān)系，來實現(xiàn)對被測物體旋轉(zhuǎn)角度的測量。該測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，測量精度高。
文檔編號G01D5/26GK1963384SQ20061012367
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者鐘金鋼, 琚志祥 申請人:暨南大學