一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置及测量方法

本发明属于精密角度测量，具体涉及一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置及测量方法。

背景技术：

1、差分波前传感测量是一种基于外差激光干涉的角度、位移测量技术，广泛应用于天基引力波探测、激光多自由度测量系统当中；其基本原理是两束存在稳定差频的激光同时入射在四象限探测器上，且满足相干条件，会产生四路拍频信号，四路拍频信号分别记录了对应象限所接受到的相干光信息，通过相位计可以得到四路拍频信号的相位信息，结合角度测量灵敏度，便可实现两束激光的角度测量。

2、差分波前传感具有测量精度高、抗干扰能力强、耦合小等优点，被广泛应用于高精度激光干涉应用中。然而，差分波前传感角度测量线性范围与测量灵敏度无法兼顾，美国罗切斯特大学(yu x,gillmer s r,ellis j d.beam geometry,alignment,and wave-frontaberration effects on interferometric differential wave-front sensing[j].measurement science and technology,2015,26(12):125203.)研究表明，测量灵敏度随光斑尺寸增大而增大，测量线性范围随四象限探测器尺寸增大而减小，但同时，二者相互制约；为达到较高的测量灵敏度及测量精度，会大大牺牲差分波前传感测量线性范围，上文提到的在测量精度达到±1μrad时，测量线性范围仅为±59μrad，这无疑极大地限制了差分波前传感的进一步应用及发展。在后续的工作中，罗切斯特大学(gillmer s r.resolutionand functionality enhancements in optical metrology[m].university ofrochester,2016.)提出了一种紧凑的joo-type差分波前传感测量方案，该方案的光路中没有光学偏振器件，有效减小了双频激光干涉非线性误差，同时通过实验表明，该方案可有效削弱环境噪声及环境振动对干涉信号带来的影响，显著降低了差分波前传感测量的噪声水平，有利于测量精度的提升；然而，该方案仍然仅具有±100μrad的测量范围，超出该范围则无法完成测量。为此，瑞士苏黎世联邦理工学院(meshksar n,mehmet m,isleifk s,etal.applying differential wave-front sensing and differential power sensingfor simultaneous precise and wide-range test-mass rotation measurements[j].sensors,2020,21(1):164.)提出将差分波前传感与差分功率传感相结合，将干涉信号一分为二同时利用透镜使光束汇聚在四象限探测器上，分别进行差分功率探测及差分波前传感；搭建了同时进行高精度及大范围测角的测量系统，然而其测量范围虽能达到±5mrad，但高灵敏度、高精度测量区域仅有±110μrad，且仅存在于中心区域；同时该结构中差分功率传感单元同时接收了测量光及参考光分量，为差分功率传感信号解算引入了干扰项，增加了结算难度，同时大大降低了差分波前传感单元接收光能量的大小，进一步降低了测量精度。

3、综上所述，差分波前传感技术的角度测量精度与角度测量线性范围二者相互制约，二者无法兼顾，这极大地限制了差分波前传感技术的进一步发展及应用。因此，研究和设计出一台在拥有较大角度测量线性范围同时能够保持高测量精度的差分波前传感测量系统迫在眉睫。

技术实现思路

1、本发明要解决的问题解决差分波前传感技术的角度测量精度与角度测量线性范围二者相互制约，二者无法兼顾的问题，提出一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置及测量方法。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置，包括双频激光器、参考光单模光纤、参考光准直器、参考光电探测器、一号非偏振分光棱镜、参考反射镜、三号非偏振分光棱镜、测量反射镜、二号四象限探测器、虹膜光阑、一号四象限探测器、二号非偏振分光棱镜、测量光准直器、测量光单模光纤；

4、所述双频激光器分别连接参考光单模光纤、测量光单模光纤；所述参考光单模光纤连接参考光准直器，所述测量光单模光纤连接测量光准直器；

5、所述参考光准直器出射的参考光垂直入射到一号非偏振分光棱镜上，所述测量光准直器出射的测量光垂直入射到二号非偏振分光棱镜上；所述一号非偏振分光棱镜和二号非偏振分光棱镜的侧面平行粘接；

6、所述一号非偏振分光棱镜的另一侧对应设置有参考光电探测器，所述一号非偏振分光棱镜的后侧粘接有参考反射镜；

7、所述二号非偏振分光棱镜的另一侧对应设置有虹膜光阑，所述虹膜光阑的侧面设置有一号四象限探测器，所述二号非偏振分光棱镜的后侧粘接有三号非偏振分光棱镜，所述三号非偏振分光棱镜的后侧设置有测量反射镜，所述三号非偏振分光棱镜的侧面设置有二号四象限探测器。

8、进一步的，所述双频激光器、参考光单模光纤、测量光单模光纤构成双频激光发生模块。

9、进一步的，所述参考光准直器、参考光电探测器、一号非偏振分光棱镜、参考反射镜、三号非偏振分光棱镜、测量反射镜、二号四象限探测器、虹膜光阑、一号四象限探测器、二号非偏振分光棱镜、测量光准直器构成光机电一体化传感模块。

10、进一步的，当测量反射镜的运动方式同时具有角度运动和轴向位移运动时，所述一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置的结构调整为所述三号非偏振分光棱镜的侧面粘接有平凸透镜，所述平凸透镜外侧对应设置有二号四象限探测器。

11、一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量方法，依托于所述的一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置实现，包括如下步骤：

12、s1.打开双频激光发生模块，待激光频率稳定后设置测量反射镜产生偏摆或俯仰角度变化，利用二号四象限探测器根据差分功率传感原理实时获得各象限光强度数据，计算待测角度粗测值；

13、s2.基于步骤s1得到的待测角度粗测值，选择差分波前传感角度测量装置的测量线性范围及测量灵敏度，并调节虹膜光阑的通光孔径；

14、s3.基于步骤s2调整后的虹膜光阑通光孔径大小，利用一号四象限探测器根据差分波前传感原理采集不同象限的相位数据，计算待测角度精测值。

15、进一步的，步骤s1的具体实现方法包括如下步骤：

16、s1.1.双频激光器出射两束激光，分别为参考光和测量光；

17、参考光经过一号分光棱镜后分为两路，参考光的透射光经参考反射镜反射后再经一号分光棱镜反射并被参考光电探测器接收，参考光的反射光经二号分光棱镜透射并经过虹膜光阑最终被一号四象限探测器接收；

18、测量光经过二号分光棱镜后也分为两路，测量光的反射光经一号分光棱镜透射并被参考光电探测器接收，与参考光分量形成参考干涉信号，测量光的透射光经三号分光棱镜透射再经测量反射镜反射后回到三号分光棱镜，再次分为两路，测量光的透射光经二号分光棱镜反射后并经过虹膜光阑最终被一号四象限探测器接收，与参考光分量形成差分波前传感干涉信号，测量光的反射光被二号光电探测器接收形成差分功率传感测量信号；

19、s1.2.激光频率稳定后设置测量反射镜产生偏摆或俯仰角度变化，设置初始测量状态下虹膜光阑处于最小光圈位置，二号四象限探测器基于差分功率传感原理测量不同象限的光强度，然后计算粗测偏摆角θdpsx、粗测俯仰角θdpsy，计算公式为：

20、

21、

22、其中，pa为二号四象限探测器上第二象限的光强度，pb为二号四象限探测器上第一象限的光强度，pc为二号四象限探测器上第四象限的光强度，pd为二号四象限探测器上第三象限的光强度，象限划分从a到d依次从左上角顺时针旋转；ldps为从测量反射镜前表面到二号四象限探测器光敏面的光束传播最小距离。

23、进一步的，步骤s2的具体实现方法中测量线性范围及测量灵敏度均为差分波前传感测量方法对应特性，利用二次曲线拟合方法对测量灵敏度进行修正。

24、进一步的，步骤s3的具体实现方法为利用多通道相位计测量一号四象限探测器上不同象限的相位信息，然后计算精测偏摆角θdwsx、精测俯仰角θdwsy，计算公式为：

25、

26、

27、其中，φa为一号四象限探测器上第二象限的平均相位，φb为一号四象限探测器上第一象限的平均相位，φc为一号四象限探测器上第四象限的平均相位，φd一号四象限探测器上第三象限的平均相位象限划分从a到d依次从左上角顺时针旋转；lx,ly分别为偏摆角的测量灵敏度、俯仰角的测量灵敏度。

28、进一步的，步骤s1.2当激光频率稳定后设置测量反射镜产生二维角度变化的同时伴随有轴向位移变化，经测量反射镜反射的测量光经三号非偏振分光棱镜后的反射光先经过平凸透镜再由二号四象限探测器接收，当测量反射镜产生沿轴向位移及二维偏角变化时，设置初始测量状态下虹膜光阑处于最小光圈位置，二号四象限探测器基于差分功率传感原理测量不同象限的光强度，然后计算粗测偏摆角、粗测俯仰角，计算公式为：

29、

30、

31、其中，f为平凸透镜的标称焦距；

32、同时根据一号四象限探测器各象限相位信息计算轴向位移z，计算公式为：

33、

34、其中，lz为轴向位移测量灵敏度，lz与激光波长、光路细分数以及相位计电子细分数有关。

35、本发明的有益效果：

36、本发明所述的一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置，在传统joo-type干涉光路基础上增加了三号非偏振分光棱镜、二号四象限探测器以及虹膜光阑；使得差分波前传感技术与差分功率传感技术相结合，实现二维角度的粗、精测量两次测量，增加了测量系统角度测量范围。

37、本发明所述的一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置，利用虹膜光阑可实现差分波前传感测量范围及测量精度的动态调整，保证待测角度测量处于最佳测量线性范围及最高灵敏度测量状态，有效提高差分波前传感角度测量精度。可同时测量俯仰、偏摆二维角度，通过增加一个光学组件也可同时测量俯仰、偏摆二维角度以及轴向位移。

38、本发明所述的一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量方法，基于激光干涉测量、差分波前传感及差分功率传感原理，且测量结果可直接溯源至激光波长。

39、本发明所述的一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量装置，光机电一体化传感模块便于拆卸与重复安装，光路采用粘接方式，减小了装置大小及体积，方便使用，节省成本。

40、本发明所述的一种基于虹膜光阑的差分波前传感角度测量方法，将差分波前传感及差分功率传感结合实现微角度的粗、精两次测量，加入虹膜光阑根据差分功率传感测得的角度粗测值实时调整光孔径大小并将其紧贴四象限探测器设置，可等效为改变四象限探测器光敏面大小，从而达到实时调整差分波前传感测量线性范围及测量灵敏度，保证角度精密测量处于最佳测量线性范围及最高灵敏度测量状态的目的，有效提高差分波前传感角度测量精度，并可直接溯源至激光波长。