CN1687701A - 一种滚转角测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚转角测量方法与装置，属于光电检测技术领域。本发明利用半导体激光经过单模光纤(2)准直，准直透镜(3)扩束，再经过偏振片(4)后，在光轴上依次放置一个四分之一波片(7)及反射镜(8)。通过反射镜使光线两次透过四分之一波片，再经过一个渥拉斯顿棱镜(5)透射到多象限探测器(6)上产生电压差值，通过检测该差值得到滚转角的值。与现有技术相比，测量灵敏度得到提高，光路结构简单，使移动部分不带电缆，方便现场测量，在保证测量精度的前提下，有效降低了成本。

Description

一种滚转角测量方法与装置

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，特别涉及一种非接触式测量滚转角方法及测量装置。

背景技术

机械导轨运动副都具有三个回转自由度或称着角运动误差(俯仰、偏摆和滚转误差)。如果仪器和机床在这些角度运动误差相应的方向上有阿贝臂，这些角度运动误差就会造成阿贝误差而影响它们的加工或测量精度。目前，减小或消除阿贝误差主要从结构上缩小阿贝臂、按不莱恩建议提高导轨运动精度和误差修正，以及按爱彭斯坦原则从结构上减小或消除阿贝误差的影响。由于机械结构和几何尺寸的限制，几乎所有的三坐标测量机和机床都有阿贝臂。因此精确的测量这些角运动误差对于仪器和机床的精度评定利误差修正是非常重要。采用直角坐标系统的机床或三坐标测量机共有21项结构误差，其中18项误差可以用现成的干涉仪测量，另外3项滚转角误差是最难测量的。另外在某些工件的安装和校准中，也需要对滚转角进行测量或者定位。

对于导轨滚转角测量，有以下四种光学的方法：1.激光准直方法，John C.Tsai提出了一种利用双准直激光束的测量方法，美国专利号为：6316779B1，专利名称为：Rotation and translation measurementwith phase sensitive detection。此方法通过探测两个不同位置相对于平行激光光线位置的变化，计算得到滚转角误差，缺点是滚转角测量与其他各参数相关，且光束的平行性较难保证。2.干涉方法，1991年，Chaney提出了一种完全使用干涉的方法来测量滚转角《Optical apparatus for use with interferometricmeasuring device》美国专利号：5056921，可以获得很高的测量精度，但测量系统需要安装一块与导轨一样长的反射平面镜，在实际中较难应用。另一种干涉法是基于双频激光干涉法，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，使用起来费时费力。3.激光全息衍射法，虽然能实现滚转角测量，且方法简单，所需光学器件少，但测量精度不高，测量头有电缆连接。4.激光偏振测量法，这是目前研究较多的一种方法。清华大学蒋弘、殷纯永等在文章《Sensitivity enhanced roll angle measurement.》(Optical Engineering，2000，39(2)：516～519)中提出了一种基于横向塞曼激光器的非线性滚转角测量方法，采用四分之一波片将塞曼激光器的双频线偏振激光变成椭圆偏振光，偏振片作为敏感器件，通过检测相位变化来得到滚转角大小，可以把测量灵敏度提高数十倍。2001年，殷纯永等在中国专利号为01130893.1，专利名称为滚转角测量方法及其滚转角测量仪中提出在采用四分之一波片将塞曼激光器的双频线偏振激光变成椭圆偏振光后，采用了一个二分之一波片作为敏感器件，同时采用直角反射器使光路两次通过二分之一波片，在接收位置得到4倍的误差角，连同非线性增强作用，理论上可以得到200倍的灵敏度倍增，但该方法也是通过检测相位的方法来测量滚转角的大小。虽然上述两种方法测角分辨率得到大大提高，但造价十分昂贵，且控制电路十分复杂。2002年章恩耀等在中国专利号为02123642.9，专利名称为一种基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置的专利中公开了一种基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置，主要是利用分时调制双液晶光阀或两个半导体激光器分时产生两正交线偏振光，利用偏振片作为滚转角误差敏感器件，将滚转角误差转换为出射光的光强变化，通过计算得到滚转角误差。虽然在光路上比较简单，测量灵敏度优于2“，但需要双液品光阀或两个半导体激光器。为了克服此缺点，2005年清华大学再次提出利用分时调制磁铁石榴石，使出射偏振光分时偏转±45°，从而替代了双液晶光阀或两个半导体激光器，提高了测量范围和测量精度。但测量系统还是要采用分时调制电路，磁铁石榴石本身就比较昂贵，且测量移动头带电缆，不方便应用于现场测量。(《compact optical roll-angle sensor with large measurement range and high sensitivity》Optics letters，2005，30(3)：242-244)。

发明内容

本发明的目的是在保证测量精度的前提条件下，提出了一种基于半导体单模光纤组件的激光偏振滚转角光电检测方法及装置，在测角分辨率上达到优于1“。光路结构简单，从而降低了成本，同时将测量光探测器靠近光源，使测量移动头不带电缆，可以使结构变得更为紧凑，易于推广应用。

本发明提出的一种滚转角测量方法，包括以下步骤：

1)由半导体激光器发出的激光经过单模光纤准直、准直透镜扩束，再经过偏振片使激光变成线偏振光；

2)该线偏振光经过四分之一波片；

3)经过反射镜使光线逆向返回，再次经过四分之一波片；

4)该光线透过渥拉斯顿棱镜分成两束光；

5)最后用一个探测器探测两分束光，光强转化为电信号，该电信号经过信号处理电路放大运算后送入计算机，得到电压值正负反映滚转角方向，其电压绝对值大小反映滚转角的值。

本发明提出采用上述方法的滚转角光电检测装置，该装置包括半导体激光器、单模光纤、准直透镜、偏振片、四分之一波片、反射镜、渥拉斯顿棱镜、探测器、驱动和信号处理电路和计算机。所述的单模光纤出射端放置在准直透镜的焦点上；所述的四分之一波片快轴方向与准直偏振光方向成45°；所述的反射镜放置在测量导轨的另一端使光线逆向再次通过四分之一波片；所述的渥拉斯顿棱镜放置在激光发射端，其光轴方向与偏振激光方向成45°；所述的探测器放置在渥拉斯顿棱镜后，并使两光点分别投射在探测器不同的象限。该探测器与滚转角信号处理电路相连，经过放大运算后再送入计算机。

本发明的有益效果：

本发明采用半导体激光器可以大大减小测量系统的体积。采用反射镜使光路逆向返回，两次通过滚转角敏感器件四分之一波片，提高了滚转角测量的灵敏度，使测量灵敏度可达优于1“。同时利用一个渥拉斯顿棱镜分束，只用一个多象限探测器接收两分束光，避免使用多个探测器给系统带来误差和系统的复杂性，使结构简单、紧凑。另外采用反射镜使光路逆向返回可以使探测器与光源同在测量导轨一端，从而使测量移动部分不带电缆，结构紧凑，方便现场测量。

附图说明

图l是本发明的滚转角测量装置结构的示意图。

图中：半导体激光器1  单模光纤2  准直透镜3  偏振片4  渥拉斯顿棱镜5  探测器6  四分之一波片7  反射镜8  信号处理电路9  计算机10，101和103是测量装置的固定单元，102是测量装置的移动单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

本发明滚转角测量方法是依据以下原理实现的：

假设经过准直后的激光振幅为A_x、A_y，圆频率为ω，初相位为δ_x、δ_y，则出射激光的电矢量为：

$E_0(z,t)=e^{i(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\πz}/\mathrm{\λ})}\left[\begin{array}{c}{A}_x{e}^{i{\mathrm{\δ}}_x}\\ A_y{e}^{i{\mathrm{\δ}}_y}\end{array}\right]=e^{i(\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\πz}/\mathrm{\λ})}\left[\begin{array}{c}{E}_{x0}\\ E_{y0}\end{array}\right]---\left(1\right)$

则写成琼斯矢量矩阵形式为：

$E_0=\left[\begin{array}{c}{E}_{x0}\\ E_{y0}\end{array}\right]---\left(2\right)$

而起偏器4的琼斯矩阵为： $M_P=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

则经过起偏器4后的偏振光为：

$E_0^{\′}=M_p{E}_0=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_{x0}\\ E_{y0}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}0\\ E_{y0}\end{array}\right]---\left(4\right)$

四分之一波片7的琼斯矩阵为：

$M(\mathrm{\λ}/4,\mathrm{\θ})=\left[\begin{array}{cc}{e}^{\mathrm{i\π}/4}{\cos }^2\mathrm{\θ}+e^{-\mathrm{i\π}/4}{\sin }^2\mathrm{\θ}& \sqrt{2}i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}\\ \sqrt{2}i\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\θ}& e^{-\mathrm{i\π}/4}{\cos }^2\mathrm{\θ}+e^{\mathrm{i\π}/4}{\sin }^2\mathrm{\θ}\end{array}\right]---\left(5\right)$

假使四分之一波片7开始时快轴与激光偏振方向成-π/4角度，则上式可写为：

$M(\mathrm{\λ}/4,-\mathrm{\π}/4)=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& -i\\ -i& 1\end{array}\right]---\left(6\right)$

用四分之一波片7作为传感器件，当导轨运动副有滚转角Δθ，并考虑到Δθ是一个小角度则由式(5)可得

$M(\mathrm{\λ}/4,-\mathrm{\π}/4+\mathrm{\Δ\θ})=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1+i2\mathrm{\Δ\θ}& -i\\ -i& 1-i2\mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right]---\left(7\right)$

光线逆向再次通过四分之一波片7时，琼斯矩阵为：

$M(\mathrm{\λ}/\mathrm{4,}\mathrm{\π}/4-\mathrm{\Δ\θ})=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1+i2\mathrm{\Δ\θ}& i\\ i& 1-i2\mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right]---\left(8\right)$

反射镜的反射矩阵为：

$M\left(R\right)=\left[\begin{array}{cc}-1& 0\\ 0& -1\end{array}\right]---\left(9\right)$

由于旋转矩阵为：

当渥拉斯顿棱镜光轴与出射偏振光成π/4放置时，则渥拉斯顿琼斯矩阵为：

$M_w=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\π}/4& \sin \mathrm{\π}/4\\ -\sin \mathrm{\π}/4& \cos \mathrm{\π}/4\end{array}\right]=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right]---\left(11\right)$

则按照附图1，激光依次通过上述器件的琼斯矩阵为：

$J\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=M_w\·M(\mathrm{\λ}/4,\mathrm{\π}/4-\mathrm{\Δ\θ})\·M\left(R\right)\·M(\mathrm{\λ}/4,-\mathrm{\π}/4+\mathrm{\Δ\θ})\·E_0^{\′}---\left(12\right)$

即 $J\left(\mathrm{\Δ\θ}\right)=-\frac{\sqrt{2}}{2}{E}_{y0}\left[\begin{array}{c}1+2\mathrm{\Δ\θ}-i2\mathrm{\Δ\θ}\\ 1-2\mathrm{\Δ\θ}-i2\mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right]---\left(13\right)$

即探测器6上得到两光束光强差为

$\mathrm{\ΔI}=\left(4\mathrm{\Δ\θ}\right)E_{y0}^2=4\mathrm{I\Δ\θ}---\left(14\right)$

即    Δθ＝ΔI/4I                     (15)

在激光器的光功率恒定，即I₀恒定条件下，探测器6上两个象限得到光强差ΔI与滚转角Δθ呈线性关系。从探测器6得到的电压信号差经过信号处理电路9放大运算后送入计算机10，便可以得到滚转角大小。

本发明一种测量滚转角的方法是由半导体激光器1发出激光，其中激光器的驱动电路可以是独立的，也可将驱动电路集成在信号处理电路9中，激光经过单模光纤2准直、准直透镜3扩束，再经过偏振片4使激光变成线偏振光。采用四分之一波片7作为滚转角敏感器件，并使四分之一波片7的快轴方向与线偏振激光方向成-45°，经过反射镜8使光路逆向返回，两次经过四分之一波片7，可使激光偏振面的转角倍增。再经过渥拉斯顿棱镜5分成两束光，并使渥拉斯顿棱镜5光轴方向与出射线偏振光方向成45°。这样使得四分之一波片7随着被测导轨运动副产生一个滚转角，在探测器6上得到4倍的误差角。整个系统可以分为三个组成部分：一是由半导体激光器1、单模光纤2、准直透镜3、偏振片4、渥拉斯顿棱镜5、探测器6、信号处理电路9组成的固定单元101，使其固定在测量导轨的一端，并与计算机10相连；二是四分之一波片7安放在移动单元102中并固定在导轨的运动副上；三是反射镜8放置在固定单元103中并将其固定在测量导轨的另一端。

本发明装置的实施例一：采用半导体激光器1发出激光经过单模光纤2准直，再经过显微镜3扩束，入射到起偏器4上，使测量光变成线偏振光。四分之一波片7的快轴方向与激光偏振方向成-45°，起偏器4产生的偏振光透过四分之一波片7入射到角锥棱镜8上，再逆向反射，再次透过四分之一波片7，经过一个渥拉斯顿棱镜5光轴方向与出射光偏振方向成45°分束成两束光，入射到二象限探测器6上不同的象限，得到电压差的信号。再经过信号处理单元9放大运算送入计算机10得到滚转角的大小。采用频率和功率稳定的半导体激光器是提高测量精度的关键。

本发明装置的实施例二：采用半导体激光器1发出激光经过单模光纤2准直，再经过显微镜3扩束，入射到起偏器4上，使测量光变成线偏振光。四分之一波片7的快轴方向与激光偏振方向成-45°，起偏器4产生的偏振光透过四分之一波片7入射到直角棱镜8上，再逆向反射，再次透过四分之一波片7，经过一个渥拉斯顿棱镜5光轴方向与出射光偏振方向成45°分束成两束光，入射到二象限探测器6上不同的象限，得到电压差的信号。再经过信号处理单元9放大运算送入计算机10得到滚转角的大小。本实施例其组成器件除了反射镜8利用直角棱镜替代角锥棱镜，其它器件与实施例一相同，同样实现测量分辨率达到优于1“，并使成本得到降低。

本发明装置的实施例三：采用半导体激光器1发出激光经过单模光纤2准直，再经过显微镜3扩束，入射到起偏器4上，使测量光变成线偏振光。四分之一波片7的快轴方向与激光偏振方向成-45°，起偏器4产生的偏振光透过四分之一波片7入射到猫眼8上，再逆向反射，再次透过四分之一波片7，经过一个渥拉斯顿棱镜5光轴方向与出射光偏振方向成45°分束成两束光，入射到二象限探测器6上不同的象限，得到电压差的信号。再经过信号处理单元9放大运算送入计算机10得到滚转角的大小。本实施例其组成器件除了反射镜8利用猫眼替代角锥棱镜，其它器件与实施例一相同，同样实现测量分辨率达到优于1“，但猫眼的成本较高。

本发明装置的实施例四：采用半导体激光器1发出激光经过保偏单模光纤2准直，再经过显微镜3扩束，透过四分之一波片7，其快轴方向与激光偏振方向成-45°，透射光入射到角锥棱镜8上再逆向反射，再次透过四分之一波片7，  经过一个渥拉斯顿棱镜5光轴方向与出射光偏振方向成45°分束成两束光，入射到二象限探测器6上不同的象限，得到电压差的信号。再经过信号处理单元9放大运算送入计算机10得到滚转角的大小。本实施例用带保偏的单模光纤替代单模光纤2，同时省去起偏器4，其它器件与实施例一相同，同样实现测量分辨率达到优于1“，并使光学器件进一步减少、成本降低。

Claims (6)

1.一种滚转角测量方法，包括以下步骤：

1)由半导体激光器(1)发出的激光经过单模光纤(2)准直，准直透镜(3)扩束，再经过偏振片(4)变成线偏振光；

2)该线偏振光透过四分之一波片(7)；

3)经过反射镜(8)使光线逆向返回，再次透过四分之一波片(7)；

4)该光线经过渥拉斯顿棱镜(5)分束成两束光；

5)用一个探测器(6)探测两分束光，光强转化为电信号，该电信号经过信号处理电路(9)放大运算后送入计算机(10)，其输出电压的正负反映滚转角方向，电压绝对值大小反映滚转角的值。

2.一种滚转角测量装置，包括：半导体激光器(1)、单模光纤(2)、准直透镜(3)、偏振片(4)、渥拉斯顿棱镜(5)、探测器(6)、四分之一波片(7)、反射镜(8)、信号处理电路(9)和计算机(10)，其特征在于，所述的四分之一波片(7)的快轴方向与准直偏振光方向成45°；所述的渥拉斯顿棱镜(5)放置在激光发射端，其光轴方向与偏振激光方向成45°；所述的探测器(6)放置在渥拉斯顿棱镜后，并使两光束分别投射在不同的象限。

3.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述的准直透镜(3)是显微镜或其它准直透镜。

4.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述的探测器(6)是二象限探测器或者四象限探测器。

5.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述的反射镜(8)是直角反射镜或角锥棱镜或猫眼。

6.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述的单模光纤(2)采用保偏单模光纤替代，同时省去所述的偏振片(4)。