全息透镜分光法五自由度测试系统

目前,多自由度测量系统大都采用多激光束,在光路中加多个分光元件进行分光,利用每一束光所带的位移信息,采用和一般准直仪相同的测试原理,来测量出各自由度的偏差[1,2].这种简单的分光方法所分出的光束独立性不好,作为测量基准时,其相对位置精度难以保证,而且多元件的采用使得测试系统的可动部分不易小型化.

　　本文提出一种利用全息透镜分光的方法,结合激光光束漂移补偿技术和磁光调制技术,可同时探测空间目标的多项自由度偏差,并能保证各被测参数之间的相对独立.本测试系统可实现对机床、风洞应变天平等变形的动态校测.

1　基本测试原理

本测试系统基于全息透镜的分光特性,利用每束分出的光所携带的信息进行测试.因全息透镜实质上是一个正弦平面光栅,其衍射场有0级、±1级3个条纹.经空间滤波的准直光束1经全息透镜后被分为3路:非衍射光束2、会聚光束3和发散光束4.测试系统结构如图1所示,坐标原点确定为全息透镜的中心O.

1.1　偏摆角θx、俯仰角θy及X、Y向相对位移的测量

　　当照明光束中心线以方向角α、β、γ入射到全息透镜的中心时,在菲涅尔近似条件下(α≈β≈90°,γ≈0),且只考虑光束所带位置信息,省去时间因子exp(jωt),则通过全息透镜后的透射光波可表示为

式中:C0、C1为全息透镜常数,与制作时的参考光和物光光波的振幅有关;D是照明光波的振幅;F为全息透镜的焦距,是照明光波的方向余弦;(xF,0,zF)是物光源坐标.式(1)中第一项为照明光束的继续,可视为原路光束,它被位置敏感探测器PSD接收,其作用同一般激光准直仪一样,可实现光靶与激光束在X向及Y向相对位移的测量;第二项完整地保存了原物光的信息,若为会聚光束,则该光束沿任何方向平移或绕Z轴相对转动,都不改变全息透镜焦点的相对位置,仅当它与光靶之间有绕X轴或Y轴的相对转动时焦点才会移动,因此该光束在焦点处被位置敏感探测器PSD接收,便可实现θx,θy的测量;第三项也保存了原物光的信息,但它与原物光在位相上是共轭的,第二项为会聚光束,则它为发散光束,利用它与照明光束具有相同偏振特性可实现θz的测量(下文将详细讨论),利用全息透镜分出的3个独立光束的不同特性便很容易实现五自由度偏差的测量.两个面阵位置敏感探测器PSD将用作光电接收器,PSD具有对光斑的形状无严格要求,光敏面上无象限分隔线,对光斑位置可连续测量等特点.

　　由于照明光束入射角α≈β≈90°,γ≈0,所检测各偏差都非常小,建立如图2所示坐标系,易推得原路光束及会聚光束在两个PSD上的坐标B(xB,yB),B1(uB1,vB1)和照明光束位置信息x、y、θx和θy的近似关系