CN104180776B - 基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法及装置，包括横向塞曼双频激光器及位于其出射光光路中的分光棱镜，在该分光棱镜的反射光路中设置有第一检偏器和第一光电接收器；分光棱镜的透射光路中设置有1/2波片，1/2波片位于平面反射镜阵列中间，1/2波片的最终出射光路中设置有相位延迟片和直角反射棱镜，直角反射棱镜的反射光路中设置第二检偏器和第二光电接收器；第一光电接收器和第二光电接收器与相位计连接，相位计的输出端与工控机连接，本发明利用1/2波片配合平面反射镜阵列使用时对偏振光作用的可叠加性，将其置于平面反射镜阵列中，与相位延迟片共同使用，进一步提高了滚转角测量的分辨率。

Description

基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法及装置

技术领域

本发明属于角度的光电测量领域，尤其涉及一种基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法及装置。

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，基于位置敏感元件PSD等位置探测元件的准直激光法、光栅衍射法等，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；基于位置敏感元件PSD等位置探测元件的准直激光法、光栅衍射法等，其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，该方法包括基于光强、相位和频率三种测量方法，其中基于偏振光的相位法，具有较高的测量精度，分辨率可达0.65″(采用相位计分辨率为0.01°)。

此外，公开号为CN1335483A的专利在偏振光相位法的基础上，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。但是上述方法对光路中光学元件都有严格的位置精度要求，1/4波片在垂直于光轴平面内1°的位置误差将使系统的测量值等于真值的两倍，测量系统失效。这使得相应测量系统调试安装困难，抗干扰性难以保证。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供一种基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法及装置，能够在保证高分辨率要求的情况下，减少系统的误差源，提高系统的抗干扰性，从而方便测量系统的安装调试。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：包括横向塞曼双频激光器以及位于其出射光光路中的分光棱镜，在该分光棱镜的反射光路中依次设置有第一检偏器和第一光电接收器；

在该分光棱镜的透射光路中设置有1/2波片，所述的1/2波片位于两套平面反射镜阵列中间，在两套平面反射镜阵列的出射光轴上依次设置有相位延迟片和直角反射棱镜，在该直角反射棱镜的反射光路中设置第二检偏器和第二光电接收器；

所述的第一光电接收器和第二光电接收器的输出端与相位计的输入端连接，所述的相位计的输出端与工控机连接。

所述的分光棱镜的反射率为50％。

所述的两套平面反射镜阵列包括平行设置的第一平面反射镜阵列和第二平面反射镜阵列，1/2波片位于第一平面反射镜阵列和第二平面反射镜阵列之间。

本发明的基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量装置的外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法，包括以下步骤：

1)横向塞曼激光器发出的光束经过分光棱镜后，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接收器接收，作为参考信号；

2)由分光棱镜出射的透射光经过1/2波片后，入射到两套平面反射镜阵列中，经两套平面反射镜阵列多次往复反射作用后使光束n次往返通过1/2波片；

3)通过1/2波片后的出射光束再入射到相位延迟片，然后出射到直角反射镜，再通过第二检偏器后被第二光电接收器接收，作为测量信号；

4)测量信号与参考信号通过相位计鉴相，将数据传递给工控机，工控机根据二者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。

滚转角Δα的测量计算公式为：

其中，ΔΨ为滚转角Δα引起的相位变化，n由平面反射镜的阵列的数目决定，为常数，δ为相位延迟片的相位延迟量。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明的基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量装置，利用了1/2波片配合平面反射镜使用时对偏振光作用的可叠加性，将1/2波片置于平面反射镜阵列中，充分利用光束多次往返探测元件，以达到角放大的目的，同时在出射光轴中增加相位延迟片，进一步增大滚转角增益，保证了正交偏振相位法与多次反射法的融合；同时，所用相位延迟片在垂直于光轴平面内的位置误差对系统的影响可以忽略不计，1°的位置误差对系统的影响只有0.06％；即在保证系统具有高分辨率的同时，减少了系统的误差源，提高了系统的抗干扰性，方便了系统的安装调试，相对于现有基于相位法的滚转角测量系统而言具有很大的优势。

本发明的基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法将1/2波片作为传感元件，利用光束多次往返经过该1/2波片使被测角实现较大增益，从而使正交偏振激光的相位变化相应地增大，同时配合相位延迟片，进一步提高滚转角的增益倍数，它适用于精密导轨运动副的滚转角误差测量。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为本发明的主要光路结构图及其组成；

图2为本发明的主要光路结构俯视图；

其中，1、横向塞曼双频激光器，2、分光棱镜，3、第一检偏器，4、第一光电接收器，5、二分之一波片，6a、第一平面反射镜阵列，6b、第二平面反射镜阵列,7、相位延迟片，8、直角反射棱镜，9、第二检偏器，10、第二光电接收器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明：

参见图1和图2，本发明的基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量装置包括横向塞曼双频激光器1以及位于其出射光光路中的分光棱镜2，在该分光棱镜2的反射光路中依次设置有第一检偏器3和第一光电接收器4；在该分光棱镜2的透射光路中设置有1/2波片5，1/2波片5位于两套平面反射镜阵列中间，在两套平面反射镜阵列的出射光轴上依次设置有相位延迟片7和直角反射棱镜8，在该直角反射棱镜8的反射光路中设置第二检偏器9和第二光电接收器10；第一光电接收器4和第二光电接收器10的输出端与相位计11的输入端连接，相位计11的输出端与工控机12连接，本发明采用的分光棱镜2的反射率为50％。

如图所示，本发明采用的两套平面反射镜阵列包括平行设置的第一平面反射镜阵列6a和第二平面反射镜阵列6b，1/2波片5位于第一平面反射镜阵列6a和第二平面反射镜阵列6b之间。

基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量装置的外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法，包括以下步骤：

1)横向塞曼激光器发出的光束经过分光棱镜2后，被分成反射光和透射光，其中反射光经第一检偏器3后被第一光电接收器4接收，作为参考信号；

2)由分光棱镜2出射的透射光经过1/2波片5后，入射到两套平面反射镜阵列中，经两套平面反射镜阵列多次往复反射作用后使光束n次往返通过1/2波片5，其中n由反射器阵列中的反射器的数目决定；

3)通过1/2波片5后的出射光束再入射到相位延迟片7，然后出射到直角反射镜8，再通过第二检偏器9后被第二光电接收器10接收，作为测量信号；

4)测量信号与参考信号通过相位计11鉴相，将数据传递给工控机12，工控机12根据二者相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出1/2波片5的角误差即被测滚转角。

本发明方法和装置采用1/2波片作为传感元件，利用光束多次往返经过该1/2波片使被测角实现较大增益，从而使正交偏振激光的相位变化相应地增大，同时配合相位延迟片，进一步提高滚转角的增益倍数。它适用于精密导轨运动副的滚转角误差测量。

本发明利用了1/2波片5配合平面反射镜阵列使用时对偏振光作用的可叠加性，将1/2波片置于平面反射镜阵列中，充分利用光束多次往返探测元件，以达到角放大的目的，同时在出射光轴中增加相位延迟片，进一步增大滚转角增益。保证了正交偏振相位法与多次反射法的融合；同时，所用相位延迟片在垂直于光轴平面内的位置误差对系统的影响可以忽略不计，1°的位置误差对系统的影响只有0.06％；即在保证系统具有高分辨率的同时，减少了系统的误差源，提高了系统的抗干扰性，方便了系统的安装调试，相对于现有基于相位法的滚转角测量系统而言具有很大的优势。

该方法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。

本发明的工作过程如下：横向塞曼双频激光器1发出双频激光束，经反射率为50％的分光棱镜2分成两束光(反射光束和透射光束)；其中反射光束经检偏器3，被光电接收器4所接收，作为参考信号，透射光束则经过1/2波片5，在平面反射镜阵列6a作用下反射返回，接着又经过1/2波片5，此时光束往返经过1/2波片5达1次；随后光束到达平面反射镜阵列6b并被反射，在两个平面反射镜阵列6a和6b的作用下，光束第2次往返经过1/2波片5；这样，此光束在两个平面反射镜阵列6a和6b之间，往返经过1/2波片5达n次后，出射到达相位延迟片7，再经直角反射棱8作用实现90°折返后经检偏器9，被光电接收器10所接收，即为测量信号。由相位计11对测量信号与参考信号进行相位测量，根据两信号相位差的变化量与滚转角的关系式即可计算出被测滚转角1/2波片5的滚转角的值，从而实现滚转角测量。其相位变化与滚转角的数学表达式的推导如下：

如图1所示，设正交偏振光电矢量分别为E1和E2，并分别以两矢量所在方向为x轴和y轴，光线传播方向为z轴建立坐标系；二分之一波片5的F(快轴)轴与x轴夹角为α；且令光束往返经过二分之一波片波片5的次数为n，相位延迟片7的快、慢轴分别和坐标系的x轴和y轴重合，则可用琼斯矩阵表示测量信号如下：

其中，P为偏振器的琼斯矩阵；H_n表示第n次经过1/2波片5时的琼斯矩阵；R为相位延迟片7的琼斯矩阵；为光束的琼斯向量表示。它们分别为：

其中，δ为延迟片的相位延迟量。

将以上表达式代入式(1)，可得：

其中：

根据式(2)，被第二光电接收器10接收的测量信号的光强可表示为：

在(3)式中，Ψ为二分之一波片5发生滚转误差引起的，其表达式为：

对于参考信号而言，第一光电接收器4接收到的光强信息可表示为：

由(3)和(5)式可得出测量信号和参考信号的相位差为：

定义K_a为角增益系数，由式(6)得：

式(4)为相位Ψ与夹角α之间的关系式，其中，n由直角棱镜的阵列大小决定，为常数。在不同的δ相位延迟量情况下，其变化的曲线不一样。一般情况下其关系为非线性变化。由式(7)得：

由式(8)可知，α在满足条件处其增益系数取得最大值，且在该值附近较小的范围内可将非线性近似为线性区，此时有：

由式(9)得，在近似线性灵敏区有：

其微分形式为：

Δα即滚转角的微小变化量，由传感元件1/2波片5的滚转引起，为被测量；ΔΨ为此滚转角引起的相位变化。

因此，由式(10)得滚转角Δα的测量计算公式为：

式(11)表明，δ为己知量，具体实验中需要通过事先标定确定，因而可确定角增益系数K_a。其越大，角增益越大，滚转角测量分辨能力越强。若n＝2，相位延迟量δ取2°，相位计分辨率为0.01°，则K_a＝458，因此该方法可测得的角分辨率为0.07″，正负号通过系统标定来确定。

因此，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，具有更少的误差源，方便了系统的安装调试，从而进一步保证了系统在应用中的高分辨率和稳定性。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。

Claims (1)

1.基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量装置的外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量方法，其特征在于：基于外差干涉相位法的高分辨率滚转角测量装置，包括横向塞曼双频激光器(1)以及位于其出射光光路中的分光棱镜(2)，在该分光棱镜(2)的反射光路中依次设置有第一检偏器(3)和第一光电接收器(4)；

在该分光棱镜(2)的透射光路中设置有1/2波片(5)，所述的1/2波片(5)位于两套平面反射镜阵列中间，在两套平面反射镜阵列的出射光轴上依次设置有相位延迟片(7)和直角反射棱镜(8)，在该直角反射棱镜(8)的反射光路中设置第二检偏器(9)和第二光电接收器(10)；

所述的第一光电接收器(4)和第二光电接收器(10)的输出端与相位计(11)的输入端连接，所述的相位计(11)的输出端与工控机(12)连接；

测量方法包括以下步骤：

1)横向塞曼激光器发出的光束经过分光棱镜(2)后，被分成反射光和透射光，其中反射光经第一检偏器(3)后被第一光电接收器(4)接收，作为参考信号；

2)由分光棱镜(2)出射的透射光经过1/2波片(5)后，入射到两套平面反射镜阵列中，经两套平面反射镜阵列多次往复反射作用后使光束n次往返通过1/2波片(5)；

3)通过1/2波片(5)后的出射光束再入射到相位延迟片(7)，然后出射到直角反射棱镜(8)，再通过第二检偏器(9)后被第二光电接收器(10)接收，作为测量信号；

4)测量信号与参考信号通过相位计(11)鉴相，将数据传递给工控机(12)，工控机(12)根据二者相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出1/2波片(5)的角误差即被测滚转角Δα；

滚转角Δα的测量计算公式为：

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其中，ΔΨ为滚转角Δα引起的相位变化，n由平面反射镜的阵列的平面镜的数目决定，为常数，δ为相位延迟片的相位延迟量，K_a为角增益系数。