CN102818541A - 一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分辨率的滚转角测量装置，包括双频激光器、1/2波片、凸透镜、平面反射镜和角锥反射镜；所述双频激光器的光轴后设置有分光棱镜，所述分光棱镜的透射光轴上依次设置有1/4波片和五五分光镜；所述五五分光镜的透射光轴下方设置有角锥反射镜；所述1/2波片设置在角锥反射镜和凸透镜之间；本发明采用1/2波片作为滚转角测量的探测元件，其位于角锥反射镜和凸透镜之间，且与凸透镜后焦平面上的平面反射镜构成一个内部多次反射腔；通过1/2波片将其滚转角信息调制为偏振光相位变化，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，它具有高分辨率的优势。

Description

一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于角度的光电测量领域，涉及一种多次反射式偏振光相位调制滚转角测量装置及测量方法，尤其是一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法。

背景技术

滚转角测量一直以来制约着精密导轨运动副等精密机械加工水平的提高，尤其制约着数控机床的几何精度检测、误差溯源及补偿等领域的发展，从而影响着整体机械加工、装备制造水平。

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）。俯仰角和偏转角的测量方法和技术己发展较成熟且分辨率很高，如双频激光干涉仪法。而滚转角的测量方法和技术发展则相对落后，主要是因为滚转角平面与激光光束方向垂直，导致典型的、较成熟的高精度光学测量方法难以应用于滚转角测量。因此，对于滚转角的高精度测量，国内外还处于一种研究和探索阶段，尚无成熟的、商业化的测量仪器面世。

目前，针对这一问题研究和探索归纳起来主要表现为以下几方面：第一，以重力方向为基准的电子水平仪测量，此方法类似于传统水平仪，均是敏感元件感应重力为基础，实现测量平面与基准平面的差异，从而完成滚转角测量；它虽具有简便的优势，但对于以竖直方向为轴的滚转角检测则无能为力。第二，以基于位置敏感探测器（PSD）的准直激光位置为基准的测量，原理是基于准直激光被滚转的被测对象反射后，其光斑相对初始位置发生变化被PSD探测，从而计算并完成滚转角测量，它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。第三，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、相位和频率调制测量的三类，其中基于偏振光相位法，具有较高精度的优点。此外，申请号为01130893.1，名称为“滚转角测量方法及其滚转角测量仪”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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法，提出一种基于透镜的多次反射式偏振光相位调制滚转角测量方法及其装置，该方法能够实现高分辨率的滚转角测量；同时，它具有结构紧凑、易于集成等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种高分辨率的滚转角测量装置，包括双频激光器、1/2波片、凸透镜、平面反射镜和角锥反射镜；所述双频激光器的光轴后设置有分光棱镜，所述分光棱镜的透射光轴上依次设置有1/4波片和五五分光镜；所述分光棱镜的反射光轴上依次设置有第一检偏器和第一光电接收器；所述五五分光镜的透射光轴下方设置有角锥反射镜；所述角锥反射镜与凸透镜相向设置，且凸透镜光轴后焦平面上设置有平面反射镜；所述1/2波片设置在角锥反射镜和凸透镜之间；所述五五分光镜的反射光轴上依次设置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，所述相位计输出端连接有计算机。

上述五五分光镜的透射光轴与角锥反射镜的中心轴平行设置，间距为h；所述角锥反射镜的中心轴与凸透镜的主轴平行，间距为Δh；且h与Δh满足关系h/Δh=n，n为整数。

本发明还提出一种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后，被分成两束光，其中反射光束经过第一检偏器后，被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，入射到五五分光镜，五五分光镜的透射光束经过1/2波片，经凸透镜聚焦后，被平面反射镜反射，再经凸透镜平行出射，再经过1/2波片；接着被角锥反射镜反射后平行入射且经过1/2波片，第2次经凸透镜聚焦被平面反射镜反射，再经凸透镜平行射出，经过1/2波片后，再次被角锥反射镜反射；由于角锥反射镜、1/2波片、凸透镜和平面反射镜共同构成内部反射腔；光束在腔内经过多次往返，并逐渐靠近凸透镜光轴，当该光束与凸透镜光轴重合时，其透过凸透镜，以0°角入射到平面反射镜后被原路反射回来；接着该光束沿着原路依次往返返回；

3）光束经过多次往返透过1/2波片后原路出射；经五五光镜反射后，经过第二检偏器后被第二光电接收器接收，视为测量信号；

4）测量信号与参考信号通过相位计鉴相后，将数据传送给计算机，计算机根据相位变化与滚转角关系解调计算出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，其位于角锥反射镜和凸透镜之间，且与凸透镜后焦平面上的平面反射镜构成一个内部多次反射腔；同时将角锥反射镜、凸透镜和平面反射镜有机地组合，形成内部反射腔，并将敏感元件1/2波片有效地置于该反射腔中，实现测量光束能够多次往返经过1/2波片，然后能够沿原光路出射；通过1/2波片将其滚转角信息调制为偏振光相位变化，从而形成一种基于透镜的多次反射式偏振光相位调制滚转角测量方法。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，它具有高分辨率的优势。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图。

其中：1为双频激光器；2为分光棱镜；3为第一检偏器；4为第一光电接收器；5为1/4波片；6为五五分光镜；7为1/2波片；8为凸透镜；9为平面反射镜；10为角锥反射镜；11为第二检偏器；12为第二光电接收器；13为相位计；14为计算机。

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，这种高分辨率的滚转角测量装置，包括双频激光器1、1/2波片7、凸透镜8、平面反射镜9和角锥反射镜10；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的透射光轴上依次设置有1/4波片5和五五分光镜6；所述分光棱镜2的反射光轴上依次设置有第一检偏器3和第一光电接收器4；所述五五分光镜6的透射光轴下方设置有角锥反射镜10；所述角锥反射镜10与凸透镜8相向设置，且凸透镜8光轴后焦平面上设置有平面反射镜9；所述1/2波片设置在角锥反射镜10和凸透镜8之间；所述五五分光镜6的反射光轴上依次设置有第二检偏器11和第二光电接收器12；所述第一光电接收器4和第二光电接收器12的输出端连接有相位计13，所述相位计13输出端连接有计算机14。

五五分光镜6的透射光轴与角锥反射镜10的中心轴平行设置，间距为h；所述角锥反射镜10的中心轴与凸透镜的主轴平行，间距为Δh；且h与Δh满足关系h/Δh=n，n为整数。

以上滚转角测量方法具体为：

1）双频激光器1发出的光束经过分光棱镜2后，被分成两束光，其中反射光束经过第一检偏器3后，被第一光电接收器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，入射到五五分光镜6，五五分光镜6的透射光束经过1/2波片7，经凸透镜8聚焦后，被平面反射镜9反射，再经凸透镜8平行出射，再经过1/2波片7；接着被角锥反射镜10反射后平行入射且经过1/2波片7，第2次经凸透镜8聚焦被平面反射镜9反射，再经凸透镜8平行射出，经过1/2波片7后，再次被角锥反射镜10反射；由于角锥反射镜10、1/2波片7、凸透镜8和平面反射镜9共同构成内部反射腔；光束在腔内经过多次往返，并逐渐靠近凸透镜8光轴，当该光束与凸透镜8光轴重合时，其透过凸透镜8，以0°角入射到平面反射镜9后被原路反射回来；接着该光束沿着原路依次往返返回；

3）光束经过多次往返透过1/2波片7后原路出射；经五五光镜6反射后，经过第二检偏器11后被第二光电接收器12接收，视为测量信号；

4）测量信号与参考信号通过相位计13鉴相后，将数据传送给计算机14，计算机14根据相位变化与滚转角关系解调计算出1/2波片的滚转角即为被测滚转角。

本发明采用角锥反射镜、1/2波片、凸透镜和平面反射镜合理布局构成光束的内部多次反射腔，以腔内的1/2波为滚转角探测元件，通过偏振激光透过1/2波片将滚转角信息调制为偏振激光相位变化而实现滚转角测量；利用测量光束多次往返经过该1/2波片使被测角实现n倍增益，从而使正交偏振激光的相位变化相应地增大，从而有效地保证了滚转角测量的高分辨率（灵敏度）的特点。它适用于精密导轨运动副、数控装备的运动轴滚转角误差测量。

本发明原理上采用1/2波片为敏感元件，利用偏振激光相位对其滚转的敏感特性，通过检测偏振激光相位变化，完成滚转角测量。因此，它具有偏振激光相位法的较高精度特点；而且由于本发明采用角锥反射镜、凸透镜和平面反射镜组成的多次反射腔，并将敏感元件1/2波片置于该腔中实现测量光束n次往返经过1/2波片，使相位变化增大以达到角放大n倍的目的；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和五五分光镜6，其透射光束经过敏感元件（1/2波片7），经凸透镜8聚焦后，被平面反射镜9反射，再经凸透镜8平行出射，再经过1/2波片7；接着被角锥反射镜10反射后平行入射且经过1/2波片7，第2次经凸透镜8聚焦被平面反射镜9反射，再经凸透镜8平行射出，经过1/2波片7后，再次被角锥反射镜10反射；由于角锥反射镜10、1/2波片7、凸透镜8和平面反射镜9共同构成内部反射腔；因此，此光束在腔内经过多次往返，并逐渐靠近凸透镜8光轴，当它与凸透镜8光轴重合时，它透过凸透镜8，以0°角入射到平面反射镜9后被原路反射回来；接着该光束沿着原路依次往返返回；这样此光束经过n次往返透过1/2波片7后原路出射；它经五五光镜6反射后，经过第二检偏器11后被第二光电接收器12接收，视为测量信号。由相位计13对测量信号与参考信号进行相位检测，最终，计算机机14根据相位变化与滚转角的关系解调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，设激光器出射的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

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，

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；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，

为己知，

可取2°；n等于h/Δh，由h/Δh控制为整数，通常取值为5~20；因而可确定角增益系数K_a，则

通常取相位计分辨率为0.01°，则该方法角分辨率可达0.06″~0.016″。

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5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、高档数控机床的运动轴滚转角精度测量、性能评定、误差溯源及补偿等领域，其广泛应用可较大地推动精密加工、装备制造检测等技术的发展。

Claims (3)

1.一种高分辨率的滚转角测量装置，其特征在于：包括双频激光器（1）、1/2波片（7）、凸透镜（8）、平面反射镜（9）和角锥反射镜（10）；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）的透射光轴上依次设置有1/4波片（5）和五五分光镜（6）；所述分光棱镜（2）的反射光轴上依次设置有第一检偏器（3）和第一光电接收器（4）；所述五五分光镜（6）的透射光轴下方设置有角锥反射镜（10）；所述角锥反射镜（10）与凸透镜（8）相向设置，且凸透镜（8）光轴后焦平面上设置有平面反射镜（9）；所述1/2波片（7）设置在角锥反射镜（10）和凸透镜（8）之间；所述五五分光镜（6）的反射光轴上依次设置有第二检偏器（11）和第二光电接收器（12）；所述第一光电接收器（4）和第二光电接收器（12）的输出端连接有相位计（13），所述相位计（13）输出端连接有计算机（14）。

2.根据权利要求1所述的一种高分辨率的滚转角测量装置，其特征在于：所述五五分光镜（6）的透射光轴与角锥反射镜（10）的中心轴平行设置，间距为h；所述角锥反射镜（10）的中心轴与凸透镜的主轴平行，间距为Δh；且h与Δh满足关系h/Δh=n，n为整数。

3.一种基于权利要求1的高分辨率的滚转角测量方法，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）后，被分成两束光，其中反射光束经过第一检偏器（3）后，被第一光电接收器（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，入射到五五分光镜（6），五五分光镜（6）的透射光束经过1/2波片（7），经凸透镜（8）聚焦后，被平面反射镜（9）反射，再经凸透镜（8）平行出射，再经过1/2波片（7）；接着被角锥反射镜（10）反射后平行入射且经过1/2波片（7），第2次经凸透镜（8）聚焦被平面反射镜（9）反射，再经凸透镜（8）平行射出，经过1/2波片（7）后，再次被角锥反射镜（10）反射；由于角锥反射镜（10）、1/2波片（7）、凸透镜（8）和平面反射镜（9）共同构成内部反射腔；光束在腔内经过多次往返，并逐渐靠近凸透镜（8）光轴，当该光束与凸透镜（8）光轴重合时，其透过凸透镜（8），以0°角入射到平面反射镜（9）后被原路反射回来；接着该光束沿着原路返回；

3）光束经过多次往返透过1/2波片（7）后原路出射；经五五分光镜（6）反射后，经过第二检偏器（11）后被第二光电接收器（12）接收，视为测量信号；

4）测量信号与参考信号通过相位计（13）鉴相后，将数据传送给计算机（14），计算机（14）根据相位变化与滚转角关系解调计算出1/2波片（7）的滚转角即为被测滚转角。

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