CN104613900A - 一种全光路光漂补偿的高精度滚转角测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光路光漂补偿的高精度滚转角测量方法与装置，属于光电检测技术领域。采用一对逆向反射器作为敏感器件，通过平行双光束差动测量获得滚转角信息，其中平行双光束通过一组五角分光棱镜和五角棱镜对准直激光束进行分光后获得，双光束平行性由棱镜加工精度保证，无需调整，大大提高了测量方法的可行性和实用性；通过采用如直角棱镜的光束平移且反向装置，使两束测量光的路径完全重合，而光路方向互逆，利用这一特性，在两倍提高测量分辨率的同时，结合共路光漂补偿法，可以实现激光光线漂移的全光路完全补偿，解决了目前采用激光准直测量方法中无法完全消除激光光线角度漂移影响的共性难题，可以实现滚转角测量分辨率优于0.1″，精度优于1″；本发明光学结构紧凑，调节简单，无多自由度误差串扰，移动部分不带电缆，便于现场测量。

Description

一种全光路光漂补偿的高精度滚转角测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种实现激光光线漂移完全补偿的滚转角测量方法及装置。

背景技术

在高精密机械制造、加工、检测等领域，修正几何及运动误差提高直线运动系统精度至关重要，因此，六自由度误差的高精度测量方法与技术研究一直是一个重要课题，而滚转角误差是六自由度误差中最难测量的一个参数。此外，滚转角测量也广泛用于姿态识别、安装定位等方面。

传统的滚转角测量方法主要是以重力方向为基准的电子水平仪及以四方铁的位置为基准的组合测量法，电子水平仪无法测量竖直轴方向的几何误差，四方铁组合测量法属于接触式测量。光学测量方法可以克服传统方法的局限性，主要包括以下几类：

1.干涉法。例如目前机床检测中主要采用的双频激光干涉法方法，优点是精度高，抗干扰能力强，但需要分步测量两个不同位置的直线度来计算出滚转角大小，不能用于实时测量。此外还有其他基于特定结构的干涉测量方法(如美国专利US5056921、中国专利ZL2009101673099)和基于双频激光拍频干涉及相位检测的测量方法(如中国专利ZL011308931)，虽然可以获得很高的测量分辨率，但对元件加工要求高，测量系统复杂，给实际应用带来不便。

2.衍射法。利用光栅衍射光束作为测量光实现滚转角测量的方法(如美国专利US4804270，中国专利ZL2008101188633)，衍射法结构简单，但测量分辨率不够高，且测量单元移动范围有限。

3.偏振法。此类以光的偏振方向为基准的测量方法很多。比如，基于正交双偏振光的液晶光阀或双激光器分时调制法(中国专利ZL021236429)，以及一种测量移动单元无电缆的方法(中国专利ZL2005100118771)。此类方法将滚转角误差转换为光强变化，测量灵敏度受限于测量光的偏振度、信号放大电路信噪比等而难以提高。

4.激光准直法。最典型的是平行双光束法，基于激光准直特性，通过探测两束平行激光准直光束的光斑位置变化，计算得到滚转角。如美国专利US5798828、文献“Development of alaser-based high-precision six-degrees-of-freedom motion errors measuring system for linearstage”(Chien-Hung Liu.Review of Scientific instruments，2005，76(5)，055110)以及中国专利ZL2010101664995等所提出的方法。此类方法结构简单，易于多参数同时测量集成，但双光束的平行调节困难，此外，激光光线漂移的影响限制了测量精度的提高。虽然在中国专利ZL2010101664995和文献“多自由度误差同时测量中滚转角高精度测量方法的研究”(翟玉生，博士论文，北京交通大学，2012)所提出方法中采用的共路结构以及双光路差分测量，可以基本消除激光光线平行漂移以及共模噪声的影响，但对于双光路中单一光路上的激光光线角度漂移的影响仍然无法消除。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于激光准直技术，光路调节简单，可实现全光路激光光线漂移完全补偿的高精度滚转角测量方法及装置。

本发明提出的一种实现激光光线漂移补偿的滚转角测量方法，可以通过以下步骤来实现：

1.激光器发出的激光经准直后出射；

2.所述准直光束经五角分光棱镜后产生出射方向互相垂直的透射光和反射光；

3.所述的透射光为测量光束1；所述的反射光经五角棱镜后出射方向改变90度，形成与测量光束1平行并且出射方向一致的测量光束2；

4.所述测量光束1和测量光束2沿待测滚转角转轴方向，分别对应入射到作为滚转角敏感元件的逆向反射器1和逆向反射器2上，各自形成与入射光方向平行的逆向反射光；

5.所述两束逆向反射光分别经同一个光学结构发生平移并且反向，其中，对于上述光学结构，光束1的入射点与光束2的出射点重合，光束1的出射点与光束2的入射点重合；

6.所述平移且反向的光束1和光束2，分别对应入射到逆向反射器2和逆向反射器1上，再次逆向反射，至此，两束测量光1和2的路径完全重合，但传输光路互逆；

7.所述测量光束1和测量光束2分别经单向变向器1和单向变向器2改变方向，并入射到光电探测器1和光电探测器2，当发生待测滚转时，两束测量光在两个光电探测器上的光斑位置发生变化，光电探测器输出的光电信号经过信号处理电路后，送入处理终端获得包含激光光线漂移误差的待测滚转角值；

8.所述测量光束1和光束2到达光电探测器1和光电探测器2之前，分别经分束器1和分束器2分束，所分出光束分别经透镜1和透镜2聚焦于光电探测器3和光电探测器4，当激光光束发生角度漂移时，光电探测器上的聚焦光点位置发生变化，探测器输出的光电信号经信号处理电路后，送入处理终端获得激光光线角度漂移量；

9.处理终端运算获得并显示实现激光光线漂移完全补偿的滚转角值。

本发明提出实现上述激光光线漂移完全补偿的滚转角测量方法的测量装置。

装置包括激光器、准直透镜、五角分光棱镜、五角棱镜、逆向反射器、光束平移且反向装置、单向变向器、分束器、聚焦透镜、光电探测器、信号处理电路和处理终端。其特征在于：所述激光器可以采用He-Ne激光器、半导体激光器或其他类型的激光器；所述准直透镜和聚焦透镜可以是单透镜或透镜组；所述逆向反射器可以是角锥棱镜、直角反射镜或猫眼结构；所述光束平移且反向装置可以是直角棱镜、一对五角棱镜或者一对反射面垂直的平面镜；所述变向器可以是分束器、偏振分光棱镜与四分之一波片组合或者偏振分光棱镜与二分之一波片组合；所述分束器可以是分光片或者分光棱镜；所述光电探测器可以是四象限探测器QD、位置敏感探测器PSD或者光电接收器件CCD，以上探测器可以是一维，也可以是二维的；所述处理终端可以是计算机或者其他任何具有数据采集控制、存储运算和显示功能的系统。所述激光器发出激光，经所述准直透镜准直后沿待测系统的滚转轴方向出射；所述五角分光棱镜和五角棱镜排列方向垂直于滚转轴方向，准直后的单光束经五角分光棱镜的分束和五角棱镜对反射分量的转向后，形成两束传播方向相同的平行光束；所述逆向反射器共有两个，共同作为滚转角测量敏感元件，其排列方向平行于两个五角棱镜的排列方向，分别对应接收两束平行光；所述逆向反射器的反射光线与入射光线相互平行；所述光束平移且反向装置的反射光线与入射光线，在两束平行光面内平移且反向，在所述两个逆向反射器连线的垂面内满足反射定律；所述光束平移且反向装置使所述两个逆向反射器出射的两束测量光实现路径重合，但传输光路互逆；所述单向变向器其功能是使某一方向入射光变向，而对相反方向入射光通光不变向，单向变向器共有两个，分别使再次经逆向反射器返回的两束测量光束改变方向，入射到分束器；所述分束器共有两个，分别使两束测量光到达光电探测器之前分束，各自形成两束光；所述光电探测器共有四个，两束测量光经分束后的任意一束分别直接入射到其中两个光电探测器，用于测量滚转角信息，另外两束光分别经两个聚焦透镜后入射到另外两个光电探测器，用于测量激光光线角度漂移；所述聚焦透镜光轴沿入射到透镜的准直光线方向；所述另外两个光电探测器放置在所述聚焦透镜的焦平面位置；所述四个光电探测器与所述信号处理电路相连；所述信号处理电路与所述处理终端通信。

本发明采用一对逆向反射器作为敏感器件，通过平行双光束差动测量获得滚转角信息。本发明通过采用五角分光棱镜和五角棱镜组合获得两束平行测量光，双光束平行性由棱镜加工精度保证，无需调整，大大提高了测量方法的可行性和实用性；本发明通过采用光束平移且反向装置，使两束测量光的路径完全重合，而光路方向互逆，利用这一特性，在两倍提高测量分辨率的同时，结合共路光漂补偿法，可以实现激光光线漂移的全光路完全补偿，从而解决了中国专利ZL2010101664995和文献“多自由度误差同时测量中滚转角高精度测量方法的研究”(翟玉生，博士论文，北京交通大学，2012)所提出方法中无法完全消除激光光线角度漂移影响这一激光准直测量中的共性难题，可实现滚转角测量分辨率优于0.1″，精度优于1″；此外，本发明光学结构紧凑，调节简单，移动部分不带电缆，便于现场测量。

附图说明

图1：平行双光束法测量滚转角原理图。

图2：实现激光光线漂移补偿的滚转角测量实施方式一的装置示意图。

图3：实现激光光线漂移补偿的滚转角测量实施方式二的装置示意图。

图4：实现激光光线漂移补偿的滚转角测量实施方式三的装置示意图。

图中：激光器1 准直透镜2 五角分光棱镜3 五角棱镜4 角锥棱镜5、6 直角棱镜7 分光棱镜8、9 分束器10、11 光电探测器12、13、16、17 聚焦透镜14、15 信号处理电路18 处理终端19 偏振分光棱镜20、21 四分之一波片22 二分之一波片23；测量装置的固定单元101，测量装置的移动单元102。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明所述滚转角测量是以平行双光束组合测量法为基础。平行双光束法测量原理如图1所示，x轴方向相距为d的两平行光束沿z轴方向分别垂直入射到固定在靶镜(移动单元)上的两个光电探测器。当靶镜绕z轴(平行于准直光束的方向)发生γ角度的微小滚转时，光束在光电探测器上的位置相应改变。设两束光在探测器上光斑的y轴方向位移分别是Δy₁和Δy₂，由几何关系，滚转角可近似表示为

γ≈(Δy₂-Δy₁)/d   (1)

本发明所述测量方法采用的测量原理和光路结构设计，其核心内容是解决平行双光束法目前存在的两个问题，即双光束平行性调节困难和激光光线漂移影响测量精度的问题。

图2是实现本发明所述激光光线漂移完全补偿的滚转角测量方法的第一种实施方式。如图2所示，测量系统可以分为固定单元101和移动单元102两个部分。固定单元的激光器1发出激光，通过准直透镜2准直，经五角分光棱镜3和五角棱镜4后分束为两束平行测量光束，两平行测量光束分别垂直入射到移动单元102上的两个角锥棱镜5和6，经5和6反向后进入直角棱镜7，两束光在直角棱镜7斜边面的入射及出射位置完全对称并重合，两测量光束经7平移并反向后，分别经6和5再次反向返回固定单元101，并经分光棱镜8和9反射变向，两束反射光分别经分束器10和11分束后各自形成两束光，一束分别直接由光电探测器12和13接收，另一束分别经透镜14和15聚焦后由光电探测器16和17接收。光电探测器12、13、16、17产生的光电流信号经信号处理电路18采集并处理后传送到处理终端19，处理终端19实现与信号处理电路的信息交互、计算光斑位置变化、激光光漂以及滚转角值，并在交互界面显示测量结果。

当移动单元102发生γ角度的滚转时，设角锥棱镜5和6发生的y轴方向位移分别为δy₁和δy₂，对应光电探测器13和12上光斑的y轴方向位移分别是Δy₂和Δy₁，由角锥棱镜和直角棱镜的几何光学特性以及光路结构可知

Δy₁＝2(δy₁-δy₂)，Δy₂＝2(δy₂-δy₁)   (2)

通过差分运算可以得到

Δy₂-Δy₁＝4(δy₂-δy₁)   (3)

因此滚转角可以表示为

γ≈(δy₂-δy₁)/d＝(Δy₂-Δy₁)/4d   (4)

在实际测量中，由于环境因素的影响，激光光线会产生漂移，光电探测器上光斑位置发生相应变化，从而影响滚转角测量。如图2所示，测量光路采用了差分测量结构，并且两束测量光束在固定单元101和移动单元102之间的路径完全重合，因此，激光器和机械装置产生的角漂以及所有因素产生的平漂基本可以完全消除。但是，由于两束测量光在固定单元101和移动单元102之间的传播方向相反，受空气扰动引起的激光光线角度漂移在光路中发生的位置不同，光线角度漂移对两束测量光在探测器上光斑位置的影响也不相同，采用共路差分测量也无法消除。

如图2所示滚转角测量光路及原理，由于滚转角测量只和测量光束在光电探测器上光斑y轴方向位移有关，因此以下所讨论的激光光线角度漂移仅指投射在YOZ面内的角度漂移。设分光棱镜8、9间的光路距离为L，分光棱镜8、9与光电探测器12、13间距离分别为D₁和D₂。若外界扰动使测量光束在固定单元101与移动单元102之间光路中任意位置发生了的角度漂移，设此处与分光棱镜8的距离为x。由角锥棱镜和直角棱镜的几何光学特性以及光路结构，两束测量光束分别经移动单元102返回固定单元101时，光漂角度大小相等，方向相反。由此可以得到两束测量光在光电探测器12和13上产生的光斑位移分别是

角度漂移所引起的光电探测器12和13上的光斑位移差是

因此，考虑激光光线角度漂移后，由式(4)，滚转角可表示为

由式(7)可以看出，虽然激光光线角度漂移的影响没有通过差分测量得到消除，但是，通过本发明所述光路设计实现的双光束全共路结构，激光光线角度漂移对测量的影响不再同角漂发生位置相关，而这正是激光光线角度漂移补偿的一个关键。由于光路中各元件位置参数很容易获得，只要能够共路测得激光光线角度漂移量，就可以通过补偿完全消除激光漂移的影响。

设测量光束在移动单元102与固定单元101之间光路产生了激光光线角度漂移，并考虑固定单元101中激光器自身及机械装置引起的光线角度漂移θ，则经透镜14、15两束测量光分别聚焦于光电探测器16、17上的光点发生的相应位移为Δy₃和Δy₄，设透镜焦距为f，则应有

通过差分运算可以得到

则引起测量误差的角度漂移为

结合式(7)，滚转角测量公式为

$\mathrm{\γ}\≈\frac{({\mathrm{\Δy}}_2-{\mathrm{\Δy}}_1)+(L+D_1+D_2)({\mathrm{\Δy}}_3-{\mathrm{\Δy}}_4)/2f}{4d}---\left(11\right)$

信号处理电路18将各光电探测器上的光斑位置信息传送给处理终端19后，处理终端19按式(11)运算，便可实现激光光线漂移完全补偿的滚转角测量。

基于同样的滚转角测量或光漂补偿原理，可实现本发明所述测量方法的实施方式还有其他多种变形。

如上述单向变向器，除可以采用分束器以外，还可以采用偏振分光棱镜与四分之一波片组合，如图3所示的实现本发明所述测量方法的第二种实施方式；或者采用偏振分光棱镜与二分之一波片组合，如图4所示的实现本发明所述测量方法的第三种实施方式。后两种实施方式增加了光学元件，但光能量损失较少，其测量滚转角及补偿激光光线漂移的方法和效果相同。

实现本发明所述测量方法的第二种实施方式中，四分之一波片的位置可以在固定单元101和移动单元102之间的其他位置，只要保证每束测量光均能两次通过。

实现本发明所述测量方法的第三种实施方式中，二分之一波片的位置可以在固定单元101和移动单元102之间的其他位置，只要保证每束测量光均只通过一次。

Claims (5)

1.一种滚转角测量方法，包括以下步骤：

①激光器发出的激光经准直后出射；

②所述准直光束经五角分光棱镜后产生出射方向互相垂直的透射光和反射光；

③所述的透射光为测量光束1；所述的反射光经五角棱镜后出射方向改变90度，形成与测量光束1平行并且出射方向一致的测量光束2；

④所述测量光束1和测量光束2沿待测滚转角转轴方向，分别对应入射到作为滚转角敏感元件的逆向反射器1和逆向反射器2上，各自形成与入射光方向平行的逆向反射光；

⑤所述两束逆向反射光分别经同一个光学结构发生平移并且反向，其中，对于上述光学结构，光束1的入射点与光束2的出射点重合，光束1的出射点与光束2的入射点重合；

⑥所述平移且反向的光束1和光束2，分别对应入射到逆向反射器2和逆向反射器1上，再次逆向反射，至此，两束测量光1和2的路径完全重合，但传输光路互逆；

⑦所述测量光束1和测量光束2分别经单向变向器1和单向变向器2改变方向，并入射到光电探测器1和光电探测器2，当发生待测滚转时，两束测量光在两个光电探测器上的光斑位置发生变化，光电探测器输出的光电信号经过信号处理电路后，送入处理终端获得包含激光光线漂移误差的待测滚转角值；

⑧所述测量光束1和光束2到达光电探测器1和光电探测器2之前，分别经分束器1和分束器2分束，所分出光束分别经透镜1和透镜2聚焦于光电探测器3和光电探测器4，当激光光束发生角度漂移时，光电探测器上的聚焦光点位置发生变化，探测器输出的光电信号经过信号处理电路后，送入处理终端运算获得激光光线角度漂移量；

⑨处理终端运算获得并显示实现激光光线漂移完全补偿的滚转角值。

2.一种实现权利要求1所述滚转角测量方法的测量装置，包括：激光器(1)、准直透镜(2)、五角分光棱镜(3)、五角棱镜(4)、逆向反射器(5)和(6)、光束平移且反向装置(7)、单向变向器(8)和(9)、分束器(10)和(11)、聚焦透镜(14)和(15)、光电探测器(12)、(13)、(16)、(17)、信号处理电路(18)和处理终端(19)。其特征在于：所述激光器(1)、所述准直透镜(2)和所述五角分光棱镜(3)沿平行于滚转轴的光线传播方向依序排列；所述五角棱镜(4)和所述五角分光棱镜(3)排列方向垂直于滚转轴方向，经两棱镜出射的两束测量光平行且同向；所述五角分光棱镜(3)、逆向反射器(5)、光束平移且反向装置(7)、逆向反射器(6)、单向变向器(9)、分束器(11)沿其中一束测量光传播方向依序排列；所述五角棱镜(4)、逆向反射器(6)、光束平移且反向装置(7)、逆向反射器(5)、单向变向器(8)、分束器(10)沿另一束测量光传播方向依序排列；所述逆向反射器(5)和(6)排列方向平行于五角分光棱镜(3)和五角棱镜(4)的排列方向；所述光束平移且反向装置(7)使所述两个逆向反射器(5)和(6)出射的两束测量光实现路径重合，传输光路互逆；所述单向变向器(8)和(9)使两束测量光改变方向，分别经所述分束器(10)和(11)各自分为两束，射向所述四个光电探测器；所述光电探测器(12)和(13)分别直接接收两束测量光束，所述光电探测器(16)和(17)分别位于所述聚焦透镜(14)和(15)的焦平面处接收另两束测量光束；所述信号处理电路(18)用于采集处理光电探测器输出信号，并传输给处理终端(19)；所述处理终端(19)运算获得待测滚转角值并显示。

3.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述的逆向反射器(3)是直角反射镜或角锥棱镜或猫眼系统。

4.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述光束平移且反向装置可以是直角棱镜、一对五角棱镜或者一对反射面相互垂直的平面镜。

5.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述单向变向器可以是分束器、偏振分光棱镜与四分之一波片组合或者偏振分光棱镜与二分之一波片组合。