多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置及方法

日期:2019-03-02 15:12:25

专利名称:多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置及方法,属于微位移检测技术领域。
背景技术
实现对激光入射角度的精密测量是工程领域一直在面对并欲解决的问题。随着科学技术的发展,角度测量方法不断的推陈出新,包括CCD光学测角法、PIP干涉测量法、成像式光栅自准直测角法、衍射测角法等。利用这些方法一般都不能达到高准确度角度测量的要求。光学测角由于具有非接触性、精度高和结构简单等特点而备受人们的重视,使用光学方法进行角度的测量得到了越来越广泛的应用。在光学测量法中,激光外差测量技术继承了激光外差技术和多普勒技术的诸多优点,是目前超高精度测量方法之一。传统的外差干涉测角技术均采用双光束干涉,外差信号频谱只含单一频率信息,解调后得到单一的待测参数值,这种方法得到的待测参数值的测量精度低。

发明内容
本发明的目的是解决传统的外差干涉测量激光入射角度技术由于只能得到单一的待测参数值而使测量精度低的问题,提供一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置及方法。本发明所述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置,该装置由激光器、偏振分束镜PBS、四分之一波片、振镜、平面反射镜、平面标准镜、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统组成,激光器发出的线偏振光经偏振分束镜PBS反射后入射至四分之一波片,经该四分之一波片透射后的光束入射至振镜的光接收面,经该振镜反射的光束再次经四分之一波片透射后发送至偏振分束镜PBS,经该偏振分束镜PBS透射后的光束入射至平面反射镜的反射面,经该平面反射镜反射后的光束入射至平面标准镜前表面,经该平面标准镜前表面透射的光束在该平面标准镜内,经该平面标准镜内部后表面与前表面多次反射后获得多束反射光,该多束反射光经该平面标准镜的前表面透射之后与经该平面标准镜前表面反射后的光束均通过会聚透镜汇聚至光电探测器的光敏面上,所述光电探测器输出电信号给信号处理系统。本发明所述采用上述多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的方法,该方法的过程为首先,打开振镜的驱动电源使振镜开始做简谐振动;同时,打开激光器;开始测量,在测量过程中,
通过信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号,并对采集到的差频信号进行处理,根据频率与折射角的关系fp = Kp cos θ获得平面标准镜的激光折射角θ的关系式COS θ = fp/Kp,式中fp为激光外差信号的频率,Kp为fp与cos θ的比例系数。对所述通过信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号,并对采集到的差频信号进行处理,根据频率与折射角的关系fp = Kp cos θ获得平面标准镜的激光入射角Qtl 的关系式的过程为设定经平面反射镜反射后的光束入射至平面标准镜前表面的入射角为θ ^,此时平面标准镜的入射光场为E(t) = EpxpCi co0t),式中&为常数,i表示虚数,Coci为激光角频率;振镜采用多普勒振镜,多普勒振镜的振动方程为x(t) = X0COS ( ω Ct),式中X0为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间,多普勒振镜的速度方程为ν (t) = -cocX(|Sin (ω ct),平面标准镜的反射光的频率为ω = co0(l-2cocx0sin(coct)/c);则在tl/c时刻到达平面标准镜前表面并被该表面反射的反射光的光场为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为光从周围介质射入平面标准镜前表面的反射系数,1为振镜到平面标准镜的距离;经该平面标准镜前表面透射的光束在不同时刻在平面标准镜内经该平面标准镜后表面反射m次而透射出平面标准镜前表面的m束反射光的光场分别为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,参数α工=β β,r’,. . .,α m = β β,r’ ‘1),β为平面标准镜前表面的透射系数,β"为光透射出平面标准镜时的透射系数,r"为平面标准镜内部反射光经前后
表面的反射系数,θ为光束光从周围介质入射平面标准镜前表面时的折射角,η为平面标
准镜的折射率,d为平面标准镜的厚度; 光电探测器接收到的总光场为
权利要求
1.一种多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置,其特征在于 该装置由激光器(1)、偏振分束镜PBS( 、四分之一波片(3)、振镜G)、平面反射镜(5)、平面标准镜(6)、会聚透镜(7)、光电探测器(8)和信号处理系统(9)组成,激光器(1)发出的线偏振光经偏振分束镜PBS ( 反射后入射至四分之一波片(3),经该四分之一波片( 透射后的光束入射至振镜的光接收面,经该振镜(4)反射的光束再次经四分之一波片C3)透射后发送至偏振分束镜PBS ( ,经该偏振分束镜PBS ( 透射后的光束入射至平面反射镜(5)的反射面,经该平面反射镜(5)反射后的光束入射至平面标准镜(6)前表面,经该平面标准镜(6)前表面透射的光束在该平面标准镜(6)内,经该平面标准镜(6)内部后表面与前表面多次反射后获得多束反射光,该多束反射光经该平面标准镜(6)的前表面透射之后与经该平面标准镜(6)前表面反射后的光束均通过会聚透镜(7) 汇聚至光电探测器(8)的光敏面上,所述光电探测器(8)输出电信号给信号处理系统(9)。
2.根据权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置,其特征在于所述激光器(1)为Htl固体激光器。
3.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置,其特征在于所述信号处理系统(9)由滤波器(9-1)、前置放大器(9-2)、模数转换器A/D(9-;3)和数字信号处理器DSP (9-4)组成,所述滤波器(9-1)对接收到的光电探测器(8)输出的电信号进行滤波之后发送给前置放大器(9-2),经前置放大器(9- 放大之后的信号输出给模数转换器A/D(9-;3),所述模数转换器A/D (9-3)将转换后的数字信号发送给数字信号处理器DSP (9-4)。
4.根据权利要求1或2所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置,其特征在于所述振镜(4)为多普勒振镜,其简谐振动方程为χ (t) = X0Cos ( ω ct),式中^为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间,其速度方程为v(t) = - ω cx0sin (ω ct)。
5.采用权利要求1所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置实现多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量角度的方法,其特征在于该方法的过程为首先,打开振镜⑷的驱动电源使振镜⑷开始做简谐振动;同时,打开激光器⑴;开始测量,在测量过程中,通过信号处理系统(9)连续采集光电探测器(8)输出的电信号,并对采集到的差频信号进行处理,根据频率与折射角的关系fp = Kp cos θ获得平面标准镜(6)的激光折射角θ 的关系式COS θ = fp/Kp,式中fp为激光外差信号的频率,Kp为fp与cos θ的比例系数。
6.根据权利要求5所述的多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的方法,其特征在于对所述通过信号处理系统(9)连续采集光电探测器(8)输出的电信号, 并对采集到的差频信号进行处理,根据频率与折射角的关系fp = Kp cos θ获得平面标准镜 (6)的激光入射角θ ^的关系式的过程为设定经平面反射镜( 反射后的光束入射至平面标准镜(6)前表面的入射角为θ ^,此时平面标准镜(6)的入射光场为 E (t) = Exexp (i ω0 ),式中&为常数,i表示虚数,Otl为激光角频率; 振镜(4)采用多普勒振镜,多普勒振镜的振动方程为χ (t) = X0Cos ( ω ct),式中X0为多普勒振镜振动的振幅,ω。为多普勒振镜的角频率,c为光速,t为时间, 多普勒振镜的速度方程为 v(t) = -cocx0sin(coct),平面标准镜(6)的反射光的频率为 ω = co0(l-2cocx0sin(coct)/c);则在t-1/c时刻到达平面标准镜(6)前表面并被该表面反射的反射光的光场为 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为光从周围介质射入平面标准镜(6)前表面的反射系数,1为振镜(4) 到平面标准镜(6)的距离;经该平面标准镜(6)前表面透射的光束在不同时刻在平面标准镜(6)内经该平面标准镜(6)后表面反射m次而透射出平面标准镜(6)前表面的m束反射光的光场分别为 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,参数h = β β ’r’,...,Cim = β β,r’ β为平面标准镜(6)前表面的透射系数,β ‘为光透射出平面标准镜(6)时的透射系数,r"为平面标准镜(6)内部反射光经前后表面的反射系数,θ为光束光从周围介质入射平面标准镜(6)前表面时的折射角,η 为平面标准镜(6)的折射率,d为平面标准镜(6)的厚度; 光电探测器(8)接收到的总光场为 E (t) = E0 (t) +E1 (t) +E2 (t) +··· +Em (t), 则光电探测器⑶输出的光电流为I = ^jj^E0(t) + El(t) + - + Em(t)][E0(t) + El(t) + - + Em(t)rds
全文摘要
多普勒振镜正弦调制多光束激光外差测量激光入射角度的装置及方法,属于微位移检测技术领域。它解决了传统的外差干涉测量激光入射角度技术由于只能得到单一的待测参数值而使测量精度低的问题。本发明装置由激光器、偏振分束镜PBS、四分之一波片、振镜、平面反射镜、平面标准镜、会聚透镜、光电探测器和信号处理系统组成;方法为打开振镜和打开激光器;在测量过程中,通过信号处理系统连续采集光电探测器输出的电信号,并进行处理,根据频率与折射角的关系fp=Kpcosθ获得平面标准镜的激光折射角θ的关系式,进而获得平面标准镜的激光入射角θ0。本发明适用于激光入射角度的测量。
文档编号G01C1/00GK102221355SQ20111014468
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者丛海芳, 曲杨, 李彦超, 王春晖, 邵文冕, 高龙 申请人:哈尔滨工业大学


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