[发明专利]一种基于相控阵的角度测量系统及其测量方法

说明书

本发明涉及一种基于相控阵的角度测量系统及其测量方法，系统包括激光器、准直器、分光镜、反射镜、电荷耦合器探测器、旋转台和空间光调制器，准直器正对激光器，准直器和电荷耦合器探测器分别位于分光镜一对相对的两侧，反射镜和空间光调制器分别位于分光镜另一对相对的两侧，空间光调制器安装在旋转台上；空间光调制器用于通过光学相控阵对传输至空间光调制器的光束进行相位调制，从而挪动电荷耦合器探测器上的光斑，最底端的两个光斑重新重合；根据空间光调制器的相位调制量和电荷耦合器探测器中多个光斑间的距离，计算角度测量系统的旋转角度。与现有技术相比，本发明具有有效地扩大系统测量范围、提高测量角度分辨率等优点。

技术领域

本发明涉及角度测量技术领域，尤其是涉及一种基于相控阵的角度测量系统及其测量方法。

背景技术

对于精密机械组件、光学系统的安装等，精确和精密小角度测量至关重要。小角度测量包括测量范围小，测量精度要求高和分辨率高等特点。为了实现精密角度测量，目前提出的光学测角法主要包括内反射法和激光干涉法等。

例如文献1“平面镜多次反射的二维高精度小角度偏转测量”(邓立新，谭吉春，范清春等.光电工程37.1(2010):26-30.)提出一种基于平面镜多次反射小角度测量系统。所述系统由参考镜和动镜之间多次反射，每次被测物体偏转角度，动镜角度随着发生变化，对应探测器光斑位置也发生变化。通过光斑在探测器位移变化可以得出被测物体偏转角度，但其缺点是探测器范围有限，偏转角度过大时光斑不能被探测器探测到。

例如文献2“Small-angle measurement with highly sensitive total-internal-reflection heterodyne interferometer”(J.Y.Lin,Y.C.Liao.OpticsExpress 53.9(2014):1903-1908.)提出一种用于小角度测量的高灵敏度全内反射外差干涉仪。所述外差干涉中，一个半波片和两个四分之一波片特定光轴方位组合成一个移相器。当菱形棱镜放置在移相器和显示合适透射轴方位角分析仪之间，它会改变和增强s-和p-极化相位差异的双重全内反射。相位差增强与入射角有关，通过估计相位差，可以方便、准确地测量小角度。由于内反射法经过多次反射光功率由单个光电探测器检测，光束发散、棱镜安装偏转等因素会在测量过程中带来功率损失，导致测量误差。

例如文献3“Full-circle range and microradian resolution anglemeasurement using the orthogonal mirror self-mixing interferometry”(C.Wang,X.Fan,Y.Guo,et al.Optics Express 26.8(2018):10371-10381.)提出一种改进的基于激光自混合效应的微无线电分辨率全圆范围测角系统，实验中利用正交镜自混合干涉法建立了角度测量系统，并利用设计机械连杆实现全圆范围的角度测量。与传统的激光自混合干涉法角度测量方法相比，测量的分辨率和距离都有了很大的提高。

例如文献4“Double-grating with multiple diffractions enabled smallangle measurement”(J.Y.Wang,C.Liu,S.Y.Qin,et al.Optics Express 27.4(2019):5289-5296.)提出了一种基于两个非平行发光光栅偏转角放大的双光栅结构。在这种特殊的双光栅结构中，光束可以重复绕射，偏转角度也相应放大。这种结构可以插入到其他角度测量系统之前，以提高其角度分辨率。实验结果表明，采用双光栅结构可相应地实现40倍以上的角度放大和微弧度角度分辨率。

上述探测成像光斑采用电荷耦合探测器(CCD)，CCD范围有限，光斑间距离不能太大，其角度探测范围是有限，因此运用激光束偏转技术扩大测量范围，一定范围内对光束进行精准地指向性控制称为光束偏转技术。现有技术大多采用机械式的光束偏转技术，其主要是借助机械转动装置改变光轴的方向，从而控制光束指向。由于机械转动部件存在，因此存在角度精度低、指向速度慢、控制系统复杂等问题。