一種激光自混合干涉小角度測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光自混合干涉小角度測量方法及裝置,將激光器輸出的激光束經聚焦透鏡聚焦到旋轉物體表面,入射線偏離旋轉物體的角度旋轉中心,激光器的輸出功率用一光電探測器進行監(jiān)測,當旋轉物體發(fā)生小角度旋轉時,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,通過預先定標好的角度和輸出功率間的對應關系,來實現對被測物體旋轉角度的測量。該測量裝置結構簡單、緊湊,測量精度高。
【專利說明】一種激光自混合干涉小角度測量方法及裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光應用【技術領域】,特別涉及激光自混合干涉小角度測量方法及裝 置。
【背景技術】
[0002] 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,與激光諧振腔內光相混合后,引起激光器輸出功率發(fā)生變化的現象。在光反饋較弱 時,激光自混合干涉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,外部反射物 的移動導致回饋光的光程出現變化時,激光器輸出功率將出現周期性變化。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),具有結構 簡單、緊湊等優(yōu)點,在許多場合可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)干涉儀,目前已在位移、振動、速度等高精度測 量中得到廣泛應用,但在角度測量中應用較少。
[0003] 我們曾發(fā)現當激光束入射到一旋轉物體時,如果激光束偏離被測物體的旋 轉中心,被測物體的角度變化將導致回饋光的光程變化,也將出現激光自混合干涉現 象。這種由于物體旋轉引起的激光自混合干涉現象可以應用到旋轉角度的測量[見 發(fā)明專利:鐘金鋼,琚志祥,基于激光自混合干涉的微小角度測量方法及裝置,專利號: ZL200610123674. 6]。這種角度測量方式可以獲得角分辨率優(yōu)于1(T5弧度的測量,但由于產 生激光自混合干涉需要回饋光通過激光器的出光窗口重新返回激光諧振腔內部,而激光器 出光窗口的孔徑太小,使得角度測量的范圍也太小,只能對微小角度進行測量,限制了激光 自混合干涉對旋轉角度測量的應用。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種激光自混合干涉小角度測量方法,有效地解決了角度 測量范圍太小的問題,從而拓展基于激光自混合干涉的角度測量方法的應用。
[0005] 本發(fā)明的目的還在于提供一種實現上述方法的測量裝置。
[0006] 本發(fā)明的技術方案如下:
[0007] -種激光自混合干涉小角度測量方法,激光器輸出的激光束經聚焦透鏡聚焦到旋 轉物體反射面上,激光束偏離旋轉物體的角度旋轉中心,激光束經反射面反射回激光器中, 引起激光自混合干涉,激光器的輸出功率用一光電探測器進行監(jiān)測,當旋轉物體發(fā)生小角 度旋轉時,光電探測器監(jiān)測到的激光器的輸出功率將隨著角度的變化而變化,通過預先定 標好的角度和輸出功率間的對應關系,實現對旋轉物體旋轉角度的測量,其特征在于:激光 器與反射面之間設置一個聚焦透鏡,激光器輸出的激光束經聚焦透鏡聚焦到反射鏡上。
[0008] -種激光自混合干涉小角度測量裝置,包括激光器、聚焦透鏡、光電探測器以及信 號處理系統(tǒng)。激光器輸出的激光束入射至旋轉物體的反射面且激光束偏離旋轉物體的角度 旋轉中心,光電探測器用于監(jiān)測激光器的輸出功率,信號處理系統(tǒng)與光電探測器相連,其特 征在于:激光器與反射面之間設置一個聚焦透鏡,激光器輸出的激光束經聚焦透鏡聚焦到 反射面上。聚焦透鏡的焦距越短,角度測量范圍越大。
[0009] 進一步的,聚焦透鏡與反射面的距離為聚焦透鏡的焦距,也即是激光束正好聚焦 在反射面上。
[0010] 本發(fā)明的理論依據如下:
[0011] 圖1所示,當激光束射入一旋轉物體上,圖中的反射面是旋轉物體的一部分,其反 射光再反饋回激光諧振腔內,將出現激光自混合干涉現象。當回饋光較弱時,自混合干涉信 號類似雙光束干涉信號,成正弦周期分布,回饋光的光程每改變半個波長時,自混合干涉信 號將出現一次周期性的變化。當物體旋轉時,旋轉角度的變化將導致回饋光的光程發(fā)生改 變,因此也會引起激光自混合干涉信號隨角度成周期變化。但由于物體的旋轉角度變化,使 回饋光與激光出射光成一定角度,回饋光將會偏離出射光光軸,當偏離角度過大時,回饋光 將偏離出激光器的出光窗口,使回饋光無法返回激光器諧振腔內,激光自混合干涉現象消 失。
[0012] 如圖2是未添加聚焦透鏡的反射光不意圖。設激光器出光窗口直徑為a,出射光束 的束寬也為a。在幾何光學近似下,當反射光束中心光線偏離角度超出2 0 1時,則無回饋光 進入激光器內,無自混合干涉現象發(fā)生。當反射面距離激光器為h時,能引起激光自混合 干涉的旋轉角度變化范圍為
【權利要求】
1. 一種激光自混合干涉小角度測量方法,激光器(1)輸出的激光束經聚焦透鏡(4)聚 焦到旋轉物體(3)的反射面(2)上,激光束偏離旋轉物體(3)的角度旋轉中心,激光束經反 射面(2)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(6)進行監(jiān)測,當旋轉物體(3)發(fā)生小角度旋轉時,光電探測器(6)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,通過預先定標好的角度和輸出功率間的對應關系, 實現對旋轉物體(3)旋轉角度的測量,其特征在于:激光器(1)與旋轉物體(3)的反射面(2) 之間設置一個聚焦透鏡(4),激光器(1)輸出的激光束經聚焦透鏡(4)聚焦到反射面(2)上。
2. -種激光自混合干涉小角度測量裝置,包括激光器(1)、聚焦透鏡(4)、光電探測器 (6)以及信號處理系統(tǒng)(7),激光器(1)輸出的激光束入射至旋轉物體(3)的反射面(2)且激 光束偏離旋轉物體(3)的角度旋轉中心,光電探測器(6)用于監(jiān)測激光器(1)的輸出功率, 信號處理系統(tǒng)(7)與光電探測器(6)相連,其特征在于:激光器(1)與反射面(2)之間設置 一個聚焦透鏡(4),激光器(1)輸出的激光束經聚焦透鏡(4)聚焦到反射面(2)上。
3. 根據權利要求2所述的小角度測量裝置,其特征在于:聚焦透鏡(4)與反射面(2)的 距離為聚焦透鏡(4)的焦距。
【文檔編號】G01B11/26GK104330054SQ201410560091
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月20日 優(yōu)先權日:2014年10月20日
【發(fā)明者】鐘金鋼, 郭揚 申請人:暨南大學