CN108168466B - 一种大范围及高精度的滚转角测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于滚转角的光电测量领域，具体公开了一种大范围及高精度的滚转角测量装置，包括双频激光器、分光棱镜、相位计和计算机；双频激光器的光轴前端设置分光棱镜，分光棱镜的反射光轴上依次设置有第一偏振片和第一光电探测器；分光棱镜的透射光轴上依次设置四分之一波片和消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜透射光轴方向依次设置后向棱镜反射镜、二分之一波片和四角锥反射器；四角锥反射器一侧设置有平面反射镜；消偏振分光棱镜反射方向设置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与相位计连接，相位计连接计算机。本发明测量装置使相位差和二分之一波片的滚转成线性关系，提高了滚转角测量范围，体积小；测量精度高。

Description

一种大范围及高精度的滚转角测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于滚转角的光电测量领域，尤其涉及一种大范围及高精度的滚转角测量装置。

背景技术

高精度导轨在数控机床、三坐标机以及精密测试领域占据重要地位，滚转角误差作为高精度导轨几何误差的重要部分，其精度是衡量精密导轨性能的重要参考指标之一，它的测量技术水平是精密导轨进行验收检验及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；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。而以激光偏振方向为基准的偏振法是目前滚转角测量中研究的热点。

现有测量方法将多次反射法融入基于相位的偏振光的滚转角测量中，较大程度地提高了其测量分辨率。但是上述方法的测量范围较小，仅能对几度以内的滚转角进行测量，难以满足大范围滚转角误差的测量，另外的，多次反射法中多次通过二分之一波片的光束在二分之一波片上同一方向分布，使得测量装置体积过大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种大范围及高精度的滚转角测量装置，其不仅结构简单，而且能够测量360度范围的滚转误差。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种大范围及高精度的滚转角测量装置，其特征在于，包括双频激光器、分光棱镜、相位计和计算机；双频激光器的光轴前端设置分光棱镜，分光棱镜的反射光轴上依次设置有第一偏振片和第一光电探测器；分光棱镜的透射光轴上依次设置四分之一波片和消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜的透射光轴方向依次设置后向棱镜反射镜、二分之一波片和四角锥反射器；四角锥反射器一侧设置有用于将光反射并从原路返回至消偏振分光棱镜的平面反射镜；消偏振分光棱镜的从平面反射镜反射后光的反射方向设置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分别与相位计连接，相位计连接计算机；所述后向棱镜反射镜包括两个相互垂直设置的镀介质膜反射镜，其中一个反射镜上设置有用于光通过和返回的通孔；穿过后向棱镜反射镜通孔的光线与后向棱镜反射镜的两个反射镜面均呈45度夹角。

所述四分之一波片的快轴设置在与双频激光器出射的两束正交双频激光的偏振方向均呈45度夹角方向。

所述四角锥反射器的内部为四个镀介质膜的反射镜，不相邻的两个反射镜镜面相互垂直。

所述分光棱镜的反射光与透射光比值范围为(10:90)-(5:95)。

一种测量方法，包括：

步骤1)，双频激光器发出的光束经过分光棱镜后分为两束，反射光经过第一偏振片，被第一光电探测器接收，作为参考信号；

步骤2)，分光棱镜的透射光束经过四分之一波片，再经过消偏振分光棱镜，作为测量光束，测量光束经过后向棱镜反射镜的通孔，经过二分之一波片的右侧，后由四角锥反射器反射，由左侧再次通过二分之一波片，由后向棱镜反射镜反射通过二分之一波片的上侧，再次经四角锥反射器反射通过二分之一波片的下侧，此过程为光束通过二分之一波片一个周期，之后，光束再次由后向棱镜反射镜反射通过二分之一波片的右侧，以此类推；

步骤3)，测量光束在后向棱镜反射镜和四角锥反射器之间相互反射N个周期通过二分之一波片，直至测量光到达平面反射镜，之后，光路原路返回，由后向棱镜反射镜的通孔返回消偏振分光棱镜，测量光的反射光经过第二偏振片，被第二光电探测器接收，作为参考信号；

步骤4)，参考信号和测量信号经过相位计得到相位差，并将数据传递给计算机，计算机根据相位差变化量与滚转角之间的关系式计算出二分之一波片的角误差即被测滚转角Δθ。

所述滚转角Δθ的测量计算公式为：其中，Δψ为滚转角Δθ引起的相位差变化；N由四角锥反射器决定，为常数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明大范围及高精度的滚转角测量装置，利用后向棱镜反射镜配合四角锥反射器使用时使光束多次通过二分之一波片，并且通过四分之一波片的设置，使相位差和二分之一波片的滚转在360度内成线性关系，提高了滚转角测量的范围。本发明装置仅通过后向棱镜反射镜和四角锥反射器就能实现多次滚转，并且使通过二分之一波片的光束集在空间分布，体积小；多次通过二分之一波片可以增大测量系统增益系数，提高测量精度；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精密制造技术的发展。

进一步地，本发明的四分之一波片的快轴设置在与双频激光器出射的两束正交双频激光的偏振方向均呈45度夹角方向，使通过四分之一波片的光成圆偏振光，最终的相位差与二分之一波片的滚转成线性关系，提高系统测量范围。

进一步地，本发明的四角锥反射器的内部为四个镀介质膜的反射镜，不相邻的两个反射镜镜面相互垂直；使得四角锥反射器的入射光和反射光平行，测量更精确。

进一步地，本发明的分光棱镜的反射光与透射光比值范围为(10:90)-(5:95)，使得测量光强较大，测量结果更稳定。

进一步地，本发明还公开了一种该测量装置的测量方法，根据各个被测位置的结果，能够精准的得出被测滚转角，并且该方法测滚转角，测量范围大，测量精度高。

附图说明

图1为本发明的光路组成结构示意图；

图2为本发明的光在后向棱镜反射镜、二分之一波片和四角锥反射器之间的位置示意图；

图3为本发明图1中的结构平面放置示意图；

图4为本发明图3中后向棱镜反射镜、二分之一波片和四角锥反射器右视示意图；

图5为本发明后向棱镜反射镜z轴方向所见结构右视示意图；

图6为本发明二分之一波片z轴方向所见结构右视示意图；

图7为本发明四角锥反射器z轴方向所见结构右视示意图。

图中：1、双频激光器，2、分光棱镜，3、第一偏振片，4、第一光电探测器，5、四分之一波片，6、消偏振分光棱镜,7、后向棱镜反射镜，8、二分之一波片，9、四角锥反射器，10、平面反射镜，11、第二偏振片，12、第二光电探测器，13、相位计，14、计算机，A点为后向棱镜反射镜两反射面交线中点；B点为后向棱镜反射镜的通孔；C点为四角锥反射器顶点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

如图1-7所示，一种大范围及高精度的滚转角测量装置，其特征在于，包括双频激光器1、分光棱镜2、相位计13和计算机14；双频激光器1的光轴前端设置分光棱镜2，分光棱镜2的反射光轴上依次设置有第一偏振片3和第一光电探测器4；分光棱镜2的透射光轴上依次设置四分之一波片5和消偏振分光棱镜6；消偏振分光棱镜6的透射光轴方向依次设置后向棱镜反射镜7、二分之一波片8和四角锥反射器9；四角锥反射器9一侧设置有用于将光反射并从原路返回至消偏振分光棱镜6的平面反射镜10；消偏振分光棱镜6的从平面反射镜10反射后光的反射方向设置第二偏振片11和第二光电探测器12；第一光电探测器4和第二光电探测器12分别与相位计13连接，相位计13连接计算机14；所述后向棱镜反射镜7包括两个相互垂直设置的镀介质膜反射镜，其中一个反射镜上设置有用于光通过和返回的通孔；穿过后向棱镜反射镜7通孔的光线与后向棱镜反射镜7的两个反射镜面均呈45度夹角。

所述四分之一波片5的快轴设置在与双频激光器1出射的两束正交双频激光的偏振方向均呈45度夹角方向。

所述四角锥反射器9的内部为四个镀介质膜的反射镜，不相邻的两个反射镜镜面相互垂直。

所述分光棱镜2的反射光与透射光比值范围为(10:90)-(5:95)。

一种大范围及高精度的滚转角测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

步骤1)，双频激光器1发出的光束经过分光棱镜2后分为两束，反射光经过第一偏振片3，被第一光电探测器4接收，作为参考信号；

步骤2)，分光棱镜2的透射光束经过四分之一波片5，再经过消偏振分光棱镜6，作为测量光束，测量光束经过后向棱镜反射镜7的通孔，经过二分之一波片8的右侧(图2中光束1)，后由四角锥反射器9反射，由左侧再次通过二分之一波片8(图2中光束2)，由后向棱镜反射镜7反射通过二分之一波片的上侧(图2中光束3)，再次经四角锥反射器9反射通过二分之一波片8的下侧(图2中光束4)，此过程为光束通过二分之一波片8一个周期，之后，光束再次由后向棱镜反射镜7反射通过二分之一波片的右侧，以此类推；

步骤3)，测量光束在后向棱镜反射镜7和四角锥反射器9之间相互反射N个周期通过二分之一波片8(图1和图2中均为N＝2)，直至测量光到达平面反射镜10，之后，光路原路返回，由后向棱镜反射镜7的通孔返回消偏振分光棱镜6，测量光的反射光经过第二偏振片11，被第二光电探测器接收12，作为参考信号；

步骤4)，参考信号和测量信号经过相位计13得到相位差，并将数据传递给计算机14，计算机14根据相位差变化量与滚转角之间的关系式计算出二分之一波片8的角误差即被测滚转角Δθ。

滚转角Δθ的测量计算公式为：其中，Δψ为滚转角Δθ引起的相位差变化；N由四角锥反射器9决定，为常数。

其相位差变化与滚转角的数学表达式的推导如下：

设双频激光器1出射的正交双频激光偏振方向为x轴和y轴，光线传播方向为z轴建立坐标系；四分之一波片5的快轴与x轴夹角为45度；且令光束往返经过二分之一波片2的周期数为N，第一偏振片和第二偏振片的透光轴均与x轴成45度，则可用琼斯矩阵表示从参考光束如下：

E_m＝PH_4N+1(α)H_4N(-α)…H₁(-α)H₁(α)QE₀ (1)

其中，P为第二偏振片11的琼斯矩阵；H表示二分之一波片8的琼斯矩阵；Q为四分之一波片5的琼斯矩阵；E₀为双频激光器出射光束的琼斯向量表示。它们分别为：

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为二分之一波片8发生滚转引起的相位变化，其表达式为：

ψ＝4(4N+1)α (3)

其中，N为测量光束通过二分之一波片的周期数。

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。

由式(3)可知，相位差与滚转角成线性关系，其增益系数为4(4N+1)

因此，滚转角Δα的测量计算公式为：

式(5)表明，通过二分之一波片的周期数N越大，角增益越大，滚转角测量分辨能力越强。若N＝6，则角增益为4(4N+1)＝100，若相位计的分辨率为0.01度，则该方法可测得的角分辨率为0.36″，测量范围可达到360度。

综上所述，本发明利用特殊反射器配合四角锥反射器使用时使光束多次通过二分之一波片，并且设置四分之一波片的角度，使相位差和二分之一波片的滚转在360度内成线性关系，提高了滚转角测量的范围，通过后向棱镜反射镜和四角锥反射器就能实现多次滚转，并且使通过二分之一波片的光束集在空间分布，体积小。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。

四角锥反射器9的幅面大小与N的取值的关系如下：如图4-7所示，假设光斑半径为r＝1mm；四角锥反射器9的顶点C与后向棱镜反射镜7两反射面交线中点A在y轴上投影的距离v＝2mm，那么测量光束在四角锥反射器同侧反射面上相邻光束中心的间距为k＝2v＝4mm；四角锥反射器9顶点C到后向棱镜反射镜7两反射面交线中点A的距离在x方向上的投影为h＝5mm。若取N＝6，则要求四角锥反射器9顶点在到x方向底边的距离在x方向的长度为(N-1)k+h+r＝26mm＜L≤Nk+h-r＝28mm。

对应图上坐标系和图上所示，后向棱镜反射镜7两反射面交线中点也是光束在后向棱镜反射镜7反射点的两条直线所交的十字的中心；k为两条相邻光束在与z轴垂直平面上的投影的距离。

图4的视图视角为z轴负方向，z轴正方向为双频激光器1出射的方向，图4主要描述了从z轴负方向观测，后向棱镜反射镜、二分之一波片和四角锥反射器三个元件的位置关系。

后向棱镜反射镜7的反射面积要求能接受到所有从四角锥反射器反射回来的光束，光束能够从后向棱镜反射镜的通孔B入射到二分之一波片、四角锥反射器；也能够从后向棱镜反射镜的通孔B射出，射出后最终被第二光电探测器12接收。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大范围及高精度的滚转角测量装置，其特征在于，包括双频激光器(1)、分光棱镜(2)、相位计(13)和计算机(14)；双频激光器(1)的光轴前端设置分光棱镜(2)，分光棱镜(2)的反射光轴上依次设置有第一偏振片(3)和第一光电探测器(4)；分光棱镜(2)的透射光轴上依次设置四分之一波片(5)和消偏振分光棱镜(6)；消偏振分光棱镜(6)的透射光轴方向依次设置后向棱镜反射镜(7)、二分之一波片(8)和四角锥反射器(9)；四角锥反射器(9)一侧设置有用于将光反射并从原路返回至消偏振分光棱镜(6)的平面反射镜(10)；消偏振分光棱镜(6)的从平面反射镜(10)反射后光的反射方向设置第二偏振片(11)和第二光电探测器(12)；第一光电探测器(4)和第二光电探测器(12)分别与相位计(13)连接，相位计(13)连接计算机(14)；所述后向棱镜反射镜(7)包括两个相互垂直设置的镀介质膜反射镜，其中一个反射镜上设置有用于光通过和返回的通孔；穿过后向棱镜反射镜(7)通孔的光线与后向棱镜反射镜(7)的两个反射镜面均呈45度夹角。

2.根据权利要求1所述的大范围及高精度的滚转角测量装置，其特征在于，所述四分之一波片(5)的快轴设置在与双频激光器(1)出射的两束正交双频激光的偏振方向均呈45度夹角方向。

3.根据权利要求1所述的大范围及高精度的滚转角测量装置，其特征在于，所述四角锥反射器(9)的内部为四个镀介质膜的反射镜，不相邻的两个反射镜镜面相互垂直。

4.根据权利要求1所述的大范围及高精度的滚转角测量装置，其特征在于，所述分光棱镜(2)的反射光与透射光比值范围为(10:90)-(5:95)。

5.一种基于权利要求1-4任意一项所述的大范围及高精度的滚转角测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

步骤1)，双频激光器(1)发出的光束经过分光棱镜(2)后分为两束，反射光经过第一偏振片(3)，被第一光电探测器(4)接收，作为参考信号；

步骤2)，分光棱镜(2)的透射光束经过四分之一波片(5)，再经过消偏振分光棱镜(6)，作为测量光束，测量光束经过后向棱镜反射镜(7)的通孔，经过二分之一波片(8)的右侧，后由四角锥反射器(9)反射，由左侧再次通过二分之一波片(8)，由后向棱镜反射镜(7)反射通过二分之一波片的上侧，再次经四角锥反射器(9)反射通过二分之一波片(8)的下侧，此过程为光束通过二分之一波片(8)一个周期，之后，光束再次由后向棱镜反射镜(7)反射通过二分之一波片(8)的右侧，以此类推；

步骤3)，测量光束在后向棱镜反射镜(7)和四角锥反射器(9)之间相互反射N个周期通过二分之一波片(8)，直至测量光到达平面反射镜(10)，之后，光路原路返回，由后向棱镜反射镜(7)的通孔返回消偏振分光棱镜(6)，测量光的反射光经过第二偏振片(11)，被第二光电探测器接收(12)，作为参考信号；

步骤4)，参考信号和测量信号经过相位计(13)得到相位差，并将数据传递给计算机(14)，计算机(14)根据相位差变化量与滚转角之间的关系式计算出二分之一波片(8)的角误差即被测滚转角Δθ。

6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，滚转角Δθ的测量计算公式为：其中，Δψ为滚转角Δθ引起的相位差变化；N由四角锥反射器(9)决定，为常数。