本發(fā)明涉及小角度測(cè)量基準(zhǔn)裝置，特別涉及一種基于干涉選頻和微棱鏡反饋的小角度測(cè)量基準(zhǔn)裝置。

背景技術(shù)：

1、小角度計(jì)量精度的提升對(duì)許多技術(shù)領(lǐng)域至關(guān)重要，涉及科學(xué)研究、工程、制造、導(dǎo)航等多個(gè)技術(shù)應(yīng)用。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究中，提升小角度計(jì)量精度可以幫助科學(xué)家更準(zhǔn)確地觀測(cè)和測(cè)量微小的角度變化，從而提高實(shí)驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性。

2、在工程領(lǐng)域，如微機(jī)械系統(tǒng)(mems)、精密儀器和光學(xué)系統(tǒng)等，提高小角度計(jì)量的精度可以改善這些系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。目前，最常用的角度測(cè)量都是基于激光干涉法的原理(例如中國發(fā)明專利cn?104330054a、cn?1963384a、cn?102384730?b、cn?102506768?b公開的技術(shù)方案)，即將角度的變化轉(zhuǎn)化為激光干涉條紋的變化，這類方法實(shí)現(xiàn)的小角度測(cè)量精度較低，已無法滿足對(duì)高精度計(jì)量需求。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的記載，目前實(shí)現(xiàn)的激光小角度基準(zhǔn)裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的最高精度為0.001″。隨著科技的發(fā)展，如光刻機(jī)、激光雷達(dá)、精密機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用技術(shù)對(duì)小角度的高精度計(jì)量要求在不斷增加，進(jìn)一步提升小角度計(jì)量精度已成為這些高精技術(shù)應(yīng)用的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是進(jìn)一步提高小角度測(cè)量的精度，將角度的測(cè)量轉(zhuǎn)化為激光頻率的測(cè)量，提出一種基于干涉選頻和微棱鏡陣列反饋的小角度測(cè)量基準(zhǔn)裝置。

2、發(fā)明人在前期研究工作中設(shè)計(jì)了一種基于激光頻率測(cè)量的高分辨力小角度測(cè)量裝置，將角度測(cè)量轉(zhuǎn)化為激光頻率測(cè)量的基于窄帶干涉片激光器的小角度測(cè)量基準(zhǔn)裝置，并通過在光路中設(shè)置透明固體介質(zhì)片實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量。具體地，如圖1所示，該小角度測(cè)量裝置包括依序設(shè)置在光路上的激光二極管201、第一準(zhǔn)直透鏡202、窄帶干涉片203、透明固體介質(zhì)片204、聚焦透鏡207、部分反射鏡208、第二準(zhǔn)直透鏡209和反射鏡210，在反射鏡210的反射光輸出方向設(shè)置光梳系統(tǒng)和拍頻測(cè)量模塊，高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)205固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定座206上。其中，窄帶干涉片203和透明固體介質(zhì)片204固定在精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)205上，它們的放置位置是以垂直于光路的旋轉(zhuǎn)臺(tái)直徑為對(duì)稱軸相對(duì)稱且不平行，因此當(dāng)精密旋轉(zhuǎn)平臺(tái)205轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，窄帶干涉片203和透明固體介質(zhì)片204與光路的夾角分別改變。拍頻測(cè)量模塊主要包括第一半波片211、第二半波片213、偏振分光棱鏡214、寬帶探測(cè)器215和頻率計(jì)數(shù)器216。激光發(fā)生裝置輸出的光經(jīng)過窄帶干涉片203后被濾除帶外光，得到窄帶光；所述窄帶光經(jīng)反射鏡組后返回到激光二極管201，當(dāng)腔內(nèi)振蕩達(dá)到閾值后，由所述反射鏡組輸出被測(cè)激光；所述被測(cè)激光輸入至所述拍頻測(cè)量模塊，所述拍頻測(cè)量模塊將被測(cè)激光與由光梳系統(tǒng)212輸出的梳齒進(jìn)行拍頻得到拍頻頻率，通過測(cè)量拍頻頻率的變化量δf獲得窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度。

3、然而，由于窄帶干涉片203和透明固體介質(zhì)片204的放置位置較特殊，在通過測(cè)量拍頻頻率的變化量δf以計(jì)算角度變化時(shí)算法較復(fù)雜。因此，進(jìn)一步改進(jìn)小角度測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)及其測(cè)量方法，使測(cè)量更簡(jiǎn)單、精度更高以滿足如光刻機(jī)、激光雷達(dá)、精密機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用技術(shù)對(duì)小角度的高精度計(jì)量的需求依然是本技術(shù)領(lǐng)域想要解決的技術(shù)問題。

4、本發(fā)明的思路是利用外腔半導(dǎo)體激光器中激光頻率對(duì)腔長(zhǎng)的超高敏感性，將微棱鏡陣列與具有厚度d的壓電模塊集成為一體，并將壓電模塊的后表面中心位置放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)的軸心位置，即使微棱鏡陣列后表面與軸心的垂直距離為d，通過旋轉(zhuǎn)微棱鏡陣列與壓電模塊以改變激光通過為棱鏡陣列的光程長(zhǎng)度，以改變諧振腔腔長(zhǎng)，進(jìn)而改變腔模頻率。同時(shí)利用窄帶干涉片輔助調(diào)節(jié)進(jìn)行選模，使干涉片透射峰中心位置隨角度變化，且與腔模頻率隨角度的變化高度同步，實(shí)現(xiàn)激光輸出頻率不跳模，保證輸出頻率隨旋轉(zhuǎn)角度的連續(xù)可調(diào)諧性，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)對(duì)小角度的超高精度連續(xù)測(cè)量。

5、為此，本發(fā)明提供一種基于干涉選頻和微棱鏡陣列反饋的小角度測(cè)量基準(zhǔn)裝置，所述裝置包括依序設(shè)置在光路上的激光發(fā)生裝置和拍頻測(cè)量模塊，其中，所述激光發(fā)生裝置的輸出光光路上設(shè)置一高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)7，窄帶干涉片4、微棱鏡陣列5和壓電模塊6固定在高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)7上，微棱鏡陣列5的后表面與壓電模塊6的前表面粘接且壓電模塊6的后表面中心處于所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)的軸心位置，在所述激光發(fā)生裝置與窄帶干涉片4之間設(shè)置偏振分光棱鏡3；所述激光發(fā)生裝置輸出的光經(jīng)過窄帶干涉片4后被濾除帶外光，得到窄帶光；所述窄帶光經(jīng)微棱鏡陣列5后被反射，經(jīng)偏振分光棱鏡3后返回到激光二極管，當(dāng)腔內(nèi)振蕩達(dá)到閾值后，由偏振分光棱鏡3反射輸出被測(cè)激光；所述被測(cè)激光輸入至所述拍頻測(cè)量模塊，所述拍頻測(cè)量模塊將被測(cè)激光與由光梳系統(tǒng)10輸出的梳齒進(jìn)行拍頻得到拍頻頻率，當(dāng)被測(cè)激光頻率變化δf時(shí)，則拍頻頻率的變化量等于δf。

6、在本發(fā)明中，微棱鏡陣列5可由具備高逆反射系數(shù)的棱鏡型超強(qiáng)級(jí)反光膜71都能實(shí)現(xiàn)，例如采用中國發(fā)明專利申請(qǐng)cn?201410823342.3公開的微棱鏡型反光膜。

7、在本發(fā)明中，微棱鏡陣列5的后表面與壓電模塊6的前表面粘接在一起且壓電模塊6的后表面中心處于旋轉(zhuǎn)臺(tái)的軸心位置，因此，可以通過調(diào)節(jié)壓電模塊的電壓來調(diào)整微棱鏡陣列5后表面與旋轉(zhuǎn)臺(tái)軸心的垂直距離d，以補(bǔ)償壓電模塊厚度誤差以及軸心位置與壓電模塊后表面中心位置的偏離誤差，對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化。

8、在本發(fā)明中，光學(xué)元件均應(yīng)當(dāng)位于光路中，以便激光通過。

9、在本發(fā)明中，為了便于解釋而非限定，將激光輸出裝置在光路中的所處位置稱為“前”，將壓電模塊在光路中的所處位置稱為“后”，因此，以為微棱鏡陣列為例，朝向激光輸出裝置的一面稱為“前表面”，另一面稱為“后表面”。

10、結(jié)合圖2-3具體解釋其工作原理如下：

11、如圖2所示，當(dāng)微棱鏡陣列(與壓電模塊粘接為一體)垂直于光路時(shí)，入射角為0°，設(shè)此時(shí)諧振腔腔長(zhǎng)l＝l1，l1為入射角為0°時(shí)激光器輸出光面到微棱鏡陣列的前表面的長(zhǎng)度。當(dāng)微棱鏡陣列的旋轉(zhuǎn)角度為θ時(shí)，腔長(zhǎng)所以當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生旋轉(zhuǎn)、微棱鏡陣列從入射角為0°旋轉(zhuǎn)至θ°時(shí)，引起的腔長(zhǎng)變化量為：其中d為壓電模塊的厚度，即微棱鏡陣列與軸心的垂直距離。

12、根據(jù)腔長(zhǎng)改變半波長(zhǎng)時(shí)，頻率變化c/2l的關(guān)系式為：可得諧振腔抖動(dòng)δl與腔模頻率變化δf的關(guān)系為：

13、其中f是頻率，c是光速，λ0是激光發(fā)生裝置發(fā)出的初始波長(zhǎng)。

14、已知可得由微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)θ角度時(shí)引起的腔模波長(zhǎng)變化量δλ與微棱鏡陣列與軸心的垂直距離d及其旋轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系：

15、另一方面，窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角與透射波長(zhǎng)λ′的關(guān)系關(guān)系式如下：

16、

17、λ0為窄帶干涉片與光束垂直時(shí)的透射波長(zhǎng)，neff為窄帶干涉片的折射率，則干涉片旋轉(zhuǎn)引起的透射波長(zhǎng)變化量δλ′為：δλ′＝λ0-λ′。

18、由于本發(fā)明的窄帶干涉片與微棱鏡陣列平行放置，當(dāng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)θ角度時(shí)，窄帶干涉片的旋轉(zhuǎn)角與微棱鏡陣列的旋轉(zhuǎn)角度θ相等。所以，通過調(diào)整微棱鏡陣列與軸心的垂直距離d使微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)θ角度引起的腔模波長(zhǎng)變化量與窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度引起的透射波長(zhǎng)變化量相等或近似相同(在本發(fā)明中，“近似相同”理解為誤差極小而可視為相等)，可使腔模頻率與干涉片透射峰頻率同步變化，從而解決單一的干涉片旋轉(zhuǎn)引起的激光頻率跳模和單一的微棱鏡陣列引起的頻率可調(diào)諧范圍小的問題，實(shí)現(xiàn)對(duì)旋轉(zhuǎn)角度的大范圍連續(xù)測(cè)量。

19、作為本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，微棱鏡陣列(與壓電模塊集為一體)旋轉(zhuǎn)角度與波長(zhǎng)的關(guān)系是：

20、(1)假設(shè)微棱鏡陣列與入射光夾角為0°時(shí)，腔長(zhǎng)當(dāng)微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)θ時(shí)，腔長(zhǎng)所以當(dāng)微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)的角度為θ時(shí)，可以得到此時(shí)的腔模波長(zhǎng)其中n取正數(shù)，d為壓電模塊的厚度，即微棱鏡陣列前表面與軸心的垂直距離。l1為入射角為0°時(shí)激光器輸出光面到微棱鏡陣列的長(zhǎng)度。

21、(2)因此通過設(shè)置微棱鏡陣列與軸心的垂直距離，使旋轉(zhuǎn)微棱鏡陣列引起的腔模波長(zhǎng)變化量與旋轉(zhuǎn)干涉片引起的透射波長(zhǎng)變化量相等(或近似相同)，可得腔模頻率與干涉片透射峰頻率同步變化，從而解決單一的干涉片旋轉(zhuǎn)引起的激光頻率跳模和單一的旋轉(zhuǎn)微棱鏡陣列引起的頻率可調(diào)諧范圍小的問題。

22、根據(jù)公式f＝cλ-1，則df＝-cλ-2dλ，其中f是頻率，c是光速，λ是波長(zhǎng)，且干涉片旋轉(zhuǎn)角度與透射波長(zhǎng)在±1°范圍內(nèi)存在近似線性關(guān)系knm/度，得知干涉片旋轉(zhuǎn)角度滿足公式：

23、

24、其中，k為當(dāng)d的取值滿足且δλ＝δλ′條件時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度與λ′曲線的斜率：

25、

26、在本發(fā)明中，所述激光發(fā)生裝置是本領(lǐng)域的常規(guī)設(shè)置，通常包括依序設(shè)置在光路上的激光二極管1和準(zhǔn)直透鏡2。其中，激光二極管1的工作波段可以是任意波段，優(yōu)選地，從便于獲得或節(jié)約經(jīng)濟(jì)的角度考慮，可采用780nm波段激光二極管。本領(lǐng)域技術(shù)人員也可以選擇其他工作波長(zhǎng)的激光二極管，如420nm、850nm、1550nm激光二極管等。

27、這樣，激光二極管輸出的發(fā)散光經(jīng)過第一準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直為平行光，平行光經(jīng)過窄帶干涉片后被濾除帶外光，得到窄帶光；該窄帶光到達(dá)微棱鏡陣列前表面，經(jīng)微棱鏡陣列后得到與窄帶光共線反向的反射光；該反射光反饋回到激光二極管，當(dāng)腔內(nèi)振蕩達(dá)到閾值后，經(jīng)偏振分光棱鏡輸出的反射光作為的被測(cè)激光。該被測(cè)激光到達(dá)拍頻測(cè)量模塊，與光梳系統(tǒng)進(jìn)行拍頻比對(duì)，通過測(cè)量拍頻頻率的變化量δf，將其轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)角度θ的變化。

28、拍頻測(cè)量屬于本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)。作為一種優(yōu)選的實(shí)施方式，所述拍頻測(cè)量模塊包括設(shè)置在第一偏振分光棱鏡3的輸出反射光方向的第一半波片9、第二偏振分光棱鏡12、設(shè)置在第二偏振分光棱鏡12輸出光方向的寬帶探測(cè)器13和頻率計(jì)數(shù)器14；被測(cè)激光經(jīng)第一半波片9射入第二偏振分光棱鏡12后被全部反射，光梳系統(tǒng)10發(fā)出的梳齒經(jīng)第二半波片11后入射第二偏振分光棱鏡12，梳齒與被測(cè)激光合束后到達(dá)寬帶探測(cè)器13，寬帶探測(cè)器13連接到頻率計(jì)數(shù)器14，由頻率計(jì)數(shù)器14得到拍頻頻率。當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)引起拍頻頻率發(fā)生變化時(shí)，通過δf＝f0-f1得到拍頻頻率變化量δf。其中，f0為高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)位于初始位置時(shí)的被測(cè)激光頻率，f1為高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生旋轉(zhuǎn)后的被測(cè)激光頻率。

29、在本發(fā)明中，寬帶探測(cè)器、頻率計(jì)數(shù)器和光梳系統(tǒng)都屬于本領(lǐng)域的現(xiàn)有設(shè)備，例如采用50ghz的寬帶探測(cè)器。

30、本發(fā)明的高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)是可在商業(yè)購買獲得的產(chǎn)品，例如thorlabs公司銷售的小型旋轉(zhuǎn)位移臺(tái)(pdr1c)。

31、作為本發(fā)明的另一種實(shí)施方式，本發(fā)明可以將窄帶干涉片4粘接在微棱鏡陣列5的前表面上，即窄帶干涉片、微棱鏡陣列和壓電模塊三者集為一體，共同固定在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，提高系統(tǒng)的機(jī)械魯棒性。

32、根據(jù)一種優(yōu)選的實(shí)施方式，本發(fā)明還包括超低膨脹率玻璃基座15，將激光二極管1、準(zhǔn)直透鏡2、第一偏振分光棱鏡3、一體化的窄帶干涉片-微棱鏡陣列-壓電模塊、高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)7和旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定座8固定在由超低膨脹率玻璃制造的基座上，可用于減小腔長(zhǎng)抖動(dòng)對(duì)被測(cè)激光自由運(yùn)行時(shí)的頻率的影響，將激光頻率波動(dòng)穩(wěn)定到hz量級(jí)，這種設(shè)置可以進(jìn)一步提高角度測(cè)量分辨力。

33、在本發(fā)明中，超低膨脹率玻璃可采用如美國康寧公司銷售的超低膨脹玻璃(ule)。

34、另一方面，本發(fā)明還提供一種可連續(xù)測(cè)量的小角度測(cè)量方法，所述方法包括以下步驟：

35、(1)使激光二極管發(fā)出的激光經(jīng)過窄帶干涉片后得到窄帶光；所述窄帶光經(jīng)微棱鏡陣列后被反射，經(jīng)偏振分光棱鏡返回到激光二極管，當(dāng)腔內(nèi)振蕩達(dá)到閾值后，由所述偏振分光棱鏡反射輸出被測(cè)激光；

36、所述窄帶干涉片和微棱鏡陣列平行固定在一高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，微棱鏡陣列的后表面粘接一壓電模塊，壓電模塊后表面中心處于所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)的軸心位置，因此當(dāng)所述旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，窄帶干涉片和微棱鏡陣列與入射角同時(shí)發(fā)生改變且角度變化量相等；

37、(2)當(dāng)所述高精密水平旋轉(zhuǎn)臺(tái)發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)，窄帶干涉片與微棱鏡陣列同步旋轉(zhuǎn)，根據(jù)不同的壓電模塊厚度d的取值，繪制微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)角度為θ時(shí)引起的腔模波長(zhǎng)變化量δλ曲線，δλ與微棱鏡陣列的旋轉(zhuǎn)角度θ滿足以下關(guān)系：

38、

39、其中，l為激光二極管輸出光端面到微棱鏡陣列前表面的長(zhǎng)度，λ0是激光輸出波長(zhǎng)，d是壓電模塊厚度、δλ是微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)角度為θ時(shí)引起的腔模波長(zhǎng)變化量；

40、(3)通過以下公式得到窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度與透射波長(zhǎng)λ′的關(guān)系表達(dá)式如下：

41、

42、λ0為窄帶干涉片與光束垂直時(shí)的透射波長(zhǎng)，neff為窄帶干涉片的折射率，則干涉片旋轉(zhuǎn)引起的透射波長(zhǎng)變化量δλ′為：δλ′＝λ0-λ′；

43、(4)步驟(1)的被測(cè)激光輸入至拍頻測(cè)量模塊，由拍頻測(cè)量模塊將被測(cè)激光與由光梳系統(tǒng)輸出的梳齒進(jìn)行拍頻得到拍頻頻率；

44、(5)計(jì)算微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)角度θ，所述拍頻頻率的變化量δf與微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)角度θ的關(guān)系是：

45、

46、當(dāng)d的取值滿足且δλ＝δλ′條件時(shí)(即微棱鏡陣列旋轉(zhuǎn)θ角度引起的腔模波長(zhǎng)變化量δλ與窄帶干涉片旋轉(zhuǎn)角度引起的透射波長(zhǎng)變化量δλ′相等)，k為步驟(2)中旋轉(zhuǎn)角度與λ′曲線的斜率：

47、

48、本發(fā)明的小角度測(cè)量基準(zhǔn)裝置采用窄帶干涉片進(jìn)行窄帶濾光，將激光二極管發(fā)出的寬帶光濾光成窄帶光束，在微棱鏡陣列的光反饋下實(shí)現(xiàn)激光頻率對(duì)旋轉(zhuǎn)角度極其敏感的被測(cè)激光輸出，從而將旋轉(zhuǎn)角度的小角度變化反映在被測(cè)激光與梳齒拍頻頻率的變化量δf上。其中，通過調(diào)整壓電模塊的電壓優(yōu)化自身厚度d(即微棱鏡陣列后表面與軸心的垂直距離)，可使腔模頻率的變化與干涉片透射峰中心頻率的變化保持同步，以解決單一的干涉片旋轉(zhuǎn)引起的激光頻率跳模和單一的改變腔長(zhǎng)(旋轉(zhuǎn)微棱鏡陣列)引起的頻率可調(diào)諧范圍小的問題。

49、由于光梳頻率的穩(wěn)定度可以達(dá)到e-14量級(jí)，頻率波動(dòng)為hz量級(jí)，而自由運(yùn)行窄帶干涉片激光器的頻率波動(dòng)在幾十khz量級(jí)，因此角度測(cè)量極限可以轉(zhuǎn)換成幾十khz的激光頻率測(cè)量，對(duì)應(yīng)的角度測(cè)量極限約為0.0001″量級(jí)。當(dāng)進(jìn)一步通過超低膨脹率玻璃基座將自由運(yùn)行窄帶干涉片激光器的頻率波動(dòng)穩(wěn)定在hz量級(jí)時(shí)，對(duì)應(yīng)的角度測(cè)量分辨力可實(shí)現(xiàn)約0.00000001″量級(jí)，實(shí)現(xiàn)小角度計(jì)量超高精度角度測(cè)量分辨力的大幅提升。

50、本發(fā)明利用基于外腔半導(dǎo)體激光器中激光頻率對(duì)腔長(zhǎng)的超高敏感性的小角度測(cè)量基準(zhǔn)裝置來實(shí)現(xiàn)角度測(cè)量極限為0.0001″量級(jí)的角度測(cè)量?jī)x，可以應(yīng)用到mems、精密儀器和光學(xué)系統(tǒng)中，滿足這類高精密設(shè)備的應(yīng)用需求。