光學(xué)角度測(cè)量技術(shù)

光學(xué)角度測(cè)量是高精度動(dòng)態(tài)角度測(cè)量的一種有效的解決途徑。對(duì)目前發(fā)展較快的幾種角度測(cè)量的光學(xué)方法----圓光柵測(cè)角法、光學(xué)內(nèi)反射小角度測(cè)量法、激光干涉測(cè)角法和環(huán)形激光測(cè)角法進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并且分別給出了每種方法的測(cè)量原理和發(fā)展現(xiàn)狀，比較了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，給出了每種方法的應(yīng)用場(chǎng)合和發(fā)展前景。

光學(xué)角度測(cè)量技術(shù)引言

角度測(cè)量是幾何量計(jì)量技術(shù)的重要組成部分，發(fā)展較為完備，各種測(cè)量手段的綜合運(yùn)用使測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到了很高的水平。角度測(cè)量技術(shù)可以分為靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)煞N。對(duì)于靜態(tài)測(cè)量技術(shù)來(lái)說(shuō)，目前的主要任務(wù)集中在如何提高測(cè)量精度和測(cè)量分辨力上。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)回轉(zhuǎn)量的測(cè)量要求也越來(lái)越多，因此人們?cè)陟o態(tài)測(cè)角的基礎(chǔ)上，對(duì)旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)角測(cè)量問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，產(chǎn)生了許多新的測(cè)角方法。

光學(xué)角度測(cè)量技術(shù)圓光柵測(cè)角法

圓光柵是角度測(cè)量中常用的器件之一。作為角度測(cè)量基準(zhǔn)的光柵可以用平均讀數(shù)原理來(lái)減小由分度誤差和安裝偏心誤差引起的讀數(shù)誤差，因此其準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定可靠。但在動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，在10r/s 的轉(zhuǎn)速下，要想達(dá)到1'的分辨率都非常困難。目前我國(guó)的國(guó)家線角度基準(zhǔn)采用64800線/周的圓光柵系統(tǒng)，分辨率為0.001''，總的測(cè)量不確定度為0.05''。該測(cè)量方法主要是在靜態(tài)下的相對(duì)角度測(cè)量。英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）的E W Palmer 介紹了一臺(tái)作為角度基準(zhǔn)的徑向光柵測(cè)角儀，如圖1所示，既可用于測(cè)角，又可用于標(biāo)定。其原理是利用兩塊32400線的徑向光柵安裝在0.5r/s 的同一個(gè)軸套上，兩個(gè)讀數(shù)頭一個(gè)固定，一個(gè)裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上連續(xù)旋轉(zhuǎn)，信號(hào)間的相位差變化與轉(zhuǎn)角成正比。儀器中用一個(gè)自準(zhǔn)直儀作為基準(zhǔn)指示器，可以測(cè)得JUEDUI角度，利用光柵細(xì)分原理可測(cè)360度范圍內(nèi)的任意角度，附加零伺服機(jī)構(gòu)可以對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，限制零漂。用干涉儀作為讀數(shù)頭，可進(jìn)行高精度測(cè)量。按95%置信度水平確定其系統(tǒng)誤差的不確定度為0.05''.

光學(xué)內(nèi)反射小角度測(cè)量法

光從光密介質(zhì)傳到光疏介質(zhì)時(shí)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)發(fā)生全反射現(xiàn)象。內(nèi)反射法小角度測(cè)量就是利用在全反射條件下入射角變化時(shí)反射光強(qiáng)的變化關(guān)系，通過(guò)反射光強(qiáng)的變化來(lái)測(cè)量入射角的變化的。由于入射角在臨界角附近線性較好，隨著入射角的微小變化，反射光的強(qiáng)度發(fā)生急劇變化，因此測(cè)量時(shí)通常定義一個(gè)臨界角附近的初始角θ ，被測(cè)角為相對(duì)于該初始角的角位移Δθ，這樣就可以充分利用臨界角附近靈敏度較高的特點(diǎn)，進(jìn)行小角度的高精度測(cè)量。該測(cè)量方法存在的一個(gè)問(wèn)題是入射角和反射光強(qiáng)之間的關(guān)系是非線形的，靈敏度因此受到限制。為了減小函數(shù)非線性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，采用差分式測(cè)量，其原理如圖3所示，首先分別測(cè)出θ0+Δθ和θ0 -Δθ的反射光強(qiáng)的變化，然后用線性化公式進(jìn)行處理，以得到相應(yīng)的角度值。內(nèi)反射法是由P S Huang等人提出來(lái)的，用該方法制成的測(cè)角儀體積可以做得很小，因此特別適用于尺寸受限制的空間小角度的在線測(cè)量，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。測(cè)量的靈敏度取決于初始入射角和全反射的反射次數(shù)，增加反射次數(shù)可以提高靈敏度，提高分辨力，但測(cè)量范圍就相應(yīng)變小。因此P S Huang等人又在此基礎(chǔ)上制成了多次反射型臨界角角度傳感器，用加長(zhǎng)的臨界角棱鏡代替圖3的直角棱鏡以增加反射次數(shù)，如圖4所示。該儀器可用于表面形貌、直線度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。在測(cè)量角度方面，以3弧分范圍內(nèi)的分辨力為0.02弧秒。在接下來(lái)的工作中，P S Huang 等人又將其測(cè)角范圍擴(kuò)大到30弧分，輸出信號(hào)峰－峰值的漂移小于0.04弧秒。該儀器的缺點(diǎn)是成本高,加長(zhǎng)的臨界角棱鏡加工困難。TAIWAN的National Chiao Tung University的Ming-Hong chin等人在此原理基礎(chǔ)上，提出了全內(nèi)反射外差干涉測(cè)角方法。用外差干涉測(cè)角方法。用外差干涉儀測(cè)量S偏振光和P偏振光之間的相位差，將傳感器的測(cè)角范圍擴(kuò)大到10。，分辨力隨入射角的大小變化，高分辨力可達(dá)8×1 0－5度。Hong Kong University of Science and Technology的Wei Dong Zhou等人采用差動(dòng)共光路結(jié)構(gòu)，大大提高了系統(tǒng)的線性，并獲得了0.3角秒的佳分辨力。天津大學(xué)和日本東北大學(xué)在這方面也進(jìn)行了一些研究。

激光干涉測(cè)角法

角度可以表示為長(zhǎng)度之比，長(zhǎng)度的變化可以用激光干涉法在角度測(cè)量中得到廣泛的運(yùn)用。干涉測(cè)角法不僅可以測(cè)量小角度，而且也可以測(cè)量整周角度。

激光干涉小角度測(cè)量

干涉小角度測(cè)量的基本原理可以表示成圖5的形式。采用邁克爾遜干涉原理，用兩路光程差的變化來(lái)表示角度的變化，經(jīng)角錐棱鏡反射的一路光的光程隨著轉(zhuǎn)角的變化而變化，因此干涉條紋也發(fā)生相應(yīng)的移動(dòng)，測(cè)得條紋的移動(dòng)量，就可測(cè)得轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角。在此原理基礎(chǔ)只上發(fā)展起來(lái)的角度測(cè)量系統(tǒng)都致力于光路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和消除各種誤差因素的影響。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后可以測(cè)量大約90度的角度，但各種誤差因素隨著所測(cè)角度的增加而急劇增加，因此該系統(tǒng)的測(cè)量范圍限制在幾度內(nèi)，在此范圍內(nèi)具有很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。這種技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，美國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯等國(guó)家早已將激光干涉小角度測(cè)量技術(shù)作為小角度測(cè)量的國(guó)家基準(zhǔn)。為了消除轉(zhuǎn)盤徑向移動(dòng)對(duì)角度測(cè)量的影響，采用如圖6所示的測(cè)量光路，用兩個(gè)角錐棱鏡形成差動(dòng)測(cè)量，大大提高了系統(tǒng)的線性和靈敏度。為了增加干涉儀抗環(huán)境干擾的能力，可以采用雙頻激光外差干涉測(cè)量法，用雙頻激光代替普通光源。用這種方法測(cè)量平面角，靈敏度可達(dá)0.002''。