一種雷射自混合幹涉小角度測量方法及裝置製造方法

2023-10-09 05:05:44 1

一種雷射自混合幹涉小角度測量方法及裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及雷射自混合幹涉小角度測量方法及裝置，將雷射器輸出的雷射束經聚焦透鏡聚焦到旋轉物體表面，入射線偏離旋轉物體的角度旋轉中心，雷射器的輸出功率用一光電探測器進行監測，當旋轉物體發生小角度旋轉時，光電探測器監測到的雷射器輸出功率將隨著角度的變化而變化，通過預先定標好的角度和輸出功率間的對應關係，來實現對被測物體旋轉角度的測量。該測量裝置結構簡單、緊湊，測量精度高。
【專利說明】一種雷射自混合幹涉小角度測量方法及裝置

【技術領域】
[0001] 本發明涉及雷射應用【技術領域】，特別涉及雷射自混合幹涉小角度測量方法及裝 置。

【背景技術】
[0002] 雷射自混合幹涉是指雷射器輸出光被外部物體反射或散射後，部分光反饋回雷射 器內，與雷射諧振腔內光相混合後，引起雷射器輸出功率發生變化的現象。在光反饋較弱 時，雷射自混合幹涉引起的功率變化輸出信號與傳統的雙光束幹涉信號類似，外部反射物 的移動導致回饋光的光程出現變化時，雷射器輸出功率將出現周期性變化。雷射自混合幹 涉系統僅有一個光學通道，並且可以做到"絕對"測量，相對傳統的雷射幹涉系統，具有結構 簡單、緊湊等優點，在許多場合可以代替傳統幹涉儀，目前已在位移、振動、速度等高精度測 量中得到廣泛應用，但在角度測量中應用較少。
[0003] 我們曾發現當雷射束入射到一旋轉物體時，如果雷射束偏離被測物體的旋 轉中心，被測物體的角度變化將導致回饋光的光程變化，也將出現雷射自混合幹涉現 象。這種由於物體旋轉引起的雷射自混合幹涉現象可以應用到旋轉角度的測量[見 發明專利：鍾金鋼，琚志祥，基於雷射自混合幹涉的微小角度測量方法及裝置，專利號： ZL200610123674. 6]。這種角度測量方式可以獲得角解析度優於1(T5弧度的測量，但由於產 生雷射自混合幹涉需要回饋光通過雷射器的出光窗口重新返回雷射諧振腔內部，而雷射器 出光窗口的孔徑太小，使得角度測量的範圍也太小，只能對微小角度進行測量，限制了雷射 自混合幹涉對旋轉角度測量的應用。


【發明內容】

[0004] 本發明的目的在於提供一種雷射自混合幹涉小角度測量方法，有效地解決了角度 測量範圍太小的問題，從而拓展基於雷射自混合幹涉的角度測量方法的應用。
[0005] 本發明的目的還在於提供一種實現上述方法的測量裝置。
[0006] 本發明的技術方案如下：
[0007] -種雷射自混合幹涉小角度測量方法，雷射器輸出的雷射束經聚焦透鏡聚焦到旋 轉物體反射面上，雷射束偏離旋轉物體的角度旋轉中心，雷射束經反射面反射回雷射器中， 引起雷射自混合幹涉，雷射器的輸出功率用一光電探測器進行監測，當旋轉物體發生小角 度旋轉時，光電探測器監測到的雷射器的輸出功率將隨著角度的變化而變化，通過預先定 標好的角度和輸出功率間的對應關係，實現對旋轉物體旋轉角度的測量，其特徵在於：雷射 器與反射面之間設置一個聚焦透鏡，雷射器輸出的雷射束經聚焦透鏡聚焦到反射鏡上。
[0008] -種雷射自混合幹涉小角度測量裝置，包括雷射器、聚焦透鏡、光電探測器以及信 號處理系統。雷射器輸出的雷射束入射至旋轉物體的反射面且雷射束偏離旋轉物體的角度 旋轉中心，光電探測器用於監測雷射器的輸出功率，信號處理系統與光電探測器相連，其特 徵在於：雷射器與反射面之間設置一個聚焦透鏡，雷射器輸出的雷射束經聚焦透鏡聚焦到 反射面上。聚焦透鏡的焦距越短，角度測量範圍越大。
[0009] 進一步的，聚焦透鏡與反射面的距離為聚焦透鏡的焦距，也即是雷射束正好聚焦 在反射面上。
[0010] 本發明的理論依據如下：
[0011] 圖1所示，當雷射束射入一旋轉物體上，圖中的反射面是旋轉物體的一部分，其反 射光再反饋回雷射諧振腔內，將出現雷射自混合幹涉現象。當回饋光較弱時，自混合幹涉信 號類似雙光束幹涉信號，成正弦周期分布，回饋光的光程每改變半個波長時，自混合幹涉信 號將出現一次周期性的變化。當物體旋轉時，旋轉角度的變化將導致回饋光的光程發生改 變，因此也會引起雷射自混合幹涉信號隨角度成周期變化。但由於物體的旋轉角度變化，使 回饋光與雷射出射光成一定角度，回饋光將會偏離出射光光軸，當偏離角度過大時，回饋光 將偏離出雷射器的出光窗口，使回饋光無法返回雷射器諧振腔內，雷射自混合幹涉現象消 失。
[0012] 如圖2是未添加聚焦透鏡的反射光不意圖。設雷射器出光窗口直徑為a，出射光束 的束寬也為a。在幾何光學近似下，當反射光束中心光線偏離角度超出2 0 1時，則無回饋光 進入雷射器內，無自混合幹涉現象發生。當反射面距離雷射器為h時，能引起雷射自混合 幹涉的旋轉角度變化範圍為

【權利要求】
1. 一種雷射自混合幹涉小角度測量方法，雷射器（1)輸出的雷射束經聚焦透鏡（4)聚 焦到旋轉物體（3)的反射面（2)上，雷射束偏離旋轉物體（3)的角度旋轉中心，雷射束經反 射面（2)反射回雷射器（1)中，引起雷射自混合幹涉，雷射器（1)的輸出功率用一光電探測 器（6)進行監測，當旋轉物體（3)發生小角度旋轉時，光電探測器（6)監測到的雷射器（1) 的輸出功率將隨著角度的變化而變化，通過預先定標好的角度和輸出功率間的對應關係， 實現對旋轉物體（3)旋轉角度的測量，其特徵在於：雷射器（1)與旋轉物體（3)的反射面（2) 之間設置一個聚焦透鏡（4)，雷射器（1)輸出的雷射束經聚焦透鏡（4)聚焦到反射面（2)上。
2. -種雷射自混合幹涉小角度測量裝置，包括雷射器（1)、聚焦透鏡（4)、光電探測器 (6)以及信號處理系統（7)，雷射器（1)輸出的雷射束入射至旋轉物體（3)的反射面（2)且激 光束偏離旋轉物體（3)的角度旋轉中心，光電探測器（6)用於監測雷射器（1)的輸出功率， 信號處理系統（7)與光電探測器（6)相連，其特徵在於：雷射器（1)與反射面（2)之間設置 一個聚焦透鏡（4)，雷射器（1)輸出的雷射束經聚焦透鏡（4)聚焦到反射面（2)上。
3. 根據權利要求2所述的小角度測量裝置，其特徵在於：聚焦透鏡（4)與反射面（2)的 距離為聚焦透鏡（4)的焦距。
【文檔編號】G01B11/26GK104330054SQ201410560091
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】鍾金鋼, 郭揚 申請人:暨南大學