[发明专利]一种基于激光干涉的低非线性角度测量装置和方法

说明书

本发明公开一种基于激光干涉的低非线性角度测量装置和方法，发射一束双频激光；确定两种频率分量的初始相位差；将双频激光按照频率分量分离成两路平行的激光；将第一频率激光入射到被测物，反射的第一频率激光与第二频率激光的参考分量形成第一干涉信号；将第二频率激光入射到被测物，反射的第二频率激光与第一频率激光的参考分量形成第二干涉信号；通过初始相位差、第一、第二干涉信号确定第一位移和第二位移；通过第一、第二位移以及第一频率激光和第二频率激光之间的平行距离确定被测物的偏航角。本发明采用多路激光干涉测量，结合共光路对称结构设计，通过差分共模原理提高小角度测量分辨率，降低小角度测量非线性，实现亚纳弧度角度测量。

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域和光学工程领域，更具体地，涉及一种基于激光干涉的低非线性角度测量装置和方法。

背景技术

高精度角度测量是精密测量中的基础技术。随着科技的发展，精密加工、计量以及基础科学实验都对角度测量精度提出更高的需求，如工业车床的超精密定位控制以及卫星微重力下检验质量的高精度的惯性传感。这就需要角度测量具有更高的灵敏度和更低的非线性。目前角度测量以光学式为主，包括激光自准直仪、差分波前传感器和干涉仪。

目前精密小角度测量技术以激光自准直原理为主导。激光自准直仪利用透镜对测量激光进行扩束准直，结合光斑位置传感器可实现角度的远距离、非接触式测量，其角度分辨率一般可达0.1角秒至0.001角秒。例如德国-WEDEL OPTICAL GmbH公司的ELCOMAT系列自准直仪，分辨率最高可达0.005角秒。激光自准直仪结合反射棱镜等光学组件可实现角度、平面度、线性度等测试了，广泛应用于精密加工。然而传统的激光自准直仪存在以下问题：激光自准直仪的输出依赖于光学系统的稳定性以及最后传感器表面光斑位置测量，环境的热噪声以及空气扰动等都会影响光斑能量分布，引起额外的角漂移。最终造成非线性误差，限制了角度测量精度。

差分波前传感是一种基于激光波前测量的小角度测量方式，是近十年来的一种新型角度传感技术。其基本原理是利用激光干涉测量反射激光的波前来测量待测微小角度变化。通常采用四象限光电传感器测量四个象限的干涉相位，通过差分相位的方式提取角度信息。差分波前传感虽然具有较高的灵敏度，但存在两个主要的缺点：一是测量范围小，其角度响应范围一般约为百微弧度量级。二是非线性大，需要额外的校准。这些缺点限制了差分波前传感的工业应用，一般限于实验室使用。

传统角度干涉仪的基本原理是利用角锥反射将角度转化为位移，然后用干涉法测量。采用平行角锥组成的光学组件固连在待测目标上，然后射入平行测量激光，利用角锥的平行反射结合分光镜进行合束干涉，读取干涉相位来测量角度变化。传统角度干涉仪的主要缺点在于必须使用双角锥光学组件固连方式，引入了机械噪声的同时限制了角度测量的应用场合。此外，角锥对反射面面内平动敏感，测量激光实际的光程变化复杂，容易造成非线性误差。

以上三种典型的小角度测量法均存在较为明显的非线性误差，限制了小角度测量的精度。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有小角度测量法均存在较为明显的非线性误差，限制了小角度测量精度的技术问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种基于激光干涉的低非线性角度测量装置，包括：双频激光光源、参考干涉信号单元、激光分束单元、第一测量干涉信号单元、第二测量干涉信号单元以及目标反射单元；

所述双频激光光源用于发射一束经过声光调制或塞曼效应频率调制后的双频激光，所述双频激光包含两种频率分量，所述两种频率分量的偏振态相互正交；

所述参考干涉信号单元用于确定所述两种频率分量的初始相位差；

所述激光分束单元用于将所述双频激光按照频率分量分离成两路平行的激光，分别称为第一频率激光和第二频率激光；