一种高精度二维小角度测量方法

摘要

本发明公开了一种高精度二维小角度测量方法，属于光学非接触二维小角度测量技术。采用二维小角度测量装置实现角度测量方法，其特征在于采用分光光路设计将被测物体反射的带有被测二维角度信息的光分成相互正交的两束，分别带有绕Z、X轴的转角信息进入XY、YZ测量平面，角度测量采用光学差动式测量方法；被测物体姿态发生变化即光线的入射角发生变化，检测后转换成与角度变化值成比例的电信号，经单片机进行信号分析处理及显示，得到由于物体姿态/转角变化而引起的二维角度变化量示值。本发明的优点在于采用一个照明光源和分光光路实现二维小角度同时测量，系统精度高、分辨力和测量范围可调、体积小、结构简单，分辨力可达0.05arcsec，测量范围为±600arcsec。

说明书

                               技术领域

本发明涉及一种高精度二维小角度测量方法，属于光学非接触二维小角度测量技术。

                               背景技术

目前，常用的光学测角方法包括光学分度头法、多面棱体法、光电编码法、自准直法、莫尔条纹法、平行干涉图法、圆光栅法、激光干涉法以及环形激光法等。而对于小角度测量(α≤1°，特别是±10～20arcmin以内)，主要测量方法包括激光小角度测量仪法、标准光学角规法、圆光栅测角法、激光干涉测量法、光电自准直仪法。虽然这些方法能提供较高的测量精度，但基于此设计的测量系统结构比较复杂、体积较大，安装空间受限，大部分只能进行一维角度的测量。要想实现二维角度测量，通常都是两个一维装置组合起来，结果是测量系统的体积更加庞大，因而在工业实际应用中具有较大的局限性，特别是很难与加工机械结合用于在线测量。因此，要寻找体积小、测量分辨力高且具有一定测量范围的二维小角度测量方法以适应在线测量的要求。

                               发明内容

本发明的目的在于提出一种高精度二维小角度测量方法，克服现有小角度测量方法的不足，系统具有体积小、结构简单、调整方便、稳定性高等特点。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种高精度二维小角度测量方法，该方法采用经准直的激光光源2，偏光分光镜14，1/4波片15，物体表面或反射镜1，三个分光镜3、4、13，4个临界角棱镜5、7、10、11和4个光电二极管6、8、9、12；其中4、5、6、7、8构成XY平面的一维角度测量，9、10、11、12、13构成YZ平面的一维角度测量，分光镜3将物体表面反射光分为两束光，分别进入XY、YZ角度测量平面，从而实现二维小角度测量装置。实现角度测量方法的特征在于，采用分光光路设计，将被测物体反射回来的带有被测二维角度信息的光分成相互正交的两束光，每束光带有一维转角信息分别进入XY、YZ一维角度测量平面，每束光的角度测量采用光学差动式测量方法；在初始测量时，角度测量装置输出信号设为“零”，当测量过程中，被测物体姿态发生变化，使入射进角度测量系统的光线的入射角发生变化，该变化量被角度测量装置检测并转换成与角度变化值成比例的电信号；该电信号经放大后再经以单片机为中央处理单元的信号分析处理及显示电路，得到由于物体姿态/转角变化而引起的二维角度变化量示值。

本发明的优点在于仅采用一个照明光源和分光光路，实现二维小角度同时测量，系统精度高、分辨力和测量范围可调、体积小、结构简单，分辨力可达0.05arcsec，测量范围为±600arcsec。

                               附图说明

图1为实现本发明方法的装置结构立体示意图。

图中：1为被测物体表面或反射镜，2为准直激光光源，3、4、13为分光镜，5、7、10、11为临界角棱镜，6、8、9、12为光电二极管，14为偏光分光镜，15为1/4波片。

                             具体实施方式

二维光学非接触式小角度测量方法，采用光学差动式角度测量方法，检测被测物体的转角变化量，其过程是：半导体激光器2发出的光准直后经偏光分光镜14后，S偏光被反射后经1/4波片15后成为圆偏光，入射到固定在被测物体表面或固定在其表面的反射镜1，从被测反射面反射回来的圆偏光，通过分光镜15后成为P偏光，再经分光镜3后分成能量相等的两束互相正交的光，其偏振状态保持不变，其中一束光经分光镜4后被分为两束光，分别入射到两个沿直角方向安置的棱镜5和7内，出射光光强分别被光电二极管6和8检测，此部分在设计时被安装在XY面内，因此能检测到绕Z轴方向的转角变化；另一束光经分光镜13后被分为两束光，分别入射到两个沿直角方向设置的棱镜10和11内，出射光光强分别被光电二极管9和12检测，此部分在设计时被安装在YZ面内，因此能检测到绕X轴方向的转角变化。这样当被测平面镜存在一个二维的角度变化时就可以被同时测量出来。在初始测量时，可以认为角度测量装置两路输出信号为“零”；当测量过程中物体姿态发生变化时，物体/反射面的空间方位角度发生变化，反射光即相对于角度测量装置的入射光，其入射角度也产生相应的变化，该变化量为反射面角度变化量的一倍，使被测量得到放大。

由于采用差动测量方法，当反射光的角度有偏摆时，两个内反射棱镜的入射光的入射角分别增大/减小Δθ，反射率变化量也分别增大或减小，出射光的光强被光电二极管检测并转化为光电流，两路光电流信号经过电流-电压变换以及加法、减法和除法运算后，得到线性化处理后的角度变化量，在单片机的运算程序控制下进行采样、滤波、分析处理后，角度变化量被显示，从而得到由于物体姿态变化而引起的二维角度变化。