CN105444698A - 基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置及方法，包括双频激光器，双频激光器的光轴后设置有分光片，分光片的反射光路中依次设置有第一偏振片和第一光电探测器，分光片的透射光路依次设置有1/4波片、1/2波片和高反镜，高反镜将首次通过1/2波片的光束反射，使其再次通过1/2波片，1/2波片后依次设置有接收第二次通过1/2波片光束的第二偏振片和第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器均连接相位计，相位计连接计算机，本发明不仅利用了1/2波片与高反镜配合使用时对偏振光作用的可叠加性，还利用了倾斜高反镜对偏振光的调制作用，增大了测量系统的放大倍数，提高了滚转角测量的分辨率。

Description

基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法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，具体涉及一种基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置及方法。

【背景技术】

滚转角误差作为高档机床几何误差的重要部分，其精度是衡量机床性能与加工精度的重要参考指标之一，它的测量技术水平是高档机床进行误差补偿进而实现高精度加工的前提和基础。

机械导轨运动副一般存在三个方向的角度误差，即俯仰角误差、偏摆角误差和滚转角误差。其中，俯仰角和偏转角误差可通过高精度激光干涉仪进行测量，测量技术已经成熟并能达到很高的精度；对于滚转角误差，由于其误差方向与测量光束方向垂直，无法引入额外的光程差，因而滚转角的测量相对困难，目前国内外还处于一种研究和探索阶段。

当前，国内外对滚转角的测量方法主要有以重力方向为基准的电子水平仪测量方法，基于位置探测元件的准直激光法以及偏振法。其中电子水平仪测量方法主要受限于其测量精度和测量速度，且无法测量竖直轴的滚转角误差，同时针对多维测量系统的开发研究，很难与其它方向的误差测量系统相融合；基于位置探测元件的准直激光法的测量精度受到位置探测元件的精度限制而无法进一步提高，且对光路的调节要求高，容易受到探测元件俯仰、偏摆等位置误差的影响。目前基于相位的激光外差干涉法由于其测量精度较高，噪声抑制能力强而应用较广。

公开号为CN1335483A的专利在偏振相位法的基础上，利用1/2波片将原有方法灵敏度在非线性增强的基础上再提高4倍。公开号为CN102654392A和CN102818541A的专利，在前述专利基础上将多次反射法融入偏振光的滚转角测量中，较大程度地提高了其测量分辨率。但是上述方法的光学器件较多，结构复杂且调节困难，在实际应用中，其测量精度也难以保证。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置及方法，其不仅结构简单，而且能够很大程度的提高测量精度和灵敏度。

为了达到上述目的，本发明基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置，包括双频激光器，双频激光器的光轴后设置有分光片，分光片的反射光路中依次设置有第一偏振片和第一光电探测器，分光片的透射光路依次设置有1/4波片、1/2波片和高反镜，高反镜将通过1/2波片的光束反射，使其再次通过1/2波片，1/2波片后依次设置有接收第二次通过1/2波片光束的第二偏振片和第二光电探测器，第一光电探测器和第二光电探测器均连接相位计，相位计连接计算机。

所述高反镜包括第一高反镜和第二高反镜，第一高反镜和第二高反镜垂直布置，能够将1/2波片的出射光线反射回1/2波片。

所述高反镜包括第一高反镜和第二高反镜，第一高反镜和第二高反镜倾斜设置，其中第一高反镜的入射角为o₁，第二折叠高反镜的入射角为o₂，o₁+o₂＝90°。

基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，双频激光器发出的光束经过分光片后，被分成反射光和透射光，其中反射光经第一检偏器后被第一光电探测器接收，作为参考信号；

步骤二，由分光片出射的透射光先经过1/4波片和1/2波片后，通过高反镜进行反射，高反镜的反射光再次经过1/2波片后，经过第二检偏器，最后被第二光电探测器接收，作为测量信号；

步骤三，参考信号与测量信号通过相位计10鉴相，将数据传递给计算机11，计算机11根据两信号相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出1/2波片的角误差即被测滚转角Δα。

所述步骤二中，由分光片出射的透射光先经过1/4波片和1/2波片后，达到第一高反镜，经反射后到达第二高反镜，第二高反镜的反射光再次经过1/2波片。

所述步骤三中，滚转角Δα的测量计算公式为：其中，Δψ为滚转角Δα引起的参考信号与测量信号的相位差变化，K_α(max)为测量系统的放大倍数。

与现有技术相比，本发明不仅利用了1/2波片与高反镜配合使用时对偏振光作用的可叠加性，还利用了倾斜高反镜对偏振光的调制作用，增大了测量系统的放大倍数，提高了滚转角测量的分辨率，本发明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，其广泛应用可较大的推动机床制造等工业的发展。

【附图说明】

图1为本发明光路结构俯视图及其组成；

图2为本发明的光路结构图；

其中，1、双频激光器，2、分光片，3、第一偏振片，4、第一光电探测器，5、1/4波片，6、1/2波片，7a、第一高反镜，7b、第二高反镜，8、第二偏振片，9、第二光电探测器，10、相位计，11、计算机。

【具体实施方式】

参见图1和图2，基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置，包括双频激光器1，双频激光器1的光轴后设置有分光片2，分光片2的反射光路中依次设置有第一偏振片3和第一光电探测器4，分光片2的透射光路依次设置有1/4波片5、1/2波片6和高反镜，高反镜将首次通过1/2波片6的光束反射，使其再次通过1/2波片6，1/2波片6后依次设置有接收第二次通过1/2波片6光束的第二偏振片8和第二光电探测器9，第一光电探测器4和第二光电探测器9均连接相位计10，相位计10连接计算机11。

优选的，高反镜包括第一高反镜7a和第二高反镜7b，第一高反镜7a和第二高反镜7b垂直布置，能够将1/2波片6的出射光线反射回1/2波片6。

优选的，高反镜包括第一高反镜7a和第二高反镜7b，第一高反镜7a和第二高反镜7b倾斜设置，其中第一高反镜7a的入射角为o₁，第二折叠高反镜7b的入射角为o₂，o₁+o₂＝90°。

基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，双频激光器1发出的光束经过分光片2后，被分成反射光和透射光，其中反射光经第一检偏器3后被第一光电探测器4接收，作为参考信号；

步骤二，由分光片2出射的透射光先经过1/4波片5和1/2波片6后，达到第一高反镜7a，经反射后到达第二高反镜7b，高反镜的反射光再次经过1/2波片6后，经过第二检偏器8，最后被第二光电探测器9接收，作为测量信号；

步骤三，参考信号与测量信号通过相位计10鉴相，将数据传递给计算机11，计算机11根据两信号相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出1/2波片6的角误差即被测滚转角Δα，滚转角Δα的测量计算公式为：其中，Δψ为滚转角Δα引起的参考信号与测量信号的相位差变化，K_α(max)为测量系统的放大倍数。

相位差变化量与滚转角的数学表达式的推导如下：

如图1所示，设双频激光器1出射的正交偏正电矢量分别为E₁和E₂，并分别以两矢量方向x轴、y轴，光线传播方向为z轴建立坐标系；1/4波片的F(快轴)与x轴夹角为θ；1/2波片6的F轴与x轴夹角为α；第一高反镜7a的入射角为o₁,第二高反镜7b的入射角为o₂，由于两高反镜互相垂直，则有o₁+o₂＝90°；第一偏振片3与第二偏振片8与x轴的夹角为β，则可用琼斯矩阵表示测量信号如下：

E_m＝PH(-α)M₂M₁H(α)QE₀(1)

其中，P为第二偏振片8的琼斯矩阵；M₂表示第二高反镜7b的琼斯矩阵；M₁表示第一高反镜7a的琼斯矩阵；H表示1/2波片6的琼斯矩阵；Q为1/4波片5的琼斯矩阵；E₀为光束的琼斯向量表示。它们分别为：

其中，r_jp、r_js分别为光经过第j高反镜反射后p分量与s分量的幅值变化比，δ_jp、δ_js为光经过第j高反镜反射后p分量与s分量的相位变化量，都与第j高反镜的入射角有关。

将以上表达式代入式(1)，可得测量信号的交流分量：

在式(2)中，k_m是测量信号的光强值；ψ为1/2波片6发生滚转引起的相位变化，其表达式为：

ψ＝tan^-1(p₁/q₁)-tan^-1(p₂/q₂)(3)

其中：

p₁＝r_1pr_2pcos(2α+β)[cosθcos(2α-θ)sin(δ_1p+δ_2p)-sinθsin(2α-θ)cos(δ_1p+δ_2p)]

+r_1sr_2ssin(2α+β)[-cosθsin(2α-θ)sin(δ_1s+δ_2s)-sinθcos(2α-θ)cos(δ_1s+δ_2s)]

q₁＝r_1pr_2pcos(2α+β)[cosθcos(2α-θ)cos(δ_1p+δ_2p)+sinθsin(2α-θ)sin(δ_1p+δ_2p)]

+r_1sr_2ssin(2α+β)[-cosθsin(2α-θ)cos(δ_1s+δ_2s)+sinθcos(2α-θ)sin(δ_1s+δ_2s)]

p₂＝r_1pr_2pcos(2α+β)[sinθcos(2α-θ)sin(δ_1p+δ_2p)+cosθsin(2α-θ)cos(δ_1p+δ_2p)]

+r_1sr_2ssin(2α+β)[-sinθsin(2α-θ)sin(δ_1s+δ_2s)+cosθcos(2α-θ)cos(δ_1s+δ_2s)]

q₂＝r_1pr_2pcos(2α+β)[sinθcos(2α-θ)cos(δ_1p+δ_2p)-cosθsin(2α-θ)sin(δ_1p+δ_2p)]

+r_1sr_2ssin(2α+β)[-sinθsin(2α-θ)cos(δ_1s+δ_2s)-cosθcos(2α-θ)sin(δ_1s+δ_2s)]

参考信号的交流分量可表示为：

其中，k_r为参考信号光强值。

由(2)和(4)式可得出测量信号和参考信号的相位差为ψ。

定义K_α为测量系统放大倍数，由(3)式得：

K_α＝dψ/dα＝m₁/n₁-m₂/n₂(5)

其中

m₁＝r[cos2θsin(2(2α-θ))sinδ-sin2θcosδ]+rsin(2(2α+β))sinδ

-sin2θ[r²cos²(2α+β)+sin²(2α+β)]

n₁＝r²cos²(2α+β)[cos²θcos²(2α-θ)+sin²θsin²(2α-θ)]

+sin²(2α+β)[cos²θsin²(2α-θ)+sin²θcos²(2α-θ)]

+rsin(2α+β)cos(2α+β)[-cos2θsin(2(2α-θ))cosδ-sin2θsinδ]

m₂＝r[-cos2θsin(2(2α-θ))sinδ+sin2θcosδ]+rsin(2(2α+β))sinδ

+sin2θ[r²cos²(2α+β)+sin²(2α+β)]

n₂＝r²cos²(2α+β)[sin²θcos²(2α-θ)+cos²θsin²(2α-θ)]

+sin²(2α+β)[sin²θsin²(2α-θ)+cos²θcos²(2α-θ)]

+rsin(2α+β)cos(2α+β)[cos2θsin(2(2α-θ))cosδ+sin2θsinδ]

r＝(r_1p·r_2p)/(r_1s·r_2s)

δ＝(δ_1p+δ_2p)-(δ_1s+δ_2s)

由式(5)可知，K_α在α特定值处可取得极大值K_α(max)，并且在该α值附近较小的范围内可将非线性近似为线性区，此时有：

Δψ＝K_α(max)·Δα(6)

Δα即滚转角的微小变化量，由传感元件1/2波片6的滚转引起，为被测量；Δψ为参考信号与测量信号的相位差变化量。

因此，由式(6)得滚转角Δα的测量计算公式为：

由MATLAB仿真得K_α(max)大小与1/4波片与x轴夹角θ以及第一高反镜7a的入射角o₁有关，并计算得出当1/4波片与x轴夹角θ＝2°时，K_α(max)在第一高反镜入射角o₁＝36°时达到最大值720。此时，若相位计分辨率为0.01°，则该方法可测得的滚转角分辨率为0.05″，正负号通过系统标定来确定。

综上所述，本发明利用1/2波片配合倾斜折叠高反镜使用时对偏振光作用的可叠加性，以及倾斜折叠高反镜对光偏振态的调制作用，增大了测量系统的放大倍数，提高了滚转角测量的分辨率。该发明方法和装置具有高的角分辨率，同时，与现有滚转角测量方法相比，系统的器件少、结构简单，安装调试更方便。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可靠的检测方法和技术。

本发明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，其广泛应用可较大的推动机床制造等工业的发展。

Claims (6)

1.基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置，其特征在于，包括双频激光器(1)，双频激光器(1)的光轴后设置有分光片(2)，分光片(2)的反射光路中依次设置有第一偏振片(3)和第一光电探测器(4)，分光片(2)的透射光路依次设置有1/4波片(5)、1/2波片(6)和高反镜，高反镜将首次通过1/2波片(6)的光束反射，使其再次通过1/2波片(6)，1/2波片(6)后依次设置有接收第二次通过1/2波片(6)光束的第二偏振片(8)和第二光电探测器(9)，第一光电探测器(4)和第二光电探测器(9)均连接相位计(10)，相位计(10)连接计算机(11)。

2.根据权利要求1所述的基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置，其特征在于，所述高反镜包括第一高反镜(7a)和第二高反镜(7b)，第一高反镜(7a)和第二高反镜(7b)垂直布置，能够将1/2波片(6)的出射光线反射回1/2波片(6)。

3.根据权利要求1所述的基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置，其特征在于，所述高反镜包括第一高反镜(7a)和第二高反镜(7b)，第一高反镜(7a)和第二高反镜(7b)倾斜设置，其中第一高反镜(7a)的入射角为o₁，第二折叠高反镜(7b)的入射角为o₂，o₁+o₂＝90°。

4.基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，双频激光器(1)发出的光束经过分光片(2)后，被分成反射光和透射光，其中反射光经第一检偏器(3)后被第一光电探测器(4)接收，作为参考信号；

步骤二，由分光片(2)出射的透射光先经过1/4波片(5)和1/2波片(6)后，通过高反镜进行反射，高反镜的反射光再次经过1/2波片(6)后，经过第二检偏器(8)，最后被第二光电探测器(9)接收，作为测量信号；

步骤三，参考信号与测量信号通过相位计(10)鉴相，将数据传递给计算机(11)，计算机(11)根据两信号相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出1/2波片(6)的角误差即被测滚转角Δα。

5.根据权利要求4所述的基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤二中，由分光片(2)出射的透射光先经过1/4波片(5)和1/2波片(6)后，达到第一高反镜(7a)，经反射后到达第二高反镜(7b)，第二高反镜(7b)的反射光再次经过1/2波片(6)。

6.根据权利要求4所述的基于倾斜折叠高反镜的外差干涉法滚转角测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤三中，滚转角Δα的测量计算公式为：其中，Δψ为滚转角Δα引起的参考信号与测量信号的相位差变化，K_α(max)为测量系统的放大倍数。