留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

利用反射式圆光栅的振镜转角测量

刘永坤,丁红昌,向阳,吕思航

downloadPDF
刘永坤, 丁红昌, 向阳, 吕思航. 利用反射式圆光栅的振镜转角测量[J]. , 2021, 14(3): 643-651. doi: 10.37188/CO.2020-0179
引用本文: 刘永坤, 丁红昌, 向阳, 吕思航. 利用反射式圆光栅的振镜转角测量[J]. , 2021, 14(3): 643-651.doi:10.37188/CO.2020-0179
LIU Yong-kun, DING Hong-chang, XIANG Yang, LÜ Si-hang. Rotational angle measurement of galvanometer using reflective circular grating[J]. Chinese Optics, 2021, 14(3): 643-651. doi: 10.37188/CO.2020-0179
Citation: LIU Yong-kun, DING Hong-chang, XIANG Yang, LÜ Si-hang. Rotational angle measurement of galvanometer using reflective circular grating[J].Chinese Optics, 2021, 14(3): 643-651.doi:10.37188/CO.2020-0179

利用反射式圆光栅的振镜转角测量

doi:10.37188/CO.2020-0179
基金项目:国家重点研发计划重大科学仪器设备开发(No. 2017YFF0105304);吉林省科技发展计划重点研发项目(No. 20200401117GX)
详细信息
    作者简介:

    刘永坤(1995—),男,河南郸城人,硕士研究生,2018年于长春理工大学获得学士学位,现为长春理工大学硕士研究生,主要从事光学测量的研究以及镜头设计。E-mail:1169818336@qq.com

    丁红昌(1980—),男,辽宁抚顺人,博士,副教授,博士生导师,2016年于长春理工大学获得博士学位,现为长春理工大学博士生导师,主要从事光学在线检测的研究,E-mail:dinghc@cust.edu.cn

    向 阳(1968—),男,吉林长春人,硕士,教授,硕士生导师,1996年于长春理工大学获得硕士学位,主要从事光学镜头设计以及光学检测设备的研究。E-mail:xyciom@163.com

    吕思航(1996—),男,浙江永康人,硕士研究生,2018年于长春理工大学获得学士学位,现为长春理工大学硕士研究生,主要从事光学设计方面的研究,E-mail:952858529@qq.com

  • 中图分类号:O436.1; O713+.1

Rotational angle measurement of galvanometer using reflective circular grating

Funds:Supported by the National Key Scientific Instrument and Equipment Development Projects (No. 2017YFF0105304); Jilin Province Science and Technology Development Plan focuses on Research and Development Projects (No. 20200401117GX)
More Information
  • 摘要:为了实现振镜旋转角度的高精度测量,设计了一种利用反射式圆形衍射光栅的角度测量系统,对该系统的测量原理、测量过程、测量精度等进行了相应的设计、仿真与验证。设计与振镜同轴的反射镜,搭配反射式圆光栅以及光敏检测器件,利用反射式圆光栅产生的±1级衍射光干涉,把振镜转角位移量转化为干涉条纹光强的变化,以实现振镜转角的测量。实验结果表明:该测量系统能实现振镜±10°的角度测量,测量精度为10″。实现了振镜旋转角度的高精度测量,并且该装置结构紧凑,满足扫描振镜的小巧化设计需求。

  • 图 1振镜转角测量光路

    Figure 1.Optical path of galvanometer’s rotational angle measurement

    图 2初始入射光路示意图

    Figure 2.Schematic diagram of the initial incident light path

    图 3改进的初始入射光路图

    Figure 3.Diagram of improved initial incident light path

    图 4反射式圆光栅光路图

    Figure 4.Optical path diagram of reflective circular grating

    图 5单个栅面上的光路图

    Figure 5.Optical path diagram on a single grating surface

    图 6干涉光路图

    Figure 6.Interference optical path diagram

    图 7干涉条纹光强图

    Figure 7.Light intensity diagram of interference fringes

    图 8初始入射角γ分别为(a)10°、(b)30°、(c)45°时的干涉条纹光强图

    Figure 8.Interference fringe intensity diagrams at initial incident angles of (a)γ=10°, (b)γ=30°, (c)γ=45°.

    图 9实验装置图

    Figure 9.Experimental setup

    图 10振镜转角测量结果

    Figure 10.Measurement results of galvanometer’s rotational angle

    图 11误差散点图

    Figure 11.Error scatter plot

    表 1角度测量结果

    Table 1.Angle measurement results (°)

    测量次数 实际转动角单位 测量角单位 误差值单位
    1 −10.0005 −10.0042 0.0037
    2 −8.9998 −9.0033 0.0035
    3 −7.9999 −8.0030 0.0031
    4 −7.0002 −7.0030 0.0028
    5 −6.0000 −6.0027 0.0027
    6 −4.9989 −5.0024 0.0035
    7 −3.9995 −4.0018 0.0023
    8 −2.9994 −3.0012 0.0018
    9 −2.0000 −2.0027 0.0027
    10 −1.0003 −1.0012 0.0009
    11 0.9998 1.0009 0.0011
    12 1.9997 2.0012 0.0015
    13 3.0003 3.0024 0.0021
    14 4.0002 4.0024 0.0022
    15 4.9995 5.0021 0.0026
    16 5.9998 6.0027 0.0029
    17 6.9988 7.0027 0.0039
    18 8.0002 8.0033 0.0031
    19 8.9995 9.0030 0.0035
    20 9.9997 10.0036 0.0039
    均值 0.00269
    下载: 导出CSV
  • [1] 陶卫, 浦昭邦, 孙运斌. 角度测量技术的发展[J]. 杂志,2002,23(2):5-7.doi:10.3969/j.issn.0253-2743.2002.02.002

    TAO W, PU ZH B, SUN Y B. The development of angle measurement technique[J].Laser Journal, 2002, 23(2): 5-7. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.0253-2743.2002.02.002
    [2] 马爱民, 马忠臣. 超精密测量技术的应用进展[J]. 机械工程师,2013(6):3-5.

    MA A M, MA ZH CH. Advances in application of precision measurement technology[J].Mechanical Engineer, 2013(6): 3-5. (in Chinese)
    [3] 刘焱, 王烨. 位移传感器的技术发展现状与发展趋势[J]. 自动化技术与应用,2013,32(6):76-80, 101.

    LIU Y, WANG Y. Present status and trend of technical development of displacement sensor[J].Techniques of Automation&Applications, 2013, 32(6): 76-80, 101. (in Chinese)
    [4] 高旭, 李舒航, 马庆林, 等. 光栅精密位移测量技术发展综述[J]. 中国光学,2019,12(4):741-752.doi:10.3788/co.20191204.0741

    GAO X, LI SH H, MA Q L,et al. Development of grating-based precise displacement measurement technology[J].Chinese Optics, 2019, 12(4): 741-752. (in Chinese)doi:10.3788/co.20191204.0741
    [5] 江孝伟, 武华. 一维增透亚波长光栅的研究[J]. 发光学报,2017,38(2):177-181.doi:10.3788/fgxb20173802.0177

    JIANG X W, WU H. Research of 1D sub-wavelength grating anti-reflection[J].Chinese Journal of Luminescence, 2017, 38(2): 177-181. (in Chinese)doi:10.3788/fgxb20173802.0177
    [6] 吕强, 李文昊, 巴音贺希格, 等. 基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统[J]. 中国光学,2017,10(1):39-50.doi:10.3788/co.20171001.0039

    LÜ Q, LI W H, BAYANHESHIG,et al. Interferometric precision displacement measurement system based on diffraction grating[J].Chinese Optics, 2017, 10(1): 39-50. (in Chinese)doi:10.3788/co.20171001.0039
    [7] 李秋顺, 向栋, 陈超, 等. 单端面长周期光栅透射模式测量技术[J]. 发光学报,2017,38(8):1090-1096.doi:10.3788/fgxb20173808.1090

    LI Q SH, XIANG D, CHEN CH,et al. Transmission mode measurement technique of long period grating based on a single end face[J].Chinese Journal of Luminescence, 2017, 38(8): 1090-1096. (in Chinese)doi:10.3788/fgxb20173808.1090
    [8] 张爽, 朱万彬, 李健, 等. 位移传感器传感探头微小型光学系统设计[J]. 中国光学,2018,11(6):1001-1010.doi:10.3788/co.20181106.1001

    ZHANG SH, ZHU W B, LI J,et al. Design of micro-optical system for laser displacement sensor sensing probe[J].Chinese Optics, 2018, 11(6): 1001-1010. (in Chinese)doi:10.3788/co.20181106.1001
    [9] 王国超, 颜树华, 高雷, 等. 光栅干涉位移测量技术发展综述[J]. 技术,2010,34(5):661-664, 716.doi:10.3969/j.issn.1001-3806.2010.05.023

    WANG G CH, YAN SH H, GAO L,et al. Development of displacement measurement technologies based on grating interferometry[J].Laser Technology, 2010, 34(5): 661-664, 716. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1001-3806.2010.05.023
    [10] 谢检来, 郝永芹, 张家斌, 等. 一种具有低折射率的高对比度光栅反射镜的设计[J]. 发光学报,2008,39(6):855-861.

    XIE J L, HAO Y Q, ZHANG J B,et al. Design of high contrast grating mirror with low index grating layer[J].Chinese Journal of Luminescence, 2008, 39(6): 855-861. (in Chinese)
    [11] KAMAL M, NARAYANSWAMY S, PACKIRISAMY M. An off-axis cylindrical mirror focused line scanning system with high imaging quality for broad spectral band[J].Journal of Optics, 2011, 13(10): 105502.doi:10.1088/2040-8978/13/10/105502
    [12] 王晓初, 朱照杨, 张国平. 高速振镜伺服驱动的PID加前馈控制[J]. 微电机,2013,46(5):61-64, 69.doi:10.3969/j.issn.1001-6848.2013.05.014

    WANG X CH, ZHU ZH Y, ZHANG G P. High-speed galvanometer servo drive PID + feedforward control[J].Micromotors, 2013, 46(5): 61-64, 69. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1001-6848.2013.05.014
    [13] 刘琛. 高速扫描振镜控制系统设计研究[D]. 太原: 中北大学, 2018: 5.

    LIU CH. Research on the design of high-speed scanning control system[D]. Taiyuan: North University of China, 2018: 5. (in Chinese)
    [14] 王先起, 廖胜, 黄建明. 扫描振镜幅频特性测试及位置标定的研究[J]. 光电工程,2004,31(S1):73-75, 79.

    WANG X Q, LIAO SH, HUANG J M. Test of amplitude-frequency performance and position demarcation of an optical scanner[J].Opto-Electronic Engineering, 2004, 31(S1): 73-75, 79. (in Chinese)
    [15] 叶乔. 高速振镜理论研究及实践[D]. 武汉: 华中科技大学, 2004.

    YE Q. A study of high speed galvanometer and practise[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2004. (in Chinese).
    [16] 井峰. 数字式振镜控制系统的研究[D]. 西安: 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所), 2012.

    JING F. Research on digital galvanometer control system[D]. Xi’an: Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS, 2012. (in Chinese).
    [17] 孙国斌, 弥谦. 光学振镜转角与扫描角度变化关系的研究[J]. 西安工业大学学报,2010,30(5):421-424.doi:10.3969/j.issn.1673-9965.2010.05.003

    SUN G B, MI Q. Determination of the relation between the deflection angle and the scanning angle of an optical scanner[J].Journal of Xian Technological University, 2010, 30(5): 421-424. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1673-9965.2010.05.003
    [18] 赵伟, 张增明. 衍射光栅特性研究实验[J]. 物理实验,2017,37(10):22-25.doi:10.3969/j.issn.1005-4642.2017.10.006

    ZHAO W, ZHANG Z M. Experiment of characteristics of diffraction grating[J].Physics Experimentation, 2017, 37(10): 22-25. (in Chinese)doi:10.3969/j.issn.1005-4642.2017.10.006
    [19] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006.

    YU D Y, TAN H Y.Engineering Optics[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2006. (in Chinese)
    [20] 王贵甫, 陈桂林, 陈雨良. 基于 干涉仪的角度测量技术[J]. 传感器技术,2001,20(1):37-39.

    WANG G F, CHEN G L, CHEN Y L. An angle measurement technology besed on laser interferometer[J].Journal of Transducer Technology, 2001, 20(1): 37-39. (in Chinese)
    [21] 曾建华, 曾伟, 王志峰, 等. 光的干涉与衍射的Matlab仿真及其实验观测[J]. 井冈山大学学报(自然科学版),2018,39(3):9-12.

    ZENG J H, ZENG W, WANG ZH F,et al. Matlab simulation and experimental observation on interference and diffraction of light[J].Journal of Jinggangshan University(Natural Sciences Edition) , 2018, 39(3): 9-12. (in Chinese)
    [22] 张文颖, 朱浩然. 圆光栅测角系统误差分析与修正[J]. 应用光学,2019,40(3):399-403.doi:10.5768/JAO201940.0301007

    ZHANG W Y, ZHU H R. Error analysis and correction of circular grating angle measurement system[J].Journal of Applied Optics, 2019, 40(3): 399-403. (in Chinese)doi:10.5768/JAO201940.0301007
  • 加载中
图(12)/ 表(1)
计量
  • 文章访问数:1896
  • HTML全文浏览量:426
  • PDF下载量:93
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2020-10-10
  • 修回日期:2020-11-10
  • 网络出版日期:2021-04-09
  • 刊出日期:2021-05-14

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map