專利名稱：微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及微小轉(zhuǎn)角測(cè)量，特別是一種微小轉(zhuǎn)角的干涉測(cè)量?jī)x。具體地講是基于雙直角棱鏡和相位調(diào)制技術(shù)的一種微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x。
背景技術(shù)：
微小角度的檢測(cè)在精密控制與精密定位方面有著廣泛的應(yīng)用。由于生產(chǎn)加工自動(dòng)化程度的提高，科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程的高效性及誤差溯源的科學(xué)性等要求，對(duì)被測(cè)物體空間自由度中轉(zhuǎn)角的探測(cè)提出了更高的要求。例如在工業(yè)加工控制操作中，某些工作平臺(tái)的微小旋轉(zhuǎn)角檢測(cè)的實(shí)現(xiàn)，沿直線運(yùn)動(dòng)的物體是否偏離其運(yùn)動(dòng)軌跡的監(jiān)測(cè)，都需要由高精度的精密檢測(cè)技術(shù)來完成。已有技術(shù)中，Kam C.Lau等人發(fā)明的激光測(cè)量系統(tǒng)雖然可進(jìn)行多維微小轉(zhuǎn)角的檢測(cè)，但由于其兼顧多自由度的測(cè)量，使其在某一自由度上轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度受到了限制，其精度為0.1″(參見在先技術(shù)[1]United States Patent，Patent Number6049377)。1988年P(guān).Shi and E.Stijns提出了一種小旋轉(zhuǎn)角測(cè)量方法(參見在先技術(shù)[2]，“New Optical Methodfor Measuring Small-angle Rotations，Applied Optics，Vol.27 Issue 20 Page4342(October 1988)”)。因其采用干涉條紋探測(cè)法探測(cè)信號(hào)，對(duì)于發(fā)生干涉的兩束光的光程差有一個(gè)半波長(zhǎng)的變化時(shí)，干涉條紋的強(qiáng)度分布就有一個(gè)明暗變化。而僅根據(jù)干涉條紋的明暗變化來正確測(cè)量光程差小于半波長(zhǎng)的微小轉(zhuǎn)角是不可能的，這導(dǎo)致其測(cè)量分辨率的提高受到了限制。在先技術(shù)[2]中給出的分辨率是10-4度(1.75*10-6rad)。要想以更高精度實(shí)現(xiàn)微小轉(zhuǎn)角的檢測(cè)，在先技術(shù)[1]和在先技術(shù)[2]顯然達(dá)不到檢測(cè)精度要求。由于在先技術(shù)[2]中采用的光源是He-Ne激光器，無法對(duì)輸出波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制，因而限制了基于內(nèi)調(diào)制方式的準(zhǔn)外差技術(shù)的使用。另外此方法要求入射到兩直角棱鏡的初始位置要嚴(yán)格保證相同，這給實(shí)驗(yàn)調(diào)試、操作帶來很大難度。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是克服上述在先技術(shù)中的不足之處，提供一種微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，將角位移測(cè)量分辨率提高到10-8rad數(shù)量級(jí)。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下一種微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，特征在于其結(jié)構(gòu)是一調(diào)制光源由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)，在該調(diào)制光源發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上依次放置有光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光束縮束系統(tǒng)和分光元件，在該分光元件的第一出射光束a的前進(jìn)方向上放置有第一反光鏡，在該第一反光鏡的出射光束d的前進(jìn)方向上放置有第一測(cè)量臂組件，在第一測(cè)量臂組件的出射光束的前進(jìn)方向上放置有第二反光鏡，在所述的分光元件的第二出射光束b的前進(jìn)方向上放置有第二測(cè)量臂組件，在第二測(cè)量臂組件的出射光束的前進(jìn)方向上放置有第三反光鏡，在所述的分光元件的第三出射光束c的前進(jìn)方向上放置有光電轉(zhuǎn)換元件，該光電轉(zhuǎn)換元件的輸出端與信號(hào)放大器的輸入端相連，該信號(hào)放大器的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)相連。
所述的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源給光源提供直流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)和交流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
所述的光源為一半導(dǎo)體激光器。
所述的光束準(zhǔn)直系統(tǒng)由顯微物鏡和透鏡組成。
所述的光束縮束系統(tǒng)是指能將入射準(zhǔn)直光按一定倍數(shù)縮束成較細(xì)且準(zhǔn)直光束的光學(xué)系統(tǒng)。
所述的分光元件是分光棱鏡，或者是兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板。
所述的第一反光元件為高反射率的反射鏡。所述第二反光元件和第三反光元件是兩相同的并具有高反射率的反光鏡。所述的測(cè)量臂組件為直角棱鏡或角錐棱鏡。
所述的光電轉(zhuǎn)換元件是光電二極管或光電池。
入射到第一測(cè)量臂組件和第二測(cè)量臂組件上的兩光束間的初始間距d的測(cè)量精度為50-200μm。
本實(shí)用新型具有以下顯著的特點(diǎn)1、本實(shí)用新型與在先技術(shù)[2]相比，利用半導(dǎo)體激光器做光源，通過改變注入電流對(duì)光源的波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)制，這是一種基于內(nèi)調(diào)制方式的相位調(diào)制方法。在信號(hào)處理時(shí)，可通過快速傅立葉變換，獲得所需低階頻譜分量信息，相當(dāng)于對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行了濾波，減小了測(cè)量誤差，增強(qiáng)了對(duì)雜散光的抗干擾能力。
2、本實(shí)用新型與在先技術(shù)[2]相比，由于直接測(cè)量入射到兩測(cè)量臂組件上的兩光束之間的距離，省去了對(duì)直角棱鏡的斜邊長(zhǎng)度和兩棱鏡間距的精確測(cè)量，而且使入射到兩直角棱鏡上的光束的初始位置不需要嚴(yán)格對(duì)稱，這使得測(cè)量調(diào)試工作得到很大簡(jiǎn)化。
3、本實(shí)用新型與在先技術(shù)[1]、[2]相比，測(cè)量精度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
4、本實(shí)用新型與在先技術(shù)[2]中使用的He-Ne激光器相比，由于使用半導(dǎo)體激光器，縮小了測(cè)量?jī)x的重量、體積，同時(shí)此干涉測(cè)量?jī)x還具有價(jià)格低、用電省等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本實(shí)用新型的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x最佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實(shí)用新型的由雙直角棱鏡構(gòu)成的測(cè)量臂示意圖。
圖3為本實(shí)用新型測(cè)量臂在被測(cè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上的配置的俯視圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例及其附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本實(shí)用新型的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x最佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本實(shí)用新型微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)是一調(diào)制半導(dǎo)體激光器2由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1驅(qū)動(dòng)，在該調(diào)制半導(dǎo)體激光器2發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上依次放置有光束準(zhǔn)直系統(tǒng)3、光束縮束系統(tǒng)4和分光棱鏡5，在該分光棱鏡5的第一出射光束a的前進(jìn)方向上放置有第一反光鏡6，在該第一反光鏡6的出射光束d的前進(jìn)方向上放置有第一直角棱鏡71，在第一直角棱鏡71的出射光束的前進(jìn)方向上放置有第二反光鏡81，在所述的分光棱鏡5的第二出射光束b的前進(jìn)方向上放置有第二直角棱鏡72，在第二直角棱鏡72的出射光束的前進(jìn)方向上放置有第三反光鏡82，在所述的分光棱鏡5的第三出射光束c的前進(jìn)方向上放置有光電二極管9，該光電二極管9的輸出端與信號(hào)放大器10的輸入端相連，該信號(hào)放大器10的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器11相連，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器11與計(jì)算機(jī)12相連。
所述的調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1給半導(dǎo)體激光器2提供直流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)和交流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
所述的第一反光元件6為高反射率的反射鏡。第二反光元件81和第三反光元件82是兩相同的高反射率的反光鏡。
入射到第一直角棱鏡71和第二直角棱鏡72上的兩光束間的初始間距d0的測(cè)量精度為50-200μm。所述的d0的測(cè)量精度要求不大于200μm?？捎镁€陣光電耦合器件(CCD)來測(cè)量。
本實(shí)用新型儀的工作過程如下調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源1為半導(dǎo)體激光器2提供直流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)和正弦交流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使由半導(dǎo)體激光器2發(fā)出的光的波長(zhǎng)被正弦調(diào)制。被調(diào)制的光先后經(jīng)光束準(zhǔn)直系統(tǒng)3準(zhǔn)直、縮束系統(tǒng)4縮束，再由分光棱鏡5分成透射光路a和反射光束b。透射光束a經(jīng)反光元件6反射，入射到第一直角棱鏡71上，由第直角棱鏡71出射的光入射到第二反光元件81上發(fā)生反射，使光束沿原光路返回至分光棱鏡5。反射光束b入射到第二直角棱鏡72上，由第二直角棱鏡72出射的光，入射到第三反光元件82上并發(fā)生反射，使光束沿原光路返回至分光棱鏡5。沿分光棱鏡5的c方向出射的兩束光發(fā)生干涉。此干涉光束含有被測(cè)物體的微小轉(zhuǎn)角信息，由光電二極管9接收，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。信號(hào)放大器10對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器11，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)12，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)12的數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算，解出被測(cè)物體的微小轉(zhuǎn)角信息。
光電二極管9檢測(cè)到的干涉光信號(hào)為A(t)＝A0(t)+g0(t)cos[zcos(ωt+)+γ(t)](1)其中，A0(t)與g0(t)分別為干涉信號(hào)的直流分量與交流分量的振幅；z為干涉信號(hào)A(t)的相位調(diào)制的振幅；ω為驅(qū)動(dòng)電源1的調(diào)制信號(hào)的頻率；t為時(shí)間；為調(diào)制信號(hào)的初始相位；γ(t)為待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)干涉信號(hào)A(t)產(chǎn)生的相位變化量。其中γ(t)＝4πd0δ(t)/λ0(2)δ(t)為轉(zhuǎn)角大小，d0為入射到雙直角棱鏡上的兩光束間的初始間距，如圖2所示，d0值可通過線陣CCD來測(cè)量。λ0為激光器發(fā)光的中心波長(zhǎng)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過對(duì)如(1)式所示的干涉信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，解得此干涉信號(hào)的基頻F(ω)和二倍頻F(2ω)的頻譜分量如下式所示
其中J1(z)、J2(z)分別為一階、二階貝賽爾函數(shù)。由(3)式和(4)式可以求解出相位γ(t)的表達(dá)示為 進(jìn)而根據(jù)(5)式便可求出被測(cè)轉(zhuǎn)角的大小，即δ(t)＝γ(t)λ0/4πd0(6)根據(jù)誤差理論有Δδ(t)=λ04πd0*Δγ(t)-λ0γ(t)4πd02*Δd]]>其中γ(t)的測(cè)量精度達(dá)到0.010弧度是可以實(shí)現(xiàn)的；d0值一般是大于10毫米的，其測(cè)量精度不大于200微米也是可以實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)(7)式可知，被測(cè)轉(zhuǎn)角的測(cè)量分辨率可達(dá)到10-8弧度數(shù)量級(jí)。
如圖3所示的被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)。使用時(shí)將第一測(cè)量臂組件和第二測(cè)量臂組件即兩相同的直角棱鏡P1、P2和兩相同的反射鏡M1、M2按照下述的位置關(guān)系固定在被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)13上。P1、P2的斜邊保持在同一水平直線上，M1、M2的反射面也位于同一平面內(nèi)并與P1、P2的斜邊平行。
如圖1所示的測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體激光器2為光源，其發(fā)光中心波長(zhǎng)λ0為660nm。光源2發(fā)出的光經(jīng)光束準(zhǔn)直系統(tǒng)3準(zhǔn)直，再由縮束系統(tǒng)按縮束比5∶1進(jìn)行縮束。準(zhǔn)直后的光束由分光比為1∶1的分光棱鏡5分成兩束，這兩束光再由測(cè)量臂中的反射鏡反射，攜帶被測(cè)信息，再次經(jīng)分光棱鏡5合束后由光電二極管9探測(cè)干涉信號(hào)，然后經(jīng)信號(hào)放大器10將信號(hào)放大后，由A/D轉(zhuǎn)換器11進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入裝有傅立葉變換處理程序的計(jì)算機(jī)12進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。當(dāng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)繞旋轉(zhuǎn)中心發(fā)生一微小轉(zhuǎn)角δ＝θ2-θ1時(shí)，如圖2所示。兩干涉光束的相位差γ(t)為
γ(t)＝4πd0(tanθ2-tanθ1)/λ0(8)其中θ1、θ2分別為t1、t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角；d0為入射到雙直角棱鏡上的兩光束間的初始間距。當(dāng)θ≤5°時(shí)，tanθ≈θ。因此有γ(t)＝4πd0(θ2-θ1)/λ＝4πd0δ/λ0(9)δ(t)＝γ(t)λ0/4πd0(10)可見δ與γ是一種線性關(guān)系。
采用直流電流為70mA的驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)激光器，再通過注入幅值為1mA的正弦型交變電流調(diào)制半導(dǎo)體激光器的輸出波長(zhǎng)λ，即有，λ＝λ0+Δλ＝λ0+βacos(wt+φ) (11)其中λ0為激光器輸出的中心波長(zhǎng)；Δλ為注入交變電流后引起的波長(zhǎng)變化量；β為半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)-電流系數(shù)，a為正弦交變電流的幅值。由光電二極管9探測(cè)到的干涉信號(hào)，其交流分量g(t)可以表示為g(t)＝g0(t)cos[zcos(ωt+)+γ0+γ(t)] (12)其中z為干涉信號(hào)g(t)的相位調(diào)制振幅；而g0(t)、、γ(t)、t等的符號(hào)含義與(1)式中的所述含義相同。此干涉信號(hào)由信號(hào)放大器10放大后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器11送入計(jì)算機(jī)12進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換，提取相關(guān)頻譜信息，再由(5)式即可得出相位γ(t)，從而可得到被測(cè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的微小轉(zhuǎn)角δ(t)的信息。將γ＝2.350rad，d＝15.7000mm，Δγ＝0.010rad，Δd＝200.0μm以及λ0＝660nm各項(xiàng)數(shù)值待入(7)式，可知該微小轉(zhuǎn)角的測(cè)量分辨率可達(dá)到6.7*10-8rad數(shù)量級(jí)。
權(quán)利要求1.一種微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，特征在于其結(jié)構(gòu)是一調(diào)制光源(2)由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源(1)驅(qū)動(dòng)，在該調(diào)制光源(2)發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上依次放置有光束準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)、光束縮束系統(tǒng)(4)和分光元件(5)，在該分光元件(5)的第一出射光束a的前進(jìn)方向上放置有第一反光鏡(6)，在該第一反光鏡(6)的出射光束d的前進(jìn)方向上放置有第一測(cè)量臂組件(71)，在第一測(cè)量臂組件(71)的出射光束的前進(jìn)方向上放置有第二反光鏡(81)，在所述的分光元件(5)的第二出射光束b的前進(jìn)方向上放置有第二測(cè)量臂組件(72)，在第二測(cè)量臂組件(72)的出射光束的前進(jìn)方向上放置有第三反光鏡(82)，在所述的分光元件(5)的第三出射光束c的前進(jìn)方向上放置有光電轉(zhuǎn)換元件(9)，該光電轉(zhuǎn)換元件(9)的輸出端與信號(hào)放大器(10)的輸入端相連，該信號(hào)放大器(10)的輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(11)相連，該模數(shù)轉(zhuǎn)換器(11)與計(jì)算機(jī)(12)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電源(1)提供直流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)和交流電流驅(qū)動(dòng)信號(hào)給光源(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光源(2)為一半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光束準(zhǔn)直系統(tǒng)(3)由顯微物鏡和透鏡組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光束縮束系統(tǒng)(4)是指能將入射準(zhǔn)直光按一定倍數(shù)縮束成較細(xì)且準(zhǔn)直光束的光學(xué)系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的分光元件(5)是分光棱鏡，或者是兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的第一反光元件(6)為高反射率的反射鏡，第二反光元件(81)和第三反光元件(82)是兩相同的并具有高反射率的反光鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的測(cè)量臂組件為直角棱鏡或角錐棱鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換元件(11)是光電二極管或光電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其特征在于入射到第一直角棱鏡或角錐棱鏡(71)和第二直角棱鏡或角錐棱鏡(72)上的兩光束間的初始間距d的測(cè)量精度為50-200μm。
專利摘要一種微小轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量?jī)x，其結(jié)構(gòu)是一調(diào)制光源由調(diào)制驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)，在該調(diào)制光源發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上依次放置有光束準(zhǔn)直系統(tǒng)、光束縮束系統(tǒng)和分光元件，在該分光元件的第一出射光束前進(jìn)方向上經(jīng)第一反光鏡，進(jìn)入第一測(cè)量臂組件，在所述的分光元件的第二出射光束前進(jìn)方向放置第二測(cè)量臂組件，在所述的分光元件的第三出射光束前進(jìn)方向上置有光電轉(zhuǎn)換元件，該光電轉(zhuǎn)換元件之后依次串連信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器與計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型的角位移測(cè)量分辨率由在先技術(shù)中的10
文檔編號(hào)G01D5/26GK2783266SQ200520041040
公開日2006年5月24日 申請(qǐng)日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者鄭德鋒, 王向朝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所