CN1786659A - 一种提高滚转角测量灵敏度的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种提高滚转角测量灵敏度的方法与装置，属于光电检测技术领域。本发明利用稳定的准直激光经过起偏器，再经过半透半反镜后，在移动单元中的光轴上依次放置一个四分之一波片、反射器及平面反射镜。利用平面反射镜使光线两次反向通过反射器、四次透过四分之一波片，使测量灵敏度在专利公开号为1687701A的基础上再提高2倍，同时使反射器随导轨一起移动，消除了反射器的移动给测量带来的附加误差，使仪器结构更为紧凑，以增强仪器的实用性。另外，在不改变测量光路的条件下，增加一个接收单元，可以实现滚转角、俯仰角和偏转角并行实时高精度测量。

Description

一种提高滚转角测量灵敏度的方法与装置

技术领域

本发明属于角度光学测量技术领域，特别涉及滚转角测量方法及其滚转角测量仪。

背景技术

滚转角是误差补偿中的一个重要参数。机床和三座标测量机等系统为了实时修正阿贝误差需要对滚转角、俯仰角和偏转角进行测量。另外，某些工件的安装和校准中，也需要对滚转角测量或者定位。

对于直线导轨滚转角光学测量方法，激光偏振测量法是目前研究较多的一种方法。清华大学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。此方法移动部分带有电缆，给现场测量带来不便。而中国专利号为01130893.1采用了一个二分之一波片作为敏感器件，该方法通过检测相位来测量滚转角大小，但激光器昂贵，控制电路及其复杂。中国专利公开号为1687701A利用四分之一波片作为滚转角敏感器件，同时利用渥拉斯顿棱镜分束，通过探测两分束光光强的变化来得到滚转角大小，但测量灵敏度不够高。其中，后两种方法都是把反射器固定在测量导轨的另一侧使光路两次通过滚转角敏感器件，但都无法使反射器随滚转角敏感器件一起移动。前者是由于反射器随导轨移动会影响相位的变化，给测量带来附加误差；后者反射器移动会给两分束光强差带来变化，从而给测量也带来附加误差。因此，这两种方法都不能使反射器随测量导轨移动，从而使得仪器结构不紧凑。

发明内容

本发明的目的和任务是提出一种滚转角测量方法及其滚转角测量仪，不但使灵敏度在专利公开号为1687701A的基础上再提高2倍，而且实现了反射器随导轨一起移动，并且能消除反射器随导轨移动给测量带来的附加误差。使装置结构更为紧凑，以增强仪器的实用性。

本发明提出的一种提高滚转角测量灵敏度的方法，包括以下步骤：

1)由激光器发出的准直激光，经过偏振片产生线偏振光；

2)该线偏振光透过四分之一波片变成圆偏振光；

3)该圆偏振光经过反射器使光线再次透过四分之一波片变成线偏振光；

4)该线偏振光透过渥拉斯顿棱镜分成两束光；

5)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，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。

上述步骤3产生的线偏振光，在其光路上利用一个平面射镜使光线逆向返回，经过四分之一波片、反射器，再经过四分之一波片，入射到固定单元中的分光器，分光器的反射光经凸透镜入射到渥拉斯顿棱镜。

一种提高滚转角测量灵敏度的装置，包括：激光器、偏振片、四分之一波片、反射器、渥拉斯顿棱镜、探测器、信号处理电路和计算机，其特征在于，还包括平面反射镜、分光器、凸透镜，所述的分光器放置在固定单元中，偏振片和移动单元之间的光路上；所述的中四分之一波片、反射器和平面反射镜沿入射光方向依次排列在移动单元中；所述的透镜放置在分光器和渥拉斯顿棱镜之间或者放置在探测器和渥拉斯顿之间；所述的探测器放置在透镜的焦平面上。

所述的分光器包括半透半反镜。

所述的反射器包括猫眼、角锥棱镜或者是直角棱镜。

本发明和现有技术相比的优点是：由于在光路上放置了一个平面反射镜，使光线4次通过四分之一波片，测量滚转角灵敏度是专利公开号1687701A提出的测量方法的2倍，而且光线2次反向通过反射器，消除了反射器给滚转角测量带来的附加误差，实现了反射器在导轨上的移动，使结构变得更为紧凑，方便现场测量。同时在不改变光路条件，在分光器的反射光路上，增加一个接收单元，可以实现俯仰角和偏转角的测量。可广泛应用于机床直线导轨和三坐标测量机阿贝误差实时补偿。

附图说明

图1为本发明的滚转角测量装置的第一个实施例。

图2为反射器转动对入射光的影响原理示意图。

图3为反射器转动对反射光的影响原理示意图。

图4为本发明的滚转角测量装置的第二个实施例。

图5为本发明的滚转角测量装置第的三个实施例。

图6为本发明与俯仰角、偏转角同时测量装置的第一个实施例。

图7为本发明与俯仰角、偏转角同时测量装置的第二个实施例。

图中：1为激光器；2为偏振片；3为分光器；4为凸透镜；5为渥拉斯顿棱镜；6为二象限探测器；7为信号处理电路；8为计算机；9为平面反射镜；10为四分之一波片；11为反射器；12为五角棱镜；13为半透半反镜；14为凹透镜；15为位敏探测器；16为凸透镜；101为固定单元；201为移动单元；301为偏转单元.

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：

本方法中，采用一个平面反射镜使光路四次通过滚转角敏感器件，可使光线偏振面转角增到八倍，在专利公开号为1687701A的基础上再次提高2倍。另外，光线2次反向通过反射器，能消除其在导轨上移动给测量带来的附加误差，从而使测量装置更紧凑。

本发明上述方法原理说明如下：

用琼斯矩阵对本发明方法进行分析，如图1所示，设初始时，四分之一波片的的快轴与偏振光成-π/4，渥拉斯顿棱镜光轴与出射偏振光成π/4放置。当移动单元有的滚转角，可以得出二象限探测器上两光束的琼斯矩阵形式为：

J()＝M_w·B_r·M(-)·R·M()·R·M(-)·R·M()B_t·P·E₀          (1)

式中入射光矢量： $E_0=\left[\begin{array}{c}{E}_{x0}\\ E_{y0}\end{array}\right]---\left(2\right)$

起偏器为： $P=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ 0& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

半透半反的透射、反射矩阵分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_t=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right]\\ B_r=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right]\end{array}\right.---\left(4\right)$

渥拉斯顿棱镜为： $M_w=\frac{\sqrt{2}}{2}\left[\begin{array}{cc}1& 1\\ -1& 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

平面反射镜和反射器为： $R=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& -1\end{array}\right]---\left(6\right)$

四分之一波片正向入射、反向入射分别为：

将各器件的琼斯矩阵代入式(1)计算得到：

则探测器上两光束的光强分别为：

即探测器6上得到两光束光强差为

即＝ΔI/8I₀                                                         (11)

以上计算考虑到是一个小量，都忽略了其高阶小量。由此可见理论上可使光线偏振面转角增到八倍，测量灵敏度是专利公开号为1687701A的2倍。又因为四分之一波片是一个薄片，它的平移、俯仰和偏转对测量几乎没有影响。

由于移动单元的俯仰角、偏转角也是一个小量，而且入射光线和反射光线几乎垂直平面反射镜9，因此平面反射镜的平移和转动对偏振光的反射影响可以忽略。

另外，由于反射器也是随移动单元一起移动。下面从理论上分析，两次反向经过反射器(以猫眼为例)可以消除其给测量带来的附加误差。首先反射器(猫眼)的平移对测量是几乎没有影响，即使由于平面反射镜转动带来光线的平移也可以通过透镜4来消除其影响。当猫眼有滚转时，显然对测量几乎不影响，而当猫眼有俯仰和偏转时，下面以偏转为例进行分析。如图2所示，设初始时，入射光线与猫眼光轴的夹角为0，当入射光线不变，猫眼相对于入射光顺时针偏转α后，等效于入射光线相对于猫眼逆时针偏转了α入射到猫眼。由于猫眼的逆向特性，使入射到平面反射镜9上光线将不发生偏转，而平面反射镜9随猫眼一起偏转使其反射光偏转2α，由图3可以得到，这时第二次入射到猫眼的光线相对于猫眼光轴顺时针偏转了α。由图2、3可以看出两次入射到猫眼的光线相对于猫眼的光轴，刚好是一正一负偏转了α。从而抵消了猫眼的偏转给滚转角测量带来的附加误差。其中俯仰角也可以类似分析得到，因此俯仰角对测量的影响也可以消除。

由此可见本发明实现了反射器随移动单元一起移动而不影响测量，从而使测量仪器结构紧凑。

实施方式一(图1)

一种提高滚转角测量灵敏度的装置，包括：激光器1、偏振片2、分光器3、、凸透镜4、渥拉斯顿棱镜5、探测器6、信号处理电路7、计算机8、平面反射镜9、四分之一波片10、反射器11；

所述的分光器3放置固定单元101中，在偏振片2和移动单元201之间的光路上；所述的中四分之一波片10、反射器11和平面反射镜9沿入射光方向依次排列在移动单元201中；所述的凸透镜4放置在分光器3和渥拉斯顿棱镜5之间或者放置在探测器6和渥拉斯顿5之间；所述的探测器6放置在凸透镜4的焦平面上。

所述的反射器还包括：角锥棱镜或者是直角棱镜。

一种提高滚转角测量灵敏度的方法步骤如下：

1.由激光器1发出的准直激光，经过偏振片2产生线偏振光；

2.该线偏振光透过再透过分光器(半透半反镜)，入射到四分之一波片10，变成线偏振光；

3.该圆偏振光经过反射器11(猫眼)使光线再次透过四分之一波片10变成线偏振光；

4.该偏振光经过平面反射镜再次逆向返回，经过四分之一波片10、猫眼11，再经过四分之一波片10，入射到固定单元101中的分光器3。

5.分光器3的反射光经凸透镜4入射到渥拉斯顿棱镜5分成两束光；

6.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7放大运算后送入计算机8，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。

实施方式二(图4)：

其组成器件和参数基本与实施例一相同，只是使渥拉斯顿棱镜5和凸透镜4的位置对调一下，也一个得到同样的测量效果。

实施方式三(图5)：

其组成器件和参数基本与实施例一相同，只是在移动单元101和固定单元201之间增加一个转向单元301(五角棱镜12)，使装置可以直接应用于竖直导轨的滚转角测量。

实施方式四(图6)：

其组成器件和参数基本与实施例一相同，只是在装置一的固定单元101增加一个分光器13、凹透镜14和二维位敏探测器15。当移动单元同时有滚转、俯仰和偏转时，从移动单元反射回来的光除了有滚转角信息外，还挟带了俯仰、偏转角信息。通过分光器13使反射光用于滚转角测量。选择合适参数使凹透镜14和凸透镜4组成一个透镜组，透射光透过凹透镜后，入射到二维位敏探测器15即可以实现俯仰角和偏转角同时测量。在参数的选择上应尽量使两透镜之间距离小，减小仪器体积，而组合焦距大，可以增加俯仰、偏转角测量灵敏度。本装置可以实现三维角度同时测量。

实施方式五(图7)：

其组成器件和参数基本与实施例四相同，只是在装置四的基础上增加了一个凸透镜16。其中凸透镜4是为了防止光线平移和偏转造成光线偏离探测器6，而凸透镜16和凹透镜14组成透镜组用于俯仰角和偏转角的测量。也可以实现三维角度同时测量。在装置四、五的基础上增加转向单元301，使其适用于竖直导轨的三维转角同时测量。

Claims (4)

1.一种提高滚转角测量灵敏度的方法，包括以下步骤：

1)由激光器发出的准直激光，经过偏振片产生线偏振光；

2)该线偏振光透过四分之一波片变成圆偏振光；

3)该圆偏振光经过反射器使光线再次透过四分之一波片变成线偏振光；

4)该线偏振光透过渥拉斯顿棱镜分成两束光；

5)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，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。

其特征在于，步骤3产生的线偏振光，在其光路上利用一个平面射镜(9)使光线逆向返回，经过四分之一波片(10)、反射器(11)，再经过四分之一波片(10)，入射到固定单元(101)中的分光器(3)，分光器(3)的反射光经凸透镜(4)入射到渥拉斯顿棱镜(5)。

2.一种提高滚转角测量灵敏度的装置，包括：激光器、偏振片、四分之一波片、反射器、渥拉斯顿棱镜、探测器、信号处理电路和计算机，其特征在于，还包括平面反射镜(9)、分光器(3)、凸透镜(4)，所述的分光器(3)放置固定单元(101)中，在偏振片(2)和移动单元(201)之间的光路上；所述的四分之一波片(10)、反射器(11)和平面反射镜(9)沿入射光方向依次排列在移动单元(201)中；所述的透镜(4)放置在分光器(3)和渥拉斯顿棱镜(5)之间或者放置在探测器(6)和渥拉斯顿(5)之间；所述的探测器(6)放置在透镜(4)的焦平面上。

3.根据权利要求2所述的提高滚转角测量灵敏度的装置，其特征在于，所述的分光器包括半透半反镜。

4.根据权利要求2所述的提高滚转角测量灵敏度的装置，其特征在于，所述的反射器包括猫眼、角锥棱镜或者是直角棱镜。

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