一种基于涡旋光干涉的高精度角度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光干涉测量技术领域，具体的说是一种基于涡旋光干涉的高精度角度测量装置及方法。

背景技术

角度高精度测量方面主要以光学测角为主。其中圆光栅法要求圆光栅必须安装在匹配的机械旋转轴上，在动态测量时性能差；光学内反射法需要入射角在全反射临界范围中，测量量程小。自准直法的测量原理和测量操作都简单，但是由于被测面难以达到真正意义上的水平或垂直状态，导致测量分辨率低。如果采用自准直法制造角度测量仪器，通常装置的体积偏大，而且装置的移动困难；环形激光器角度测量仪具有易校准、测量误差小、精确度高并能全自动测量瞬时速度的优点。但是只能实现动态测量、测量条件要求严格、成本高等缺点，限制了环形激光器在角度测量范围中的应用。

传统的激光干涉方法对环境条件要求高。环境变化对测量结果的精度影响极大，不可以在嘈杂的现场进行测量。是指外腔长度和反馈光强度的变化能够调制输出光的光谱特征和光强，光电二极管探测反馈回来的干涉信号，造成激光输出的变化，从而实现对外部运动物体的测量。传统的激光干涉法存在光学结构复杂，无法精确计数干涉图样中黑白相间条纹移动量的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种结合涡旋光干涉测量和啮合转台结构的高精度角度测量装置及方法，相比于传统激光干涉条纹计数，可以实现快速高精度角度测量，相比于其他光学测量方法，可以实现大量程角度测量并可以减少环境对测试精度的影响。

本发明的第一目的是提供一种基于涡旋光干涉的高精度角度测量装置，包括设于封装外壳内的光学干涉单元、移动反射单元和图像采集单元；

所述光学干涉单元，用于向所述移动反射单元垂直照射光束并接收反射的光束，向图像采集单元入射光束；所述移动反射单元，具有平移移动的平面反射镜，用于向所述光学干涉单元反射光束；所述图像采集单元，用于接收所述光学干涉单元入射的光束得到相移干涉图，进而计算角度值。

进一步的，所述光学干涉单元包括依次设置的激光器、起偏器、四分之一波片、第一分光镜、螺旋相位片和第二分光镜，以及接收第一分光镜光束的反射棱镜、接收反射棱镜光束的第三分光镜。

进一步的，所述第三分光镜使光束在第三分光镜和平面反射镜之间做往返后，输出至第二分光镜。

进一步的，所述平面反射镜固定在移动平台上，所述移动平台设置在平移导轨上。

进一步的，所述移动平台置于封装外壳外的底端设有齿轮齿条。

进一步的，封装外壳外还设有转台，所述转台通过齿轮齿条带动所述移动平台移动。

本发明的第二目的是提供一种基于涡旋光干涉的高精度角度测量方法，利用上述的基于涡旋光干涉的高精度角度测量装置，包括以下步骤：

光学干涉单元向移动反射单元垂直照射光束并接收平面反射镜反射的反射光束；

图像采集单元接收所述光学干涉单元干涉后的入射光束，得到相移干涉图；根据移动反射单元位移前后的相移干涉图计算角度值。

进一步的，所述光学干涉单元包括依次设置的激光器、起偏器、四分之一波片、第一分光镜、螺旋相位片和第二分光镜，以及接收第一分光镜测试光束的反射棱镜、接收反射棱镜测试光束的第三分光镜；

平面反射镜发生位移后，激光器发出光束，依次穿过起偏器和四分之一波片后变为左旋圆偏光，经由第一分光镜分为测试光束和参考光束；所述测试光束经过反射棱镜、第三分光镜后垂直照射在平面反射镜表面，并返回第三分光镜，输出至第二分光镜，测量纳米量级超高精密位移；所述参考光束经螺旋相位片后变为右旋圆偏振涡旋光，经第二分光镜后测试光束与参考光束干涉，所述测试光束和参考光束入射到图像采集单元得到相移干涉图。

进一步的，所述平面反射镜的入射光束、反射光束和位移方向平行。

进一步的，所述测试光束和参考光束经第二分光镜入射时光轴平行。

有益效果：

(1)本发明通过涡旋光干涉技术测量直线导轨位移，相比于传统激光干涉条纹计数，实现快速高精度角度测量；

(2)本发明通过直线导轨与转台啮合的结构，可以实现大量程角度测量。

(3)本发明除转台以外，其余结构包括光学部分均在封装保护中，可以有效减少环境对激光测试精度的影响。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例1提供的一种基于涡旋光干涉的高精度角度测量装置示意图。

图中：1—激光器；2—起偏器；3—四分之一波片；4—第一分光镜；5—螺旋相位片；6—相机；7-第二分光镜；8-移动平台；9-齿轮齿条；10-转台；11-封装外壳；12-反射棱镜；13-第三分光镜；14-平面反射镜；15-平移导轨。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步地说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例1

如图1所示，本实施例提出一种基于涡旋光干涉的高精度角度测量装置，包括设于封装外壳内的光学干涉单元、移动反射单元和图像采集单元；

所述光学干涉单元，用于向所述移动反射单元垂直照射光束并接收反射的光束，向图像采集单元入射光束；所述移动反射单元，具有平移移动的平面反射镜14，用于向所述光学干涉单元反射光束；所述图像采集单元，用于接收所述光学干涉单元入射的光束得到相移干涉图，进而计算角度值。

其中，光学干涉单元包括依次设置的激光器1、起偏器2、四分之一波片3、第一分光镜4、螺旋相位片5和第二分光镜7，以及接收第一分光镜光束的反射棱镜12、接收反射棱镜光束的第三分光镜13。具体的，反射棱镜12与第一分光镜4处于同一垂直线，反射棱镜12与第三分光镜13、平面反射镜14处于同一水平线，第三分光镜13、第二分光镜7和图像采集单元6处于同一垂直线，激光器1、偏起器2、四分之一波片3、第一分光镜4、螺旋相位片5、第二分光镜7处于同一水平线。

移动反射单元包括平面反射镜14、移动平台8、平移导轨15和齿轮齿条9，平面反射镜14固定在移动平台8上，与光学干涉单元中反射棱镜12和第三分光镜13处于同一水平线；移动平台8设置在平移导轨15上，其置于封装外壳11外的底端设有齿轮齿条9；

封装外壳11外还设有转台10，转台10转动一定的角度，通过齿轮齿条9带动移动平台8移动沿着平移导轨15移动，使得移动平台8上的平面反射镜14发生位移。

在本实施例中，图像采集单元为相机6。

在本实施例中，激光器具备良好地长时间稳定性，保证干涉图样清晰；

在本实施例中，调整平移导轨和平面反射镜的角度和位置，保证在平移过程中平面反射镜的可垂直反射激光光束。

在本实施例中，若平移导轨上丝杆在轴向移动距离为L，其带动齿轮使扫描镜旋转角度为θ，那么就有:

本发明提出一种结合涡旋光干涉测量和啮合转台结构的角度测量装置，相比于传统激光干涉传感器条纹计数，涡旋光干涉是通过相机识别干涉图像旋转的角度计算位移量，可以实现快速高精度角度测量；相比于其他光学测量方法，可以实现大量程角度测量，减少环境对测试精度的影响。

实施例2

本实施例提出一种基于涡旋光干涉的高精度角度测量方法，包括：

光学干涉单元向移动反射单元垂直照射光束并接收平面反射镜14反射的反射光束；

图像采集单元接收所述光学干涉单元干涉后的入射光束，得到相移干涉图；

根据移动反射单元位移前后的相移干涉图计算角度值。

具体的，转台10转动一定的角度，通过通过齿轮齿条9带动移动平台8移动沿着平移导轨15移动，使得移动平台8上的平面反射镜14发生位移；

激光器1发出光束，依次穿过起偏器2和四分之一波片3后变为左旋圆偏光，经由第一分光镜4分为测试光束和参考光束；所述测试光束经过反射棱镜12、第三分光镜13后垂直照射在平面反射镜14表面，并返回第三分光镜13，输出至第二分光镜7，测量纳米量级超高精密位移；所述参考光束经螺旋相位片5后变为右旋圆偏振涡旋光，经第二分光镜7后测试光束与参考光束干涉，所述测试光束和参考光束入射到图像采集单元得到相移干涉图。将位移前后获取的相移干涉图进行分析和解调制，即可求解出相位信息，从而计算出平面发射镜位移量值。

在本实施例中，调整激光器和分光镜，保证平面反射镜14的入射光束、反射光束和位移方向平行，并在相机处产生清晰的干涉图像；

在本实施例中，调整分光棱镜，使得两路光束干涉时光轴平行。

在本实施例中，具体实施方式：

步骤一、按照图1完成测试装置搭建；

步骤二、通过相机和软件识别图像的角度位置。

步骤四、转台转动一定的被测角度，带动平面反射镜位移。

步骤五、因为两束光的光程差发生改变，干涉图像发生旋转。通过相机和软件识别图像的角度位置，获得位移后的角度位置。

步骤六、根据传播距离与旋转角度满足线性关系：h＝θ×λ/2π，计算位移值。然后依据位移与角度的关系：

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。