基于光学游标测量原理的平行光入射角度测量方法

对平行光入射角度的测量在航天、精密计量测试以及自动控制等许多技术领域有着广泛的应用,比如:在航天技术中通过对太阳光方位角度的测量可以获得航天器的姿态[1 5];在精密计量测试中通过平行光入射角度的测量,可以获得各种角度量的精密计量和测试[6 8];在自动控制技术中通过平行光入射角度的精密测量,可以使得机器人、太阳能设备或其它自动化装置自动跟踪控制光束或能源光束方位角度的变化[9]。目前,测量平行光角度的方法很多[1,2,5,8,9],由于测量原理上的限制,一般很难同时满足高精度和大量程两方面的测量性能要求。本文提出了一种基于光学游标测量原理的大量程条件下的高精度平行光入射角度测量方法,该方法类似于游标卡尺的测量。

1　光学游标测量原理及其理论方法

光学游标测量原理示意如图1所示。方案结构由光源板、动尺和定尺构成。光源板为一矩形窗口的掩膜结构,其主要功能是将入射的平行光变换成特定形状的照明光源;动尺为一刻有特定图案的掩膜结构,其主要功能是将透过光源板的平行光调制成光学游标的动尺图案;动尺图案被投射到一个阵列式光电接收器上,阵列式光电接收器各光电敏感单元的位置相对固定,为光学游标的定尺。

光学入射角度的测量过程如下:入射的平行光通过光源板之后,被动尺图案调制,形成明暗相间的条纹图像,该条纹图像的相对间距不变,而该条纹图像在定尺上的投影位置随平行光入射角度的变化而变化。随着平行光入射角度的变化,动尺条纹的投影与定尺上的各光电敏感单元构成相对移动的光学游标的动尺和定尺关系。于是,定尺上的各光电敏感单元接收的光强信息就同时包含了光源投影位置普通定位和精确定位的调制信息,通过对该调制信息的解读,就能实现光源投影位置的精确测量。

采用光学游标原理测量,其测量精度的提高是通过解读调制的投影信息而获得的游标读数来实现的,而不是以牺牲测量范围为代价。因此该测量方法在理论上可以获得的测量精度比阵列式光电接收器本身的高。

随着入射光线角度的变化,经过动尺调制后投影图像在定尺上发生明、暗交替的周期性条纹移动。如果将相邻明条纹和相邻暗条纹之间的间距分别定义为明条纹周期和暗条纹周期,这样,光学游标测量方法就将全量程的投影位置测量分成了若干段的明条纹周期和暗条纹周期的测量。

如图1所示,假设光源光缝宽度为s,明条纹和暗条纹的宽度相等,均为b,光源与动尺间的距离为h,光源与动尺的厚度可忽略不计。为使光线角度变化时,最后在定尺上产生的图像信息有变化且变化唯一,则应该满足3b≤s<4b。由于光源、明条纹和暗条纹都有一定宽度,于是将光源中心线位于明(暗)条纹上的情况定义为此时光线投射在该明(暗)条纹上。假设当光线垂直入射时,光线正好投射在正下方的暗条纹中心上,将此时的暗条纹定义为第0条暗条纹,所有暗条纹从左至右定义为第-M,-M+1,…,-1,0,1,…,M-1,M条暗条纹,分别对应第-M,-M+1,…,-1,0,1,…,M-1,M个暗条纹周期;所有明条纹从左至右定义为第-M-1,-M,…,-1,1,…,M,M+1条明条纹,分别对应第-M-1,-M,…,-1,1,…,M,M+1个明条纹周期。由于每一个明条纹周期和暗条纹周期的图像变化是有规律的、相似的,于是选择光源投射在第N(N≤M)个明条纹周期和第N个暗条纹周期的情况分析。此时,暗条纹中心与光线垂直入射时的暗条纹中心偏移的距离为L=2Nb,光线入射角为α。