[发明专利]一种高精度角度测量装置及方法

说明书

本发明提出一种高精度角度测量装置及方法，激光光源经扩束镜和衰减片后成为扩束平行激光；扩束平行激光经过第一分束镜、反射镜、第三分束镜、第四分束镜，形成第一参考光束；扩束平行激光经过第一分束镜、第二分束镜、第三分束镜、第四分束镜，形成第二参考光束；扩束平行激光经过第一分束镜、第二分束镜、待测反射镜、第四分束镜，形成待测光束；第一参考光束、第二参考光束、待测光束在CCD相机像面上相干叠加产生干涉图，并输入图像处理系统。本发明通过测量激光干涉光斑的位置信息，并将位置信息进行线性拟合，通过计算直线距离的变化量，计算出入射激光的角度变化。在相同测量精度下，该方法避免了对距离的苛刻要求，为高精度角度测量设备小型化提供一种方法。

技术领域

本发明属于光学计量领域，主要涉及小角度变化的高精度角度测量装置及方法。

背景技术

随着技术的发展，亚微弧度角度测量，已经成为许多高精尖技术迫切需要解决的重要问题。现多采用平行光管法或四象限法，使用平行光管法测量精度高，但是设备笨重，环境要求高，调节困难。例如测量亚微弧度角度物镜焦距须到达2m，需要占用大量空间。四象限法位置的灵敏度高，假设从反射镜到达四象限探测器距离为2.5m，该方法的灵敏度达到1μrad。但是由于激光光斑不是均匀分布的矩形光斑，因此四象限差动放大输出值和激光光斑位置呈非线性，而且由于非高斯杂散光存在，因此四象限法不适合高精度定量测量，而且激光反射到四象限探测器表面的初始位置非常难调，使用不方便。

国外在2012年optical&Laser Technology发表了《Application of the Fourieranalysis methods to the three beam interferometry》提出利用傅利叶分析三光干涉方法对小角度量进行测量，由激光器偏振片分束镜相机组成。对形成的相干图像进行傅利叶分析并对分析的结果进行进一步计算得到角度变化。现阶段相机像元最小为10um左右，由于相机像元无法做到无限小，所以图像的空间采样率比较低导致傅利叶变换得到的空间频率精度较低，从而计算出来的角度误差大。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种高精度角度测量装置及方法，在实现在小型化测量装置的同时满足亚微弧度角度的测量精度，适合于现场测试。

本发明的技术方案为：

所述一种高精度角度测量装置，其特征在于：包括激光光源、扩束镜、衰减片、分束镜、反射镜、待测反射镜、CCD相机与图像处理系统；

激光光源经扩束镜和衰减片后成为扩束平行激光；

扩束平行激光经过第一分束镜1、反射镜、第三分束镜3、第四分束镜4，在相机上形成第一参考光束1；

扩束平行激光经过第一分束镜1、第二分束镜2、第三分束镜3、第四分束镜4，在相机上形成第二参考光束2；

扩束平行激光经过第一分束镜1、第二分束镜2、待测反射镜、第四分束镜4，在相机上形成待测光束；

第一参考光束1、第二参考光束2、待测光束在CCD相机像面上相干叠加产生干涉图，并输入图像处理系统。

进一步的优选方案，所述一种高精度角度测量装置，其特征在于：各个分束镜与入射光束成45°夹角，反射镜与入射光束所成夹角不等于45°，待测反射镜与入射光束所成夹角不等于45°。

进一步的优选方案，所述一种高精度角度测量装置，其特征在于：反射镜与入射光束所成夹角在45°±10′范围内，且不等于45°；待测反射镜与入射光束所成夹角在45°±10′范围内，且不等于45°。