反射式闪耀光栅楔形平板用于转角测量

　　1　引　　言

　　用光学方法测量角度,人们提出了许多方法,如激光干涉法、自准直法、内反射法、莫尔条纹技术以及平行干涉图法等等[1～5]。这些方法大部分都只适用于静态及小角度测量,对于转角测量及360°范围内的整周角度测量问题,至今仍没有很好的解决方法。文献[6]提出了一种基于双频激光楔形平板干涉法的动态角度测量系统,可在360°范围内连续进行角度测量,而且在较高转速下测角准确度不变。但是,由于该系统使用两套测量光路,使系统体积庞大,结构复杂,而且由于使用了多个角锥反射棱镜,光路装调也比较困难,很难在实际中应用。另外,由于该装置中光线直接射到楔形表面上,反射光线的方向随转角呈圆锥形变化,不利于接收元件的接收。为了解决以上问题,本文提出在检测楔形平板的表面加工反射式闪耀光栅,代替通常干涉系统中的角锥棱镜,这样不仅可以简化检测系统,而且可以保证反射光线的方向在测量中始终保持不变。同时利用了高级次衍射光,还可提高系统灵敏度,采取适当措施还可补偿光栅楔形平板倾角对测量精度的影响。

　　2　测量原理

　　如图1所示,在楔形玻璃平板上刻划线性反射式闪耀光栅,适当设计光栅常数可使某级衍射光沿原路返回。这样,当光栅楔形平板绕中心轴旋转时,该级衍射光线的方向始终保持不变,而其他级次衍射光线呈圆锥形旋转。控制光栅的闪耀角,使第m衍射级发生在最大光强方向上,这样就可以充分利用m级衍射光的能量,并能提高灵敏度,其他级次的衍射光线在测量中可以不予考虑。

　　来自激光器的光线垂直楔形平板底面入射到光栅上,在光栅表面发生衍射,入射光线和光栅法线N的夹角等于光栅楔角δ。为了使具有最大光能量的衍射级(第m级)沿入射方向返回,光线必须垂直光栅槽面入射,因此光栅的闪耀角φ应等于楔形平板的楔角δ。此时,入射角及m级衍射光线的衍射角(相对于光栅平面)相等,均为δ=φ,根据光栅方程可得:

　　测量时,通过转动楔形平板改变光束的光程,干涉测量中光程的变化通常对应着转角的变化[2],二者的关系为:

　　式(3)即为测量原理公式。

　　3　系统设计

　　图2给出测量装置的组成。光栅楔形平板安装在被测物体上,随被测物一起转动。从双频激光器发出一束偏振光,入射到干涉仪模块。在干涉仪模块中,激光束经过偏振分光镜后分为两路,分别作为测量和参考信号,在干涉仪模块的出口处形成两路相距为B且偏振方向互相垂直的平行光,二者相对于光栅楔形平板的转轴对称。两次经过λ/4波片后,反射光的偏振方向旋转90°,经过角锥棱镜反射后,在偏振分光镜上移开z距离,重新分别到达光栅楔形平板表面,反射后射向接收元件。光栅楔形平板旋转时,测量和参考臂之间的光程差随转角变化,用接收元件接收光程差的变化量并送入一个PC程序中,便可以计算出转角的大小。