CN102654392B - 一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法，该装置包括双频激光器、1/2波片和两套角锥棱镜阵列；在双频激光器的光轴后设置分光棱镜，分光棱镜的反射光轴上设第一检偏器和第一光电接收器；分光棱镜的透射光轴上设1/4波片；1/2波片位于两套角锥棱镜阵列中间；在两套角锥棱镜阵列的出射光轴上设直角反射棱镜，在直角反射镜的反射光轴上设第二检偏器和第二光电接收器；第一光电接收器和第二光电接收器的输出端连接相位计。本发明将探测元件置于两套角锥棱镜阵列中，从而有效地将用于位移测量的阵列式多次反射法应用于滚转角测量。不仅可克服传统激光干涉法难以测量与激光束方向垂直的滚转角问题，而且与现有技术相比，具有更高滚转角测量分辨率的优点。

Description

一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法

技术领域

本发明属于角度的光电测量领域，具体涉及一种基于阵列式多次反射的偏振激光相位的滚转角测量方法及其装置。

背景技术

滚转角为衡量精密导轨运动副、数控机床等高端精密设备性能的一个重要指标，同时也是其误差的重要组成部分。它的测量技术水平直接影响着其产品的性能，为精密机械加工、制造与应用的基础。

所有的机械导轨运动副都具有三个回转自由度（俯仰、偏摆和滚转误差）。俯仰角和偏转角采用双频干涉仪测量可达到很高的精度，而由于滚转的平面与激光干涉仪光束方向垂直，因而滚转角的测量则是非常困难的，目前国内外还处于一种研究和探索阶段。

目前，国内外的相关领域都对这一问题进行过研究，有以重力方向为基准的电子水平仪测量、以基于PSD的准直激光位置为基准的测量、以准直激光偏振方向为基准的测量等。以重力方向为基准的电子水平仪测量法虽具有简便的优势，但对于以竖直方向为轴的滚转角检测则无能为力。以基于PSD的准直激光位置为基准的测量法，可易于实现多维测量，但测量分辨率受限于PSD的性能而难以提高，且易于受俯仰角和偏摆角的影响。以准直激光偏振方向为基准的测量法，该方法包括基于光强、相位和频率测量的三类，其中基于偏振光相位法，具有较高精度的优点。此外，公开号为CN1335483的专利在偏振光相位法的基础上改进光路设计将原有方法灵敏度在非线性增强的基础上再提高4倍。但此方法及装置难以再提高其分辨率。

本发明提出基于阵列式多次反射的偏振激光相位的滚转角测量方法，可实现滚转角测量,同时，可使角实现倍增放大从而达到提高分辨率的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法，该装置能够实现滚转角测量，同时，能够使角实现倍增放大从而达到提高分辨率的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置，包括双频激光器、1/2波片和两套角锥棱镜阵列；在所述双频激光器的光轴后设置有分光棱镜，所述分光棱镜的反射光轴上设有第一检偏器和第一光电接收器；所述分光棱镜的透射光轴上设有1/4波片；所述1/2波片位于两套角锥棱镜阵列中间；在两套角锥棱镜阵列的出射光轴上设有直角反射棱镜，在直角反射镜的反射光轴上设有第二检偏器和第二光电接收器；所述第一光电接收器和第二光电接收器的输出端连接有相位计，所述相位计连接至计算机。

上述两套角锥棱镜阵列由第一角锥棱镜阵列和第二角锥棱镜阵列平行设置组成，所述1/2波片位于第一、二角锥棱镜阵列之间。

本发明还提出一种基于上述装置的滚转角测量方法，包括以下步骤：

1）双频激光器发出的光束经过分光棱镜被分成两束光，其中反射光束第一检偏器后，由第一光电接收器接收，视为参考信号；

2）由分光棱镜出射的透射光束经过1/4波片后，入射到两套角锥棱镜阵列，经两套角锥棱镜阵列反复反射作用使光束往返经过1/2波片n次后，再出射到直角反射镜，再经第二检偏器后被第二光电接收器接收，视为测量信号；

3）测量信号与参考信号通过相位计鉴相，根据相位变化与滚转角关系计算出1/2波片的滚转角即为被测滚转角。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用1/2波片作为滚转角测量的探测元件，但它位于两套角锥棱镜阵列之间并因此组成一个内部多次反射装置。当双频激光器发出的光束经过分光棱镜被分成两束光，其中反射光束经检偏器，被光电探测器接收，视为参考信号；透射光束经过1/4波片，入射到两套角锥棱镜阵列，经它们反复反射作用使光束往返经过1/2波片n次后，再出射到直角反射镜，经检偏器后被光电探测器接收，为测量信号。测量信号与参考信号通过相位计鉴相，可计算出1/2波片的滚转角即被测滚转角，而所能测量的滚转角分辨率能力可提高到目前偏振光相位法的n倍。

本发明巧妙地将探测元件（1/2波片）置于两套角锥棱镜阵列中，从而形成一种新型多次反射法的偏振光相位滚转角测量方法，它克服了传统多次反射法局限于位移测量的不足，有效地将用于位移测量的阵列式多次反射法应用于滚转角测量。因此，它将不仅可解决传统激光干涉法难以测量与激光束方向垂直平面内的滚转角问题，而且与现有滚转角测量方法相比，可较大地提高滚转角测量的分辨率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的平面光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明基于阵列式多次反射的滚转角测量装置，包括双频激光器1、1/2波片7和两套角锥棱镜阵列；在双频激光器1的光轴后设置有分光棱镜2，分光棱镜2的反射光轴上设有第一检偏器3和第一光电接收器4；分光棱镜2的透射光轴上设有1/4波片5；1/2波片7位于两套角锥棱镜阵列中间；在两套角锥棱镜阵列的出射光轴上设有直角反射棱镜8，在直角反射镜8的反射光轴上设有第二检偏器9和第二光电接收器10；第一光电接收器4和第二光电接收器10的输出端连接有相位计11，相位计11连接至计算机12。如图所示，本发明的两套角锥棱镜阵列由第一角锥棱镜阵列6a和第二角锥棱镜阵列6b平行设置组成，1/2波片7位于第一、二角锥棱镜阵列6a、6b之间。

基于以上装置，本发明提出的滚转角测量方法具体如下：

1）双频激光器1发出的光束经过分光棱镜2被分成两束光，其中反射光束第一检偏器3后，由第一光电接收器4接收，视为参考信号；

2）由分光棱镜2出射的透射光束经过1/4波片5后，入射到两套角锥棱镜阵列，经两套角锥棱镜阵列反复反射作用使光束往返经过1/2波片7n次后，再出射到直角反射镜8，再经第二检偏器9后被第二光电接收器10接收，视为测量信号；

3）测量信号与参考信号通过相位计11鉴相，根据相位变化与滚转角关系计算出1/2波片的滚转角即为被测滚转角。

本发明方法和装置中，采用两套角锥棱镜阵列之间的1/2波片作为探测元件，以激光相位变化为探测目标，利用光束多次往返经过该1/2波片使被测角实现较大增益，从而使正交偏振激光的相位变化相应地增大，从而显著地提高滚转角的测量分辨率（灵敏度）。它适用于精密导轨运动副、数控机床的运动轴等的滚转角误差测量。

本发明将偏振激光相位法的探测元件有效地置于阵列式角锥棱镜中，充分利用光束多次往返透射过探测元件，使相位变化增大以达到角放大的目的。该发明方法可解决滚转角测量和其分辨率难以提高的难题。与现有方法及技术相比，它显然具有更高的分辨率的优势。

参见图1，本发明的工作过程如下：双频激光器1发出双频激光束，经反射率为50%的分光棱镜2分成两束光（反射光束和透射光束）；其中反射光束经检偏器3，被光电探测器4所接收，视为参考信号。透射光束则经过1/4波片5，再经过探测元件（1/2波片）7后，被角锥棱镜阵列6b反射返回，接着又经过1/2波片7，此时光束往返经过1/2波片7达1次；随后光束到达角锥棱镜阵列6a并被反射，在两个角锥棱镜阵列6a和6b的作用下，光束第2次往返经过1/2波片7；这样，此光束在两个角锥棱镜阵列6a和6b之间，往返经过1/2波片7达n次后，出射到达直角反射棱镜8，经检偏器9，被光电探测器10所接收，为测量信号。由相位计11对测量信号与参考信号进行相位测量，根据相位变化与滚转角的关系计算可获得被测滚转角（1/2波片7的滚转角）的值，从而实现滚转角测量。其相位变化与滚转角的数学表达式（数学模型）如下：

如图1所示，设正交偏振光电矢量分别为E₁和E₂，且E₁与x轴即1/4波片5的快轴（F轴）夹角为θ；1/2波片7的F轴与x轴夹角为α；且令光束往返经过1/2波片7的次数为n。则可用琼斯矩阵表示测量信号如下：

${\stackrel{\→}{E}}_S={\mathrm{PH}}_1(-\mathrm{\α})H_1\left(\mathrm{\α}\right)H_2(-\mathrm{\α})H_2\left(\mathrm{\α}\right)...H_n(-\mathrm{\α})H_n\left(\mathrm{\α}\right)\mathrm{QR}\left(\mathrm{\θ}\right){\stackrel{\→}{E}}_0---\left(1\right)$

其中，P为偏振器的琼斯矩阵；H_n表示第n次经过1/2波片7时，为其琼斯矩阵（此符号为了便于理解与计算），实质上均等于1/2波片7的琼斯矩阵H；Q为1/4波片5的琼斯矩阵；R(θ)为旋转矩阵；为光束的琼斯向量表示。它们分别为：

$P=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 0\end{array}\right],$ $H\left(\mathrm{\α}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos 2\mathrm{\α}& \sin 2\mathrm{\α}\\ \sin 2\mathrm{\α}& -\cos 2\mathrm{\α}\end{array}\right],$

$Q=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& i\end{array}\right],$

$H\left(\mathrm{\α}\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right],$

通过数学归纳法证明，可得滚转角Δα的测量计算公式为：

$\mathrm{\Δ\α}=\frac{\mathrm{\Δ\ψ}}{K_a}=-\frac{\mathrm{\Δ\ψ}}{4n(\tan \mathrm{\θ}+\cot \mathrm{\θ})}---\left(2\right)$

其中，Δα即α在一定范围微小变化量，由1/2波片7的滚转引起，为被测滚转角；Δψ为此滚转角引起相应的相位变化，K_a为角增益系数。式（2）中，θ为己知，θ可取2°；n取值为12或更大；因而可确定角增益系数K_a，则K_a=-1376。相位计分辨率为0.01°，则该方法角分辨率可达0.026″或者更小。

因此，与现有滚转角检测方法相比，该发明方法和装置的角分辨率（灵敏度）能力为现有方法的10倍以上，它具有更高的滚转角测量分辨率，能够为精密导轨运动副、高档数控机床等的滚转角测量提供更为精密和更高分辨率的检测方法和技术。

本发明的方法适用于高精度的工业测量领域，尤其适用于精密导轨运动副、及以其为基础的设备如：高档数控机床的滚转角误差测量，其广泛应用可较大地推动精密机械、高端设备制造检测等技术的发展。

Claims (3)

1.一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置，其特征在于，包括双频激光器(1)、1/2波片(7)和两套角锥棱镜阵列；在所述双频激光器(1)的光轴后设置有分光棱镜(2)，所述分光棱镜(2)的反射光轴上设有第一检偏器(3)和第一光电接收器(4)；所述分光棱镜(2)的透射光轴上设有1/4波片(5)；所述1/2波片(7)位于两套角锥棱镜阵列中间；在两套角锥棱镜阵列的出射光轴上设有直角反射棱镜(8)，在直角反射棱镜(8)的反射光轴上设有第二检偏器(9)和第二光电接收器(10)；所述第一光电接收器(4)和第二光电接收器(10)的输出端连接有相位计(11)，所述相位计(11)连接至计算机(12)。

2.根据权利要求1所述的基于阵列式多次反射的滚转角测量装置，其特征在于，所述两套角锥棱镜阵列由第一角锥棱镜阵列(6a)和第二角锥棱镜阵列(6b)平行设置组成，所述1/2波片(7)位于第一、二角锥棱镜阵列(6a、6b)之间。

3.一种基于权利要求1所述装置的滚转角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)双频激光器(1)发出的光束经过分光棱镜(2)被分成两束光，其中反射光束经第一检偏器(3)后，由第一光电接收器(4)接收，视为参考信号；

2)由分光棱镜(2)出射的透射光束经过1/4波片(5)后，入射到两套角锥棱镜阵列，经两套角锥棱镜阵列反复反射作用使光束往返经过1/2波片(7)n次后，再出射到直角反射棱镜(8)，再经第二检偏器(9)后被第二光电接收器(10)接收，视为测量信号；

3)测量信号与参考信号通过相位计(11)鉴相，根据相位变化与滚转角关系计算出1/2波片的滚转角即为被测滚转角。