專利名稱：偏振光分束檢偏法測量物體的角位移的制作方法
技術領域：
本發明為一種測量物體角位移的方法。該方法可對最多六自由度物體的三維角位移進行非接觸式測量。
背景技術：
一個物體自由運動時，如果需要對其角位移進行測量，一般只能進行非接觸式測量。目前較成熟的方法有幾何光學法測量和磁感應法測量等。
幾何光學法測量的原理是，在被測物體上固定三個點光源，采用適當的方法測量這三個點所確定平面的法向量，即測得了該物體的角位移。
幾何光學法測量的缺點是，測量端需要對光源進行動態掃描，完成掃描功能的是一個復雜而精密的光-機-電設備。而且被測對象的運動范圍要與測量端對光源的探測范圍相適應，這使被測對象的運動范圍受到限制。另外，實際的光源不可能是真正數學意義上的點光源，它的輻射面積會影響測量精度。輻射面積越大，光源位置的不確定性越大，精度越低。
磁感應法的原理是，在三個正交線圈中用穩恒電流產生磁場，被測物體上固連三個正交的感應線圈，通過測量感應線圈中的感應電動勢，即可測量感應線圈與激磁線圈的夾角，也就測得了被測物體的角位移。
磁感應法的缺點是，它需要一個清潔的電磁環境，抗電磁干擾能力差。而且，感應線圈附近不能有鐵磁性物體，否則將使磁場扭曲，影響測量。這使被測對象的材料受到了限制。

發明內容
本發明是一種新的角位移測量方法，用于對自由運動物體的角位移進行非接觸式測量。這種方法利用光介質進行測量，測量設備相對簡單，不含運動機構。同時，對電磁環境沒有特殊要求。這樣的特點使其利于工程應用，并且具有較強的環境耐受能力。
以下將對本發明的原理及實現進行詳細的描述。
本發明的理論依據是馬呂斯(Malus)定律，即照度為E的偏振光垂直照射偏振片時，透射光的照度為E′＝k·E·Cos2α(1)式中α是偏振片的偏振化方向與偏振光偏振方向的夾角。k為α＝0時偏振片的透射系數。
本發明即是基于馬呂斯定律所述理論在角度測量上的應用。基本做法是，在被測自由運動的物體上固連一個偏振光源，它發出的一束偏振光照射檢偏器，通過對光源輻射出射度的測量和通過檢偏器后照度的測量，就可以依據馬呂斯定律間接測量出被測物體沿接收光束傳播方向的角位移矢量。
分束檢偏法照度測量系統結構見圖1。用分束鏡將接收到的偏振光(偏振化方向相對基準方向的角度為α，照度為E)分為兩束(分別用I、III表示)。光束I的光路上設置檢偏器，其偏振化方向相對基準方向夾角為A。則檢偏器偏振化方向與光源偏振光偏振化方向的夾角為α+A。
這樣，兩個照度傳感器測得的照度分別為E3＝kb·E (2)E1＝mb·E·Cos2(α+A)(3)kb、mb分別為分束鏡的反射系數和透射系數。
設e1＝E1/E3＝(mb/kb)·Cos2(α+A) (4)e1的函數曲線見圖3。
可見，利用這條曲線，可以滿足范圍為(-A，π/2-A)的角度測量要求。
使α在至少一個周期內連續變化，e1總能取得最大值。
即當α+A＝kπ(k＝0，1，2……)時，e1取得最大值e1max＝mb/kb(5)將(5)式代入(4)式得e1＝e1max·Cos2(α+A)(6)α=arCose1e1max-A(-A<α≤π/2-A)......(7)]]>依據公式(7)不僅可以在(-π/2+A，A)范圍內測量角位移，而且無須關心分束鏡的透射率和反射率，也就不存在對分束鏡透射率和反射率標定帶來的系統誤差。可以說，這樣的系統可以實現自標定。這一特點在實際應用中具有非常重要的意義。
對于上述測量系統，定義其特征方向為該系統能夠測量的被測物體角位移矢量方向。


對于圖1，1-1為光源，1-2為起偏器，1-3為b分束鏡，1-4為照度傳感器，1-5為檢偏器，1-6為照度傳感器。“I”、“III”分別表示分束后的兩個光路。
對于圖2，2-1為光源，2-2為起偏器，2-3為a分束鏡，2-4為b分束鏡，2-5為照度傳感器，2-6為檢偏器，2-7為照度傳感器，2-8為照度傳感器，2-9為檢偏器。“I”、“II”、“III”分別表示分束后的三個光路。
對于圖3，e1、e2分別表示e1、e2作為α的因變量的函數曲線。
實施方式 按(7)式，對一路光束進行檢偏測量時，測量范圍小于(π/2)。并且在α趨向kπ-A(k＝0，1，2……)時，測量靈敏度將趨向0。為增加測量范圍及提高靈敏度，可對接收光束進行多路分束檢偏。具體做法見圖2。
在圖1的基礎上增加一個分束鏡，同時增加一個檢偏器和一個照度傳感器，增加的光路用II表示。光路II上檢偏器測得的照度為E2，光路II上檢偏器的偏振化方向相對基準方向夾角為-A。則該檢偏器偏振化方向與光源偏振光偏振化方向的夾角為α-A。
則參照式(2)到式(7)的分析，可得α=arCose2e2max+A(-π/2+A<α<A).....(8)]]>由式(7)、(8)可見，增加分束檢偏通道，可以增加測量范圍及提高靈敏度。
如果需要測量物體的二維或三維角位移，可以用特征方向正交的兩個或三個上述測量系統完成。
權利要求
1 一種通過對偏振光分束檢偏測量物體角位移的方法。可以對自由運動物體的三維角位移進行非接觸式測量，被測物體可以具有一到六個自由度。其特征是a.測量介質為偏振光；b.測量端對接收到的光束多路分束后進行直接照度測量及檢偏對比照度測量，以確定被測物體的角位移。
2 權利要求1所述的方法，其特征在于測量端對接收光束分束后進行對比照度測量，使被測物體與測量接收裝置間的相對運動不影響對其角位移的測量。
3 權利要求1所述的方法，其特征在于可以用分束鏡將接收到的光束分成多束，增加檢偏測量通道，進行分段測量，可增加測量范圍及提高測量靈敏度。
4 權利要求1所述的方法，其特征在于固連于被測物體上的偏振光源發出的偏振光是球面光束，以保證被測物體自由運動時，測量端總能接收到光源發出的偏振光。
5 權利要求1所述的方法，其特征在于結構相同但特征方向正交的測量裝置可以對物體不同方向的角位移矢量進行測量，最多可對三維角位移進行測量。
6 權利要求1所述的方法，其特征在于偏振光源最好采用單色光源，并且環境光不含該單色光波長附近的波段，以盡量減小環境光噪聲干擾。
7 權利要求1所述的方法，其特征在于可以進行自標定，光學元器件的透過系數及反射系數不影響測量，其參數可不標定。
全文摘要
本發明提供了一種測量自由運動物體角位移的方法。在被測物體上固連偏振光源，靜止的測量端對接收到的偏振光束進行分束，分束后，對一束光直接進行照度測量，其它光束的光路上設置檢偏器，對透射檢偏器的光束同時進行照度測量。照度傳感器測得照度的比值與被測物體的角位移間具有確定的函數關系，據此可以間接測量被測物體的角位移。此方法對被測物體自由度的值不加限制，并可對同一被測物體的三維角位移進行測量。
文檔編號G02B27/28GK1431464SQ0311088
公開日2003年7月23日 申請日期2003年1月20日 優先權日2003年1月20日
發明者趙獻民 申請人:趙獻民