CN103185550B - 转动角度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转动角度的测量方法，包括以下步骤：半外腔激光器连续输出激光，模式为单纵模；将待测样品与所述双折射元件固定连接，所述待测样品带动所述双折射元件共同转动；转动所述待测样品及所述双折射元件，使所述双折射元件以垂直于输出激光方向的轴线为旋转轴旋转角度θ；驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器输出激光的轴线往复运动，计算在θ角度下产生的位相延迟δ的大小，并进一步计算出所述转动角度θ的大小。

Description

转动角度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量转动角度的测量方法。

背景技术

高精度的小角度测量在机器人、自动加工、仪器标定和自适应控制等很多光学领域都具有重要意义。

传统的角度测量方法主要有自准直仪和干涉仪法。虽然这两种方法都提供高的测量精度，但基于其原理开发的仪器体积庞大，成本较高，并且很难将这两种仪器与其它在线测量仪器融合使用，从而限制了其应用范围。

发明内容

综上所述，确有必要提供一种结构简单、成本低、应用范围更广的转动角度的测量方法。

一种转动角度的测量方法，包括以下步骤：步骤S10，提供一测量转动角度的测量装置，包括一半外腔激光器、激光回馈单元以及一数据采集与处理系统；所述半外腔激光器包括一高反腔镜、增益管、增透窗片以及输出腔镜沿半外腔激光器的输出激光轴线依次共轴设置；所述激光回馈单元包括一双折射元件以及一外腔平面反射镜沿所述半外腔激光器输出激光的光路依次间隔设置，以将从输出腔镜输出的激光反射回半外腔激光器形成激光回馈并从高反腔镜输出；所述数据采集与处理系统包括一光电探测器，所述光电探测器设置于所述从高反腔镜输出的激光的光路上，以探测输出的激光强度的变化；步骤S11，半外腔激光器连续输出激光，模式为单纵模；步骤S12，将待测样品与所述双折射元件固定连接；步骤S13，以垂直于输出激光方向的轴线为旋转轴转动所述待测样品，旋转角度为θ，所述待测样品带动所述双折射元件共同转动；步骤S14，驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器输出激光的轴线往复运动，通过偏振跳变点获得在旋转角度θ角度下产生的位相延迟δ的大小，并得到所述旋转角度θ的大小：

其中，

$r_{\mathrm{oa}-b}=\frac{-\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_o)}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},r_{\mathrm{ea}-b}=\frac{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)}$

$r_{\mathrm{ob}-a}=\frac{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_o)}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},r_{\mathrm{eb}-a}=\frac{-\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)}$

$t_{\mathrm{oa}-b}=\frac{2\sin \left({\mathrm{\θ}}_o\right)\cos \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},t_{\mathrm{ea}-b}=\frac{2\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)\cos \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}$

$t_{\mathrm{ob}-a}=\frac{2\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θ}}_o}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},t_{\mathrm{eb}-a}=\frac{2\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θ}}_e}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}$

$n_{\mathrm{oo}}=n_o,n_{\mathrm{ee}}=[\frac{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_e\right)}{{n_e}^2}+\frac{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_e\right)}{{n_o}^2}{]}^{-1/2},$

其中，为o光和e光的相位；d为双折射元件厚度；λ为半外腔激光器20输出的激光波长；θ_o、θ_e为o光和e光折射角，θ为旋转角度，也即光线在双折射元件表面的入射角；n_oo为光线斜入射时双折射元件中o光折射率，n_ee为光线斜入射时双折射元件中e光折射率；t为双折射元件的透过率，t下标中o、e表示o光和e光，a表示空气，b表示双折射元件；r为反射系数；n_o为光线正入射时双折射元件中o光折射率，n_e为光线正入射时双折射元件中e光折射率；E’_oo为进入双折射元件的o光的初始光场，E’_ee为进入双折射元件的e光的初始光场，E_oo为考虑干涉后的o光的光场分布，E_ee为考虑干涉后的e光的光场分布；ω为激光的角频率，k为波数。

本发明基于偏振跳变原理测量转动角度，通过将待测样品与双折射元件固定连接，将测量待测样品旋转的角度转换为测量双折射元件旋转的角度，方法简单且测量精度高，测量装置小，测量成本低，并且可方便的与其他在线测量系统集成，具有更广阔的应用空间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种转动角度测量装置。

图2为图1所示转动角度测量装置得到的激光光强输出曲线。

图3为激光在双折射元件两表面的二次反射示意图。

图4为图1所示的转动角度测量装置测量得到的转动角度与位相延迟的关系曲线。

主要元件符号说明

示波器                 1

光电探测器             2

高反腔镜

增益管                 4

增透窗片               5

输出腔镜               6

双折射元件             7

待测样品               8

外腔平面反射镜         9

外腔压电陶瓷           10

计算机                 12

半外腔激光器           20

激光回馈单元           30

数据采集与处理系统     40

如下具体实施例将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述，为了方便描述，本发明首先描述所述测量转动角度的测量装置。

如图1所示，本发明第一实施例提供一种转动角度的测量装置，所述测量装置包括一半外腔激光器20，一激光回馈单元30以及一数据采集与处理系统40。

所述半外腔激光器20用于输出激光形成激光光路，所述半外腔激光器20既作为光源又作为传感器以形成激光回馈，半外腔结构，所述半外腔激光器20输出的激光为单纵模的偏振光。激光器类型可以是气体激光器、半导体激光器和固体激光器等。所述半外腔激光器20包括高反腔镜3、增益管4、增透窗片5及输出腔镜6，所述高反腔镜3、增益管4、增透窗片5、输出腔镜沿所述输出激光的轴线依次设置且共轴设置。所述高反腔镜3与所述增益管4的远离所述输出腔镜6的一端固定连接，所述增透窗片5与所述增益管4的靠近所述输出腔镜6的一端固定连接。所述高反腔镜3和输出腔镜6均镀有激光波长的高反射膜(反射率98％以上)，前者的反射率高于后者。所述增透窗片5镀有激光波长的增透膜(图未示)。本实施例中，所述激光器为氦氖激光器，所述增益管4内充满He-Ne气体，气体比例为9:1，Ne同位素比例为：Ne²⁰:Ne²²＝1:1，激光器的高反腔镜3和输出腔镜6的反射率分别为99.8％和98.8％。

所述激光回馈单元30包括一双折射元件7以及一外腔平面反射镜9沿所述半外腔激光器20输出激光的光路依次间隔设置，用以将从输出腔镜6出射的激光再反射回半外腔激光器20。所述输出腔镜6与所述外腔平面反射镜9间隔设置形成一可容纳所述双折射元件7旋转的空间，所述双折射元件7设置于该空间内。所述外腔平面反射镜9用于将半外腔激光器20输出的激光反射回所述半外腔激光器20中，形成激光回馈，并从所述高反腔镜2中出射。所述双折射元件7在沿输出激光的光路上具有相对平行的两个平面，所述半外腔激光器20输出的激光垂直于所述两个平面入射。所述双折射元件7的光轴平行于所述平面，且与所述输出激光的偏振方向一致。本实施例中，所述双折射元件7为一石英波片。可以理解，所述双折射元件7也可以为其他光学双折射器件。所述激光回馈单元30可进一步包括一外腔压电陶瓷10，所述外腔压电陶瓷10与所述外腔平面反射镜9相连接，用于带动所述外腔平面反射镜9沿所述输出激光轴线的方向往复运动。可以理解，所述外腔压电陶瓷10也可用其他微动元件替代，带动所述外腔平面反射镜9往复运动。

所述数据采集与处理系统40用以控制所述外腔压电陶瓷10的运动，以及采集从高反腔镜3输出的激光强度并进行处理，包括一示波器1、一光电探测器2以及一计算机12。所述光电探测器2设置于从所述高反腔镜3输出的激光的光路上。所述示波器1以及所述计算机12分别与所述光电探测器2电连接。所述光电探测器2用以接收半外腔激光器20的回馈激光并感测激光强度的变化，并将接收到的激光转换为电信号输入计算机12中进行数据处理；同时，所述光电探测器2将所述电信号输入所述示波器1中；所述示波器1用以显示激光强度的变化。所述计算机12用以驱动所述外腔压电陶瓷10运动，使所述外腔压电陶瓷10带动所述外腔平面反射镜9沿半外腔激光器20输出激光的轴线往复运动，同时接收从光电探测器2以及光电探测器2输入的电信号，并进行数据处理。可以理解，所述示波器1为一可选择的结构，所述激光强度的变化也可直接通过所述计算机12显示。

本发明进一步提供一种应用所述测量装置测量转动角度的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S11，半外腔激光器20连续输出激光，模式为单纵模；

步骤S12，将待测样品8与所述双折射元件7固定连接，使所述待测样品8与所述双折射元件7共同转动；

步骤S13，以垂直于输出激光方向的轴线为旋转轴转动所述待测样品8以及所述双折射元件7，旋转角度为θ；

步骤S14，驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器20输出激光的轴线往复运动，并获得在此角度θ下产生的位相延迟δ的大小，从而得到出所述旋转角度θ的大小。

在步骤S12中，所述待测样品8与所述双折射元件7的连接方式可通过粘接、焊接等方式固定连接，也可通过部分嵌入的方式固定连接，只要保证在后续的旋转过程中，所述待测样品8能与所述双折射元件7共同旋转相同的角度即可，且在转动的过程中待测样品8与所述双折射元件7之间相互不发生位移。本实施例中，所述待测样品8通过粘贴的方式与所述双折射元件7固定连接。

在步骤S13中，所述双折射元件7在半外腔激光器20输出激光的方向上具有相对平行的两个平面，两平面之间的距离定义为所述双折射元件7的厚度d。所述待测样品8转动时，带动所述双折射元件7旋转，并且所述双折射元件7以垂直于输出激光方向的轴线为轴旋转。本实施例中，所述旋转轴位于所述半外腔激光器20输出激光的光路上，且垂直于所述输出激光。旋转θ后，所述激光从初始状态时的沿所述双折射元件7的平面的法线方向入射，改变为与所述平面的法线呈θ角入射。

在步骤S14中，将所述双折射元件7以垂直于光轴方向的轴线为轴将所述双折射元件7旋转θ角后，向所述外腔压电陶瓷10输入三角波电压，使所述外腔平面反射镜9往复运动，并通过光电探测器2得到从所述高反腔镜3输出的激光强度的输出波形并可通过示波器1显示，而计算机12可通过相应程序得到偏振跳变点。如图2所示，其中A点至D点或E点至H点为一个激光调制周期(即三角波电压的周期)，B和F为偏振跳变点。所述偏振跳变点B、F受双折射元件7位相延迟大小的影响可通过以下公式表达：

其中，δ为双折射元件7的位相延迟；t_AD表示A点和D点之间的时间间隔，t_BC表示B点和C点之间的时间间隔，t_FG表示F点和G点之间的时间间隔，t_EH表示E点和H点之间的时间间隔，可通过分析偏振跳变点得到所述时间间隔。通过t_AD、t_BC、t_FG、与t_EH可计算得到位相延迟δ的大小。

同时，如图3所示，考虑到双折射元件7两平面的二次反射光对位相延迟测量的结果产生一定的影响，位相延迟δ的大小与所述双折射元件7的旋转角度θ满足如下关系：

其中，

$r_{\mathrm{oa}-b}=\frac{-\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_o)}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},r_{\mathrm{ea}-b}=\frac{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)}$

$r_{\mathrm{ob}-a}=\frac{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_o)}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},r_{\mathrm{eb}-a}=\frac{-\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)}$

$t_{\mathrm{oa}-b}=\frac{2\sin \left({\mathrm{\θ}}_o\right)\cos \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},t_{\mathrm{ea}-b}=\frac{2\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)\cos \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}$

$t_{\mathrm{ob}-a}=\frac{2\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θ}}_o}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},t_{\mathrm{eb}-a}=\frac{2\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θ}}_e}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}$

$n_{\mathrm{oo}}=n_o,n_{\mathrm{ee}}=[\frac{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_e\right)}{{n_e}^2}+\frac{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_e\right)}{{n_o}^2}{]}^{-1/2}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中，为o光和e光的相位；d为双折射元件厚度；λ为激光波长；θ_o、θ_e为o光和e光折射角，θ为旋转角度，也即光线在双折射元件表面的入射角；n_oo为光线斜入射时介质中o光折射率，n_ee为光线斜入射时双折射元件中e光折射率；t为介质透过率，t下标中o、e表示o光和e光，a表示空气b，表示双折射元件；r为反射系数；n_o为光线正入射时介质中o光折射率，n_e为光线正入射时双折射元件中e光折射率；E’_oo为进入双折射元件的o光的初始光场，E’_ee为进入双折射元件的e光的初始光场，E_oo为考虑干涉后的o光的光场分布，E_ee为考虑干涉后的e光的光场分布；ω为激光的角频率，k为波数。

如图4所示，待测样品8带动所述双折射元件7旋转，所述半外腔激光器20出射激光在双折射元件7表面入射角变化时，得到的位相延迟大小的变化曲线。所述转动角度测量装置可对所述待测样品8旋转的角度进行高精度测量。

本发明提供的所述转动角度的测量方法，基于激光偏振跳变点的变化计算转动角度，通过将待测样品与双折射元件固定连接，将测量待测样品旋转的角度转换为测量双折射元件旋转的角度，具有很高的精度，并且测量装置结构简单，测量成本低，且能够方便的与其他在线测量系统兼容，具有更广阔的应用空间。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种转动角度的测量方法，包括以下步骤：

步骤S10，提供一测量装置，包括一半外腔激光器、激光回馈单元以及一数据采集与处理系统；其特征在于，

所述半外腔激光器包括一高反腔镜、增益管、增透窗片以及输出腔镜沿半外腔激光器的输出激光轴线依次共轴设置；

所述激光回馈单元包括一双折射元件以及一外腔平面反射镜沿所述半外腔激光器输出激光的光路依次间隔设置，以将从输出腔镜输出的激光反射回半外腔激光器形成激光回馈并从高反腔镜输出；

所述数据采集与处理系统包括一光电探测器，所述光电探测器设置于所述从高反腔镜输出的激光的光路上，以探测输出的激光强度的变化；

步骤S11，半外腔激光器连续输出激光，模式为单纵模；

步骤S12，将待测样品与所述双折射元件固定连接；

步骤S13，以垂直于输出激光方向的轴线为旋转轴转动所述待测样品，旋转角度为θ，所述待测样品带动所述双折射元件共同转动；

步骤S14，驱动所述外腔平面反射镜沿半外腔激光器输出激光的轴线往复运动，通过偏振跳变点获得在旋转角度θ角度下产生的位相延迟δ的大小，并得到所述旋转角度θ的大小：

其中，

$r_{\mathrm{oa}-b}=\frac{-\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_o)}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},r_{\mathrm{ea}-b}=\frac{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)}$

$r_{\mathrm{ob}-a}=\frac{\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_o)}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},r_{\mathrm{eb}-a}=\frac{-\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}{\mathrm{tg}(\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)}$

$t_{\mathrm{oa}-b}=\frac{2\sin \left({\mathrm{\θ}}_o\right)\cos \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},t_{\mathrm{ea}-b}=\frac{2\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)\cos \mathrm{\θ}}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}$

$t_{\mathrm{ob}-a}=\frac{2\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θ}}_o}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_o)},t_{\mathrm{eb}-a}=\frac{2\sin \mathrm{\θ}\cos {\mathrm{\θ}}_e}{\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\θ}}_e)\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}_e)}$

$n_{\mathrm{oo}}=n_o,n_{\mathrm{ee}}={[\frac{{\cos }^2\left({\mathrm{\θ}}_e\right)}{{n_e}^2}+\frac{{\sin }^2\left({\mathrm{\θ}}_e\right)}{{n_o}^2}]}^{-1/2},$

其中，为o光和e光的相位；d为双折射元件厚度；λ为半外腔激光器输出的激光波长；θ_o、θ_e为o光和e光折射角，θ为旋转角度，也即光线在双折射元件表面的入射角；n_oo为光线斜入射时双折射元件中o光折射率，n_ee为光线斜入射时双折射元件中e光折射率；t为双折射元件的透过率，t下标中o、e表示o光和e光，a表示空气，b表示双折射元件；r为反射系数；n_o为光线正入射时双折射元件中o光折射率，n_e为光线正入射时双折射元件中e光折射率；E’_oo为进入双折射元件的o光的初始光场，E’_ee为进入双折射元件的e光的初始光场，E_oo为考虑干涉后的o光的光场分布，E_ee为考虑干涉后的e光的光场分布；ω为激光的角频率，k为波数。

2.如权利要求1所述的转动角度的测量方法，其特征在于，所述双折射元件具有相对平行的两个平面，所述激光器输出的激光沿所述平面的法线入射。

3.如权利要求2所述的转动角度的测量方法，其特征在于，转动待测样品前，所述双折射元件的光轴平行于所述平面，且与所述输出激光的偏振方向一致。

4.如权利要求1所述的转动角度的测量方法，其特征在于，通过一外腔压电陶瓷与所述外腔平面反射镜相连，并驱动所述外腔平面反射镜沿所述半外腔激光器输出激光的方向往复运动。

5.如权利要求4所述的转动角度的测量方法，其特征在于，通过分析光电探测器得到从所述高反腔镜输出的激光强度的变化得到多个偏振跳变点。

6.如权利要求5所述的转动角度的测量方法，其特征在于，所述外腔压电陶瓷输入的电压为三角波电压，驱动所述半外腔平面反射镜的往复运动。

7.如权利要求5所述的转动角度的测量方法，其特征在于，所述待测样品的位相延迟通过以下公式计算：

其中，A点至D点或E点至H点为一个激光调制周期，B和F为偏振跳变点，δ为待测样品的位相延迟，t_AD表示A点和D点之间的时间间隔，t_BC表示B点和C点之间的时间间隔，t_FG表示F点和G点之间的时间间隔，t_EH表示E点和H点之间的时间间隔。

8.如权利要求1所述的转动角度的测量方法，其特征在于，所述待测样品通过粘帖的方式与所述双折射元件固定连接，待测样品与所述双折射元件共同旋转相同的角度。

9.如权利要求1所述的转动角度的测量方法，其特征在于，所述待测样品的旋转轴位于所述半外腔激光器输出激光的光路上，且垂直于所述输出激光。

10.如权利要求1所述的转动角度的测量方法，其特征在于，旋转θ后，所述激光从初始状态时的沿所述双折射元件的平面的法线方向入射，改变为与所述平面的法线呈θ角入射所述双折射元件表面。