CN116336971B

CN116336971B - 一种光栅分束镜、角度测量装置及方法

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Publication number: CN116336971B
Application number: CN202310165733.XA
Authority: CN
Inventors: 董彦青; 王巍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-02-27
Filing date: 2023-02-27
Publication date: 2026-01-16
Anticipated expiration: 2043-02-27
Also published as: CN116336971A

Abstract

本发明公开了一种光栅分束镜、角度测量装置及方法。该光栅分束镜的透镜本体具有前表面与后表面，前表面与后表面之间存在不为零的夹角，且前表面与后表面均为光栅平面。本发明利用光栅分束镜实现入射光束的横向剪切，出射的两束光束在光照信号收集单元上形成干涉图像，干涉图像与光栅分束镜相对于入射光束的角度有关，通过解调干涉图像，即可实现光栅分束镜旋转角度的测量；本发明无需参考光束或者参考基准，即可实现元件旋转的精密测量，其结构简单易于实现，误差小且精度高。

Description

一种光栅分束镜、角度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及衍射光栅及光学器件技术领域，具体涉及一种光栅分束镜、角度测量装置及方法。

背景技术

精密小角度测量是几何计量检测的基础和重要组成部分，在精密加工、精密装备制造与校准、国防工业中大型设备的加工与装配、大型建筑的机械变形以及计量测试等领域有着广泛地应用。随着相关领域的不断发展，对角度的测量精度与测量稳定性的要求也随之提高。

随着光学技术的快速发展，光学测量技术得到了相应的发展。光栅尺传感器，简称光栅尺，是一种典型的光学测量仪器，广泛应用于机械角位移或直线位移的测量中。通常，光栅尺具有指示光栅与标尺光栅两条光栅，分别固定在两个相对运动的机械部件上，机械部件运动时带动指示光栅和标尺光栅做相对运动，两条光栅由于光照的干涉和衍射产生莫尔条纹，莫尔条纹通过光敏元件转化成正弦变化的电信号，经过数据电路处理后得到相对位置信息。其中，标尺光栅为整条光栅，生产中技术的制约使得刻划的标尺光栅长度不理想，导致了光栅尺位移传感器的制作工艺复杂且生产成本较高，而且还存在光栅尺的体积相对较大的问题。

发明内容

为了克服现有光栅角度测量装置的上述缺陷，本发明提供了一种光栅分束镜、角度测量装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：一种光栅分束镜，包括透镜本体，所述透镜本体具有前表面与后表面，所述前表面与所述后表面之间存在不为零的夹角，所述前表面与所述后表面均为光栅平面。

优选的，所述前表面与所述后表面之间存在0~90°的夹角。

优选的，所述前表面制作有一定刻线密度的光栅，允许准直的入射光束直接透射，分为零级透射光束与一级衍射光束。

优选的，所述后表面制作有一定刻线密度的光栅，允许所述零级透射光束直接透射为零级出射光束，所述一级衍射光束衍射透射为一级出射光束。

一种角度测量装置，包括：光源，用于发出准直的入射光束；光栅分束镜，设置于所述入射光束的路径上，形成零级出射光束与一级出射光束；光照信号收集单元，接受并记录所述零级出射光束与所述一级出射光束干涉后的光照图像；所述光栅分束镜与所述光源分别固定在相对旋转运动的件上。

优选的，所述入射光束的波长稳定，且光谱宽度支持在所述光照信号收集单元上形成干涉图像。

优选的，所述光照信号收集单元为感光纸或光敏元件。

一种角度测量方法，步骤如下：

步骤1，所述光源发出的准直的所述入射光束至所述光栅分束镜；

步骤2，所述入射光束经过所述光栅分束镜的前表面后，分为两束进入所述光栅分束镜的透镜本体内部，一束为零级透射光束，另一束为一级衍射光束；

步骤3，所述零级透射光束传输至所述光栅分束镜的后表面，直接透射为零级出射光束，所述一级衍射光束传输至所述光栅分束镜的后表面，衍射透射为一级出射光束；

步骤4，所述零级出射光束与所述一级出射光束在所述光照信号收集单元上发生干涉，所述光照信号收集单元记录干涉条纹；

步骤5，根据所述干涉条纹的密度变化及条纹强区的平移来计算所述光栅分束镜与所述光源的相对旋转角度。

本发明具有如下有益效果：

1.本装置通过特制的单个光栅分束器实现光束分光，用于剪切干涉，来代替现有两条光栅，简化了角度测量装置的结构；

2.光栅分束器结构稳定，其角度旋转将引起出射光束的相位和倾角的变化，经过干涉图像解调即可获得角度旋转信息，干涉图像受环境影响较小，系统误差小，测量精度高。

附图说明

图1为本发明实施例的光路原理图。

图中：1-光栅分束镜；101-前表面；102-后表面；103-透镜本体；2-光源；3-图像记录单元；401-入射光束；4021-零级透射光束；4022-一级衍射光束；4031-零级出射光束；4032-一级出射光束。

具体实施方式

下面结合实施例与附图，对本发明作进一步说明。

如图1所示，为一种光栅分束镜1，包括透镜本体103，透镜本体103具有前表面101与后表面102，前表面101与后表面102之间存在不为零的夹角，前表面101与后表面102均为光栅平面。具体的，前表面101与后表面102之间存在0~90°的夹角；前表面101制作有一定刻线密度的光栅，允许准直的入射光束401直接透射，分为零级透射光束4021与一级衍射光束4022；后表面102制作有一定刻线密度的光栅，允许零级透射光束4021直接透射为零级出射光束4031，一级衍射光束4022衍射透射为一级出射光束4032。

如图1所示，为一种基于上述光栅分束镜1的角度测量装置，包括：光源2，用于发出准直的入射光束401；光栅分束镜1，设置于入射光束401的路径上，形成零级出射光束4031与一级出射光束4032；光照信号收集单元3，接受并记录零级出射光束4031与一级出射光束4032干涉后的光照图像；光栅分束镜1与光源2分别固定在相对旋转运动的件上。入射光束401的波长稳定，且光谱宽度支持在光照信号收集单元3上形成干涉图像。光照信号收集单元3为感光纸或光敏元件如CCD。

如图1所示，为一种基于上述角度测量装置的角度测量方法，步骤如下：

步骤1，光源2发出的准直的入射光束401至光栅分束镜1；

步骤2，入射光束401经过光栅分束镜1的前表面101后，分为两束进入光栅分束镜1的透镜本体103内部，一束为零级透射光束4021，另一束为一级衍射光束4022；

步骤3，零级透射光束4021传输至光栅分束镜1的后表面102，直接透射为零级出射光束4031，一级衍射光束4022传输至光栅分束镜1的后表面102，衍射透射为一级出射光束4032；

步骤4，零级出射光束4031与一级出射光束4032在光照信号收集单元3上发生干涉，光照信号收集单元3记录干涉条纹；

步骤5，根据干涉条纹的密度变化及条纹强区的平移来计算光栅分束镜1与光源2的相对旋转角度。

实施例中，如图1所示，光源2发出直径为D ₀=20mm的入射光束401，光束中心波长为λ=632.8nm，线宽为Δv=1MHz。

（一）入射光束401入射前表面的角度为α，为入射光束401与前表面201法线的夹角；零级衍射透射角为β ₁，为零级透射光束4021与前表面201法线的夹角；一级衍射透射角为β ₂，为一级衍射光束4022与前表面201法线的夹角；光栅分束镜对入射光束401的折射率为n，前表面101光栅常数为d。根据斯涅耳定律和光栅衍射公式，得到如下关系：

前表面101与后表面102夹角为θ，为小角度；零级透射光束4021经过一段距离后以角度β ₁-θ，入射后表面102，并以零级出射光束4031方向出射+，出射角为γ ₁；一级衍射光束4022经过一段距离后以β ₂+θ入射后表面102，并以一级出射光束4032方向出射，出射角为γ ₂；后表面102光栅常数为d。根据斯涅耳定律和光栅衍射公式，得到如下关系：

零级出射光束4031和一级出射光束4032的夹角可表示为：

当入射角发生变化时，的变化量为：

也就是说，在光栅分束镜1角度发生变化时，两束光的夹角将发生变化，在干涉条纹上可观察到条纹密度的变化。

（二）零级出射光束4031和一级出射光束4032光程差可表示为：

其中l为零级衍射光束在光栅光镜内部经历的距离。

当入射角发生变化时，的变化量为：

也就是说，在光栅分束镜1角度发生变化时，两束光的光程差将发生变化，在干涉条纹上可观察到条纹强区的平移。

因此本实施例利用光栅分束镜1实现入射光束401的横向剪切，出射的两束光束在光照信号收集单元上形成干涉图像，干涉图像与光栅分束镜相对于入射光束的角度有关，通过解调干涉图像，即可实现光栅分束镜旋转角度的测量；无需参考光束或者参考基准，即可实现元件旋转的精密测量，其结构简单易于实现，误差小且精度高。

具体应用中，可将光栅分束镜1放置在直线导轨上，测量导轨直线度；或者放置真空设备表面，测量抽真空时表面变形量；或者放置于工件表面，当工件受力变形时，引起光栅分束镜1姿态变化，进而评估工件变形量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了说明本发明所做的举例，而并非对本发明的实施方式的限定。其他由本发明的实质精神所引申出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种角度测量装置，其特征在于，包括：

光源（2），用于发出准直的入射光束（401）；

光栅分束镜（1），设置于所述入射光束（401）的路径上，形成零级出射光束（4031）与一级出射光束（4032）；

光照信号收集单元（3），接受并记录所述零级出射光束（4031）与所述一级出射光束（4032）干涉后的光照图像；

其中，

所述光栅分束镜（1）包括透镜本体（103），所述透镜本体（103）具有前表面（101）与后表面（102），所述前表面（101）与所述后表面（102）之间存在不为零的夹角，所述前表面（101）与所述后表面（102）均为光栅平面；所述前表面（101）制作有一定刻线密度的光栅，允许准直的所述入射光束（401）直接透射，分为零级透射光束（4021）与一级衍射光束（4022）；所述后表面（102）制作有一定刻线密度的光栅，允许所述零级透射光束（4021）直接透射为所述零级出射光束（4031），所述一级衍射光束（4022）衍射透射为所述一级出射光束（4032）；

所述光栅分束镜（1）与所述光源（2）分别固定在相对旋转运动的件上，所述入射光束（401）的波长稳定，且光谱宽度支持在所述光照信号收集单元（3）上形成干涉图像，所述光照信号收集单元（3）为感光纸或光敏元件。

2.一种基于权利要求1所述的角度测量装置的角度测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤1，所述光源（2）发出的准直的所述入射光束（401）至所述光栅分束镜（1）；

步骤2，所述入射光束（401）经过所述光栅分束镜（1）的前表面（101）后，分为两束进入所述光栅分束镜（1）的透镜本体（103）内部，一束为零级透射光束（4021），另一束为一级衍射光束（4022）；

步骤3，所述零级透射光束（4021）传输至所述光栅分束镜（1）的后表面（102），直接透射为零级出射光束（4031），所述一级衍射光束（4022）传输至所述光栅分束镜（1）的后表面（102），衍射透射为一级出射光束（4032）；

步骤4，所述零级出射光束（4031）与所述一级出射光束（4032）在所述光照信号收集单元（3）上发生干涉，所述光照信号收集单元（3）记录干涉条纹；

步骤5，对所述干涉条纹作图像解调，根据密度变化及条纹强区的平移来计算所述光栅分束镜（1）与所述光源（2）的相对旋转角度。