專利名稱：多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置及方法，屬于微位移檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
實現(xiàn)對激光入射角度的精密測量是工程領(lǐng)域一直在面對并欲解決的問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，角度測量方法不斷的推陳出新，包括CCD光學(xué)測角法、PIP干涉測量法、成像式光柵自準(zhǔn)直測角法、衍射測角法等。利用這些方法一般都不能達(dá)到高準(zhǔn)確度角度測量的要求。光學(xué)測角由于具有非接觸性、精度高和結(jié)構(gòu)簡單等特點而備受人們的重視，使用光學(xué)方法進(jìn)行角度的測量得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在光學(xué)測量法中，激光外差測量技術(shù)繼承了激光外差技術(shù)和多普勒技術(shù)的諸多優(yōu)點，是目前超高精度測量方法之一。傳統(tǒng)的外差干涉測角技術(shù)均采用雙光束干涉，外差信號頻譜只含單一頻率信息，解調(diào)后得到單一的待測參數(shù)值，這種方法得到的待測參數(shù)值的測量精度低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決傳統(tǒng)的外差干涉測量激光入射角度技術(shù)由于只能得到單一的待測參數(shù)值而使測量精度低的問題，提供一種多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置及方法。本發(fā)明所述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，該裝置由激光器、偏振分束鏡PBS、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統(tǒng)組成，激光器發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS反射后入射至四分之一波片，經(jīng)該四分之一波片透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡反射的光束再次經(jīng)四分之一波片透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS，經(jīng)該偏振分束鏡PBS透射后的光束入射至平面反射鏡的反射面，經(jīng)該平面反射鏡反射后的光束入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面透射的光束在該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡內(nèi)，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡內(nèi)部后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的前表面透射之后與經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面反射后的光束均通過會聚透鏡匯聚至光電探測器的光敏面上，所述光電探測器輸出電信號給信號處理系統(tǒng)。本發(fā)明所述采用上述多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置實現(xiàn)多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的方法，該方法的過程為首先，打開振鏡的驅(qū)動電源使振鏡開始做簡諧振動；同時，打開激光器；開始測量，在測量過程中，
通過信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并對采集到的差頻信號進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與折射角的關(guān)系fp = Kp cos θ獲得平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的激光折射角θ的關(guān)系式COS θ = fp/Kp,式中fp為激光外差信號的頻率，Kp為fp與cos θ的比例系數(shù)。對所述通過信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并對采集到的差頻信號進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與折射角的關(guān)系fp = Kp cos θ獲得平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的激光入射角Qtl 的關(guān)系式的過程為設(shè)定經(jīng)平面反射鏡反射后的光束入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面的入射角為θ ^，此時平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的入射光場為E(t) = EpxpCi co0t)，式中&為常數(shù)，i表示虛數(shù)，Coci為激光角頻率；振鏡采用多普勒振鏡，多普勒振鏡的振動方程為x(t) = X0COS ( ω Ct),式中X0為多普勒振鏡振動的振幅，ω。為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時間，多普勒振鏡的速度方程為ν (t) = -cocX(|Sin (ω ct)，平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的反射光的頻率為ω = co0(l-2cocx0sin(coct)/c)；則在tl/c時刻到達(dá)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面并被該表面反射的反射光的光場為E0 (t) = α 0Ειθχρ {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c),(t-1/c) + ω 0x0cos ( ω c (t_l/c)) /c]}式中C^ = r，r為光從周圍介質(zhì)射入平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面的反射系數(shù)，1為振鏡到平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的距離；經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面透射的光束在不同時刻在平面標(biāo)準(zhǔn)鏡內(nèi)經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡后表面反射m次而透射出平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面的m束反射光的光場分別為E1Ct) = α ^expUlicOoCUcOcXosir^cOcCt-Q+Zndcos θ )/c))/c)(t- (l+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2ndcos θ )/c)) /c]}E2(t) = α iEpxpUlicOod-ZcOcXosir^cOcCt-d+dndcos θ )/c))/c)
(t- (l+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+4ndcos θ )/c)) /c]}E3(t) = α iEpxpUlicOod-ZcOcXosir^cOcCt-d+endcos θ )/c))/c)(t- (l+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+6ndcos θ )/c)) /c]},...Em(t) = α fpxpUlicOod-ZcOcXosir^cOcCt-d+Zmndcos θ )/c))/c)(t- (l+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2mndcos θ )/c)) /c]}其中，參數(shù)α工=β β，r’，. . .，α m = β β，r’ ‘1)，β為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面的透射系數(shù)，β'為光透射出平面標(biāo)準(zhǔn)鏡時的透射系數(shù)，r'為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡內(nèi)部反射光經(jīng)前后
表面的反射系數(shù)，θ為光束光從周圍介質(zhì)入射平面標(biāo)準(zhǔn)鏡前表面時的折射角，η為平面標(biāo)
準(zhǔn)鏡的折射率，d為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的厚度； 光電探測器接收到的總光場為
權(quán)利要求
1.一種多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于 該裝置由激光器(1)、偏振分束鏡PBS( 、四分之一波片(3)、振鏡G)、平面反射鏡(5)、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)、會聚透鏡(7)、光電探測器(8)和信號處理系統(tǒng)(9)組成，激光器(1)發(fā)出的線偏振光經(jīng)偏振分束鏡PBS ( 反射后入射至四分之一波片(3)，經(jīng)該四分之一波片( 透射后的光束入射至振鏡的光接收面，經(jīng)該振鏡(4)反射的光束再次經(jīng)四分之一波片C3)透射后發(fā)送至偏振分束鏡PBS ( ，經(jīng)該偏振分束鏡PBS ( 透射后的光束入射至平面反射鏡(5)的反射面，經(jīng)該平面反射鏡(5)反射后的光束入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面透射的光束在該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)內(nèi)，經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)內(nèi)部后表面與前表面多次反射后獲得多束反射光，該多束反射光經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的前表面透射之后與經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面反射后的光束均通過會聚透鏡(7) 匯聚至光電探測器(8)的光敏面上，所述光電探測器(8)輸出電信號給信號處理系統(tǒng)(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于所述激光器(1)為Htl固體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于所述信號處理系統(tǒng)(9)由濾波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(9-;3)和數(shù)字信號處理器DSP (9-4)組成，所述濾波器(9-1)對接收到的光電探測器(8)輸出的電信號進(jìn)行濾波之后發(fā)送給前置放大器(9-2)，經(jīng)前置放大器(9- 放大之后的信號輸出給模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D(9-;3)，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D (9-3)將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號發(fā)送給數(shù)字信號處理器DSP (9-4)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置，其特征在于所述振鏡(4)為多普勒振鏡，其簡諧振動方程為χ (t) = X0Cos ( ω ct)，式中^為多普勒振鏡振動的振幅，ω。為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時間，其速度方程為v(t) = - ω cx0sin (ω ct)。
5.采用權(quán)利要求1所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置實現(xiàn)多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量角度的方法，其特征在于該方法的過程為首先，打開振鏡⑷的驅(qū)動電源使振鏡⑷開始做簡諧振動；同時，打開激光器⑴；開始測量，在測量過程中，通過信號處理系統(tǒng)(9)連續(xù)采集光電探測器(8)輸出的電信號，并對采集到的差頻信號進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與折射角的關(guān)系fp = Kp cos θ獲得平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的激光折射角θ 的關(guān)系式COS θ = fp/Kp,式中fp為激光外差信號的頻率，Kp為fp與cos θ的比例系數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的方法，其特征在于對所述通過信號處理系統(tǒng)(9)連續(xù)采集光電探測器(8)輸出的電信號， 并對采集到的差頻信號進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與折射角的關(guān)系fp = Kp cos θ獲得平面標(biāo)準(zhǔn)鏡 (6)的激光入射角θ ^的關(guān)系式的過程為設(shè)定經(jīng)平面反射鏡( 反射后的光束入射至平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面的入射角為θ ^，此時平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的入射光場為 E (t) = Exexp (i ω0 ),式中&為常數(shù)，i表示虛數(shù)，Otl為激光角頻率； 振鏡(4)采用多普勒振鏡，多普勒振鏡的振動方程為χ (t) = X0Cos ( ω ct)，式中X0為多普勒振鏡振動的振幅，ω。為多普勒振鏡的角頻率，c為光速，t為時間， 多普勒振鏡的速度方程為 v(t) = -cocx0sin(coct),平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的反射光的頻率為 ω = co0(l-2cocx0sin(coct)/c)；則在t-1/c時刻到達(dá)平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面并被該表面反射的反射光的光場為 E0 (t) = α qE^xp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t-l/c)) /c), (t-l/c) + ω 0x0cos (ω c (t_l/c)) /c]}式中C^ = r，r為光從周圍介質(zhì)射入平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面的反射系數(shù)，1為振鏡(4) 到平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的距離；經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面透射的光束在不同時刻在平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)內(nèi)經(jīng)該平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)后表面反射m次而透射出平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面的m束反射光的光場分別為 E1 (t) = α AexpU [ω0(1-2 cocx0sin(ωc(t_(l+2ndcos θ )/c))/c) (t- (l+2ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2ndcos θ )/c)) /c]} E2 (t) = α 2E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+4ndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+4ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+4ndcos θ )/c)) /c]} E3 (t) = α 3E1exp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+6ndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+6ndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+6ndcos θ )/c)) /c]},Em (t) = α ,J1E1Gxp {i [ ω 0 (1-2 ω cx0sin (ω c (t- (l+2mndcos θ ) /c)) /c) (t- (l+2mndcos θ ) /c) + ω 0x0cos (ω c (t_ (l+2mndcos θ )/c)) /c]} 其中，參數(shù)h = β β ’r’，...，Cim = β β，r’ β為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面的透射系數(shù)，β ‘為光透射出平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)時的透射系數(shù)，r'為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)內(nèi)部反射光經(jīng)前后表面的反射系數(shù)，θ為光束光從周圍介質(zhì)入射平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)前表面時的折射角，η 為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的折射率，d為平面標(biāo)準(zhǔn)鏡(6)的厚度； 光電探測器(8)接收到的總光場為 E (t) = E0 (t) +E1 (t) +E2 (t) +··· +Em (t)， 則光電探測器⑶輸出的光電流為I = ^jj^E0(t) + El(t) + - + Em(t)][E0(t) + El(t) + - + Em(t)rds
全文摘要
多普勒振鏡正弦調(diào)制多光束激光外差測量激光入射角度的裝置及方法，屬于微位移檢測技術(shù)領(lǐng)域。它解決了傳統(tǒng)的外差干涉測量激光入射角度技術(shù)由于只能得到單一的待測參數(shù)值而使測量精度低的問題。本發(fā)明裝置由激光器、偏振分束鏡PBS、四分之一波片、振鏡、平面反射鏡、平面標(biāo)準(zhǔn)鏡、會聚透鏡、光電探測器和信號處理系統(tǒng)組成；方法為打開振鏡和打開激光器；在測量過程中，通過信號處理系統(tǒng)連續(xù)采集光電探測器輸出的電信號，并進(jìn)行處理，根據(jù)頻率與折射角的關(guān)系fp＝Kpcosθ獲得平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的激光折射角θ的關(guān)系式，進(jìn)而獲得平面標(biāo)準(zhǔn)鏡的激光入射角θ0。本發(fā)明適用于激光入射角度的測量。
文檔編號G01C1/00GK102221355SQ20111014468
公開日2011年10月19日 申請日期2011年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月31日
發(fā)明者叢海芳, 曲楊, 李彥超, 王春暉, 邵文冕, 高龍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)