高精度光学动态角度测量简介

传感器，用加长的临界角棱镜代替图3的直角棱镜以增加反射次数，如图4所示。该仪器可用于表面形貌、直线度、振动等方面的测量。在测量角度方面，以3弧分范围内的分辨力为0.02弧秒。在接下来的工作中，P S Huang 等人又将其测角范围扩大到30弧分，输出信号峰－峰值的漂移小于0.04弧秒[19,20]。该仪器的缺点是成本高,加长的临界角棱镜加工困难。台湾的National Chiao Tung University的Ming-Hong Chin等人在此原理基础上，提出了全内反射外差干涉测角方法。用外差干涉测角方法。用外差干涉仪测量S偏振光和P偏振光之间的相位差，将传感器的测角范围扩大到10。，分辨力随入射角的大小变化，最佳分辨力可达8×1 0－5度[21]。Hong Kong University Of Science And Technology的Wei Dong Zhou等人采用差动共光路结构，大大提高了系统的线性，并获得了0。3角秒的最佳分辨力。天津大学和日本东北大学在这方面也进行了一些研究[23]。

4 激光干涉测角法

角度可以表示为长度之比，长度的变化可以用激光干涉法在角度测量中得到广泛的运用。干涉测角法不仅可以测量小角度，而且也可以测量整周角度。4.1 激光干涉小角度测量

干涉小角度测量的基本原理可以表示成图5的形式。采用迈克尔逊干涉原理，用两路光程差的变化来表示角度的变化，经角锥棱镜反射的一路光的光程随着转角的变化而变化，因此干涉条纹也发生相应的移动，测得条纹的移动量，就可测得转台的转角[24]。在此原理基础只上发展起来的角度测量系统都致力于光路结构的改进和消除各种误差因素的影响。经过改进后可以测量大约90度的角度，但各种误差因素随着所测角度的增大而急剧增加，因此该系统的测量范围限制在几度内，在此范围内具有极高的测量准确度。这种技术已经发展得非常成熟，美国、日本、德国、俄罗斯等国家早已将激光干涉小角度测量技术作为小角度测量的国家基准[25]。为了消除转盘径向移动对角度测量的影响，采用如图6所示的测量光路，用两个角锥棱镜形成差动测量，大大提高了系统的线性和灵敏度。为了增加干涉仪抗环境干扰的能力，可以采用双频激光外差干涉测量法，用双频激光代替普通光源。用这种方法测量平面角，灵敏度可达0.002[26]。

4.2 激光干涉任意角测量方法

上面介绍的干涉法小角度测量系统，测量范围大约在几度以内，而大范围的角度测量要求越来越多，为了解决整周角度的测量问题，对上述方法进行了相应的改进，提出了几种新的激光干涉任意角度测量方法。

4.2.1 用双平面反射镜实现任意角度测量

该系统的构造如图7所示。系统的核心部分由旋转镜RM、旋转镜悬架SU以及防倾斜装置TP构成。防倾斜装置TP能够保证在一周的旋转范围内，由旋转镜RM的两镜面构成的直角的角平分线始终与入射的激光束平行。当旋转镜悬架SU转动Θ角时，旋转镜RM在光线入射方向移动相应的距离，光电元件接收的干涉条纹数发生相应的变化[25]。该方法存在的主要问题时平面镜的表面形貌和两平面镜的直角误差都会对测量结果产生影响，另外机械导杆的运动平稳度也会使结果产生偏差，需要用算法进行修正。

4.2.2 定值角型任意角干涉测量技术

两块平面镜以一定的夹角排列而构成的光学组件即为定值角，用标准定值角取代迈克尔逊干涉仪中的测量干涉经就构成定值角干涉仪。天津大学根据该原理设计的一个双定值角型测角系统光路如图8所示。由激光器1初涉的光束经扩大镜组2、针孔滤波器3、准直透镜5、限束光阑6、平面反射镜7、分光镜8后分成两束，分别进入由长平面镜9和被检多面棱镜12构成的双定值角，经反射后在分光镜8上产生干涉，干涉信号由CCD元件4接收。这一路光称为多面棱体检定光路，与其对称的右半部分称为双定值角测量－跟踪干涉仪，工作原理与其完全相同。该系统能在0～360度范围内实现任意角度的高准确度测量，测量不确定度优于0.3[27]。该方法的主要问题是标准定值角的加工及安装精度比较难保证，而且测量过程中需要一套双定值跟踪系统，结构比较复杂。

4.2.3 双频激光楔形平板干设法测量任意转角

利用双光线经过楔形平板时光程差变化与平板转角的关系，测得光程差的变化，从而得出相应的转角变化。系统基本原理如图9所示。由双频激光器发出的激光束经过分光镜分为两束，反射光经检偏器1后由光电接收器接收，形成参考信号。投射的一束光是测量光路，经过偏振偏光镜将偏振方向相互垂直的两路光分开，频率分别为F1和F2，两路光分别经过Λ/4波片和楔形平板后由角锥镜反射回偏振分光镜铲射产生干涉信号，经检偏器后由光电接收器2吸收，将光电接收器1、2的信号送入信号处理电路，可得到多普勒频差，该频差值随光程差而变，即随平板移动而变化，因此可以得到楔形平板转角的信息。系统中光线4次通过楔形平板，采用了差动结构，可以消除楔形平板的平移和摆动误差产生的影响。该系统可以自动判别转台的转动方向，可测量360度范围内的转角，动态相应范围为4r/S。但是，系统灵敏度在整个测量方位内不是常数，为了克服这以缺点，使用在空间相互垂直的两套测量光路以消除90度和270度两个死点，这样就使系统的体积非常庞大，结构复杂。另外，由于使用多个角锥反射镜，使光路装调比较困难，很难在实际中应用。