CN101846506B - 基于共路平行光线的滚转角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于共路平行光线的滚转角测量方法，采用两次偏振分光得到两平行光线，并同时利用由一对反射平面互成90°的反射器件和一对逆向反射器实现了两平行光线的共路和误差放大，从而提高结构的紧凑性，系统的稳定性、测量的可靠性和灵敏度。

Description

基于共路平行光线的滚转角测量方法

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。

背景技术

在机床导轨三种角运动误差中，滚转角误差是六个误差中最难测量的一个参数。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。

目前光学测量滚转角方法主要有以下四种：

基于干涉测量方法。尽管有些干涉系统能得到很高测量分辨率，但测量系统过于复杂、造价高(如中国专利ZL01130893.1所公开的滚转角测量方法)。

基于全息光栅衍射的测量方法。利用全息光栅衍射现象来实现对滚转角测量，其缺点是测量精度不高，同时测量头带有跟随电缆，造成现场测量不方便(如美国专利US6316779所公开的滚转角测量方法)。

基于偏振基准的测量方法。尽管偏振法是目前研究较多的一种方法，但其测量的分辨率难以提高，系统稳定性难以保证(如中国专利ZL200510011877.1所公开的滚转角测量方法)。

基于准直激光测量方法。这种方法的测量原理相对简单，利用几何光学测量原理。美国专利US5798828公开了一种准直激光测量滚转角的方法，该方法基于平行光线通过测量两个不同地方的直线度计算得到滚转角大小。要提高测量灵敏度，需要增大准直平行光线之间的距离，且测量头带有电缆，给现场测量带来不便。Chien-Hung Liu在题为“Development ofa laser-based high-precision six-degrees-of-freedom motion errors measuringsystem for linear stage”(Review of Scientific instruments，2005，76，055110)中提出利用角锥棱镜逆向反射，从而使系统测量移动头不带电缆，从而克服移动头有电缆的缺点。但是，这样一来，两测量光在空气中的光程也成倍地增加了，空气对测量的影响也增大了。另外，基于平行光线测量滚转角的方法，要提高测量分辨率，只能靠增大平行光线之间的距离，从而增大了测量系统的体积。

发明内容

本发明提供了一种基于共路平行光线的滚转角测量方法，采用两次偏振分光得到两平行光线，并同时利用由一对反射平面互成90°的反射器件和一对逆向反射器实现了两平行光线的共路和误差放大，从而提高结构的紧凑性，系统的稳定性、测量的可靠性和灵敏度。

一种滚转角测量方法，包括：

由激光器发出的准直激光经过第一偏振分光器偏振分光后产生互相垂直的透射线偏振光和反射线偏振光；

所述的透射线偏振光为测量光线I；

所述的反射线偏振光射入沿其光线方向设置的第二偏振分光器，被再次垂直反射，形成与透射线偏振光平行且不重叠的测量光线II，

所述的测量光线I和II分别射入沿各自的光线方向设置的第一和第二滚转角敏感部件，形成与各自的入射光线平行且不重叠的逆向反射光I和II；其中，测量光线I和II分别垂直于其入射的接触面，入射的接触面与待测系统的滚转轴平行；

所述的逆向反射光I和II分别经二次90°交叉反射后，形成分别沿逆向反射光II和I的光线逆向出射的二次反射光I和II；

所述的二次反射光I和II分别射入第二和第一滚转角敏感部件，并分别沿测量光线II和I的光线逆向返回至第二和第一偏振分光器，分别形成透过第二偏振分光器的探测光线I和被第一偏振分光器垂直反射的探测光线II；

探测光线I和II分别射入第一和第二探测器，第一和第二探测器采集获得探测光线I和II的位置变化信号；

同时，第一探测器和第二探测器分别产生反映各自入射光位置变化的电流信号，并送入与两探测器相连接的信号处理电路，信号处理电路对来自探测器的电流信号进行处理，得到反映位置变化的电压信号，并将得到的电压信号送入与其连接的计算机，经计算机差分处理后，再除以两滚转角敏感部件之间的距离得到被测的滚转角的大小和方向，其中正负号来判断滚转角的方向。

还可以将上述的探测器设为二维探测器，探测器可同时产生二维位置变化的信号，第一探测器和第二探测器的竖直方向位置信号经过差分后，再除以两滚转角敏感部件之间距离得到滚转角信号。第一探测器和第二探测器的水平方向位置信号经过平均处理后，得到水平方向直线度误差。

所述的滚转角敏感部件为放置在待测系统上的逆向反射器，用于改变入射光线的方向，使得入射光线经反射后沿与入射光线平行且不重叠的方向逆向返回。为了实现以上功能，所述的滚转角敏感部件可以为角锥棱镜、空心角锥棱镜或猫眼结构。

所述的二次90°交叉反射，可以通过由反射平面互成90°的两平面射镜构成的交叉反射装置实现，也可以通过由两五角棱镜构成的交叉反射装置实现。

本发明中，测量光线I和II均通过两滚转角敏感部件、二次交叉反射装置和两偏振分光器，在测量过程中，自测量光线I射入第一滚转角敏感部件起至透过第二偏振分光器形成探测光线I止所经历的光路，与自测量光线II射入第二滚转角敏感部件起至被第一偏振分光器垂直反射形成探测光线II止所经历的光路完全相同。

为了进一步减少误差，可以使探测光线I和II进入相应探测器的光路距离相等，即，所述的第一偏振分光器和第二探测器之间的距离等于所述的第二偏振分光器和第一探测器之间的距离。

需要指出的是，透射线偏振光和反射线偏振光交叉逆向行进彼此不影响；光路在同一平面内。

采用本发明的方法测量滚转角，其测量灵敏度得到显著的提高。与Chien-Hung Liu等人在题为“Development of a laser-based high-precisionsix-degrees-of-freedom motion errors measuring system for linear stage”(Review of Scientific instruments，2005，76，055110)的文献记载的基于平行光线测量滚转角方法相比较，同样的测量头大小的条件下，测量的灵敏度提高了2倍。同时，采用本发明的测量方法，由于两平行光线通过相同的光学元器件，保证了测量光的共路性，基本上完全消除了测量光线的随机抖动给测量带来的误差，提高了系统的稳定性和可靠性，并改善了仪器的适应性。此外，由于本发明方法中采取了多次反射使得位置变化信号放大，因此，在保证测量分辨率的前提下可以减小测量头体积，装置结构更为紧凑，仪器的实用性增强，使基于平行光线滚转角测量方法变得切实可行。而且，采用本发明的方法，可以在不改变任何光路条件，实现滚转角和水平方向直线度误差的同时测量。

用于本发明的滚转角测量方法的装置，包括：

用于发出准直激光的激光器；

用于将准直激光偏振分光为偏振方向互相垂直的透射线偏振光和反射线偏振光，并允许反射线偏振光垂直反射的第一偏振分光器；

用于将反射线偏振光垂直反射并允许透射线偏振光透过的第二偏振分光器；

用于使入射光线沿与入射光线平行且不重叠的逆向反射的第一和第二滚转角敏感部件，该滚转角敏感部件置于待测系统上，能同步反映待测系统的滚转角变化；所述的滚转角敏感部件可以为角锥棱镜、空心角锥棱镜或猫眼结构；

用于将入射光线进行二次90°交叉反射的交叉反射装置；交叉反射装置可以是由反射平面互成90°的两平面射镜构成的交叉反射装置，也可以是由两五角棱镜构成的交叉反射装置；

用于采集并输出测量光线的探测信号的第一探测器和第二探测器，同时还设有与第一和第二探测器相连的信号处理电路，以及与信号处理电路相连的计算机。

其中，沿激光器射出的光线方向依次设置第一偏振分光器和第一滚转角敏感部件；沿垂直于激光器射出的准直激光光线方向在第一偏振分光器的两侧设置第二偏振分光器和第二探测器；沿平行于激光器射出的准直激光光线方向在第二偏振分光器的两侧设置第二滚转角敏感部件和第一探测器。

附图说明

图1为实现本发明的滚转角测量方法的装置的第一种实施方式；

图2为本发明的滚转角测量方法的工作原理示意图；

图3为实现本发明的滚转角测量方法的装置的第二种实施方式；

图4为实现本发明的滚转角测量方法的装置的第三种实施方式；

图5为图4中的五角棱镜对光线平移示意图；

图6为实现本发明的滚转角测量方法的装置的第四种实施方式；

图中：1为准直激光器；3、4为偏振分光器；2、6为平面反射镜；5、7为光电探测器；8、9为角锥棱镜；10、11为五角棱镜；100为固定单元；200为移动单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

图1是实现本发明的滚转角测量方法的装置的第一种实施方式，其共路平行线测量滚转角方法如下：

(1)在固定单元100中，由激光器1发出的准直激光，经过第一偏振分光器3产生两线偏振光，偏振方向分别为互相垂直的

方向和·方向，其中线偏振光透过第一偏振分光器3为测量光线I；

而·线偏振光射入沿·线偏振光的光线方向上设置的第二偏振分光器4，调整第二偏振分光器4，使·线偏振光发生垂直反射，形成与

线偏振光平行且不重叠的测量光线II。

(2)两条相互平行的测量光线I和II，分别入射到移动单元200中的第一角锥棱镜8和第二角锥棱镜9上，角锥棱镜8和9为滚转角敏感部件，移动单元200与待测系统连接，测量光线I和II分别垂直于其入射的接触面，该入射的接触面与待测系统的滚转轴平行，角锥棱镜使这两条平行光线发生相应的平移，并分别逆向返回，形成与各自的入射光线平行且不重叠的逆向反射光I和II，逆向反射光I和II相互平行；

(3)逆向反射光I和II射入到固定单元100中由两个反射平面互成90°的平面反射镜2和6构成的交叉反射装置经过二次90°交叉反射，形成分别沿逆向反射光II和I的光线逆向出射的二次反射光I和II；

其中，逆向反射光I先射入沿其光线方向设置的平面反射镜2，经90°反射后再射入与平面反射镜2垂直设置的平面反射镜6，经过再一次90°反射后，形成沿沿逆向反射光II的光线逆向出射的二次反射光I；逆向反射光II先射入沿其光线方向设置的平面反射镜6，经90°反射后再射入与平面反射镜6垂直设置的平面反射镜2，经过再一次90°反射后，形成沿沿逆向反射光I的光线逆向出射的二次反射光II。

(4)二次反射光I和II分别射入移动单元200中的角锥棱镜9和8，并分别沿测量光线II和I的光线逆向返回至固定单元100中第二偏振分光器4和第一偏振分光器3，分别形成透过第二偏振分光器4的探测光线I和被第一偏振分光器3垂直反射的探测光线II；

探测光线I和II分别射入第一探测器7和第二探测器5；

即，

线偏振光对应的二次反射光I透过第二偏振分光器4，入射到探测器7上；·线偏振光对应的二次反射光II经过第一个偏振分光器3反射到探测器5上；

(7)探测器7和5分别采集获得两束平行探测光线I和II位置的变化，位置变化大小转化为电信号，该电信号经计算机差分处理后，再除以两角锥棱镜之间的距离得到被测的滚转角的大小和方向，其中正负号来判断滚转角的方向。

还可以将上述的探测器设为二维探测器，探测器可同时产生二维位置变化的信号，第一探测器和第二探测器的竖直方向位置信号经过差分后，再除以两角锥棱镜之间距离得到滚转角信号。第一探测器和第二探测器的水平方向位置信号经过平均处理后，得到水平方向直线度误差。

透射线偏振光和反射线偏振光交叉逆向行进彼此不影响；光路在同一平面内。

很明显，实现本发明的滚转角测量方法的装置还可以有其它的多种变形。

如：用于二次90°交叉反射的交叉反射装置还可以通过其它器件来替代，如图4所示的实现本发明的滚转角测量方法的装置的第三种实施方式中，利用两个五角棱镜10和11替代第一种实施方式中的两个平面反射镜2和6，其共路平行线测量滚转角方法和效果与第一种实施方式实现的滚转角测量方法和效果相同。

图5为图4中的五角棱镜对光线平移示意图；

由图5可以看出，当入射光在水平方向有一个平移，则出射光也有一个平移，两个五角棱镜使光线反射的效果与两个互成90°平面反射镜效果是一样的，所不同的是，使用五角棱镜更方便安装调试。

再如：用于二次90°交叉反射的交叉反射装置的位置也可以有不同的变化，如图3所示的实现本发明的滚转角测量方法的装置的第二种实施方式中，将固定单元100中用于二次90°交叉反射的、由两个反射平面互成90°的平面反射镜2和6构成的交叉反射装置安装放置在两偏振分光器3和4的前端，其共路平行线测量滚转角方法和效果与第一种实施方式实现的滚转角测量方法和效果相同。

同样，如图6所示的实现本发明的滚转角测量方法的装置的第四种实施方式中，将固定单元100中用于二次90°交叉反射的、由两个五角棱镜构成的交叉反射装置安装放置在两偏振分光器3和4的前端，其共路平行线测量滚转角方法和效果与第一、三种实施方式实现的滚转角测量方法和效果相同。

图2给出了滚转角测量的原理示意图，其测量原理如下：

当移动单元200在直线导轨(待测系统)上移动，绕移动轴有滚转角时，移动单元200中两角锥棱镜8和9分别有相反方向的位移，通过探测器7和5得到两移动位移大小，可以计算出滚转角的大小。

由图2可得，当移动单元200绕着移动轴有滚转角θ时，则

$\mathrm{\θ}={\tan }^{-1}\frac{{\mathrm{\Δy}}_2-{\mathrm{\Δy}}_1}{L}---\left(1\right)$

其中Δy₂，Δy₁分别是角锥棱镜9和8在竖直方向的平移距离，L为两角锥棱镜中心点之间的距离。考虑到滚转角是一个小角度，则式(1)可化简为

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\Δy}}_2-{\mathrm{\Δy}}_1}{L}---\left(2\right)$

由几何光学知识我们可以得到，当角锥棱镜8和9在竖直方向有大小为Δy₂＝-Δy₁＝Δ，方向相反的平移，由于测量光分别两次经过角锥棱镜(每经过一次，光线平移放大2倍)，因此探测器5、7上光点的平移有4倍放大作用，即

Δ₅＝-Δ₇＝-4Δ              (3)

其中Δ₅、Δ₇分别为探测器上光点在竖直方向的平移。结合式(2)、(3)可以得到

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\Δy}}_2-{\mathrm{\Δy}}_1}{L}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_7-{\mathrm{\Δ}}_5}{4L}---\left(4\right)$

由式(4)可知，两平行光线之间间距一样的条件下，本发明的测量分辨率是美国专利(专利号：US5798828)的4倍。

另外，由于两平行光路遵守共路的原则，因此空气场的扰动对测量结果的影响可以最大限度地消除，提高了测量的稳定性。

以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种滚转角测量方法，包括：使测量光线进入放置在待测系统上的滚转角敏感部件，采集获得从所述的滚转角敏感部件返回的测量光线的位置信号，经处理后得到滚转角的大小和方向，其特征在于，所述的返回的测量光线的位置信号的获得过程如下：

由激光器发出的准直激光经过第一偏振分光器偏振分光后产生互相垂直的透射线偏振光和反射线偏振光；

所述的透射线偏振光为测量光线I；

所述的反射线偏振光射入沿其光线方向设置的第二偏振分光器，被再次垂直反射，形成与透射线偏振光平行且不重叠的测量光线II，

所述的测量光线I和II分别射入沿各自的光线方向设置的第一和第二滚转角敏感部件，形成与各自的入射光线平行且不重叠的逆向反射光I和II；其中，测量光线I和II分别垂直于其入射的接触面，入射的接触面与待测系统的滚转轴平行；

所述的逆向反射光I和II分别经二次90°交叉反射后，形成分别沿逆向反射光II和I的光线逆向出射的二次反射光I和II；

所述的二次反射光I和II分别射入第二和第一滚转角敏感部件，并分别沿测量光线II和I的光线逆向返回至第二和第一偏振分光器，分别形成透过第二偏振分光器的探测光线I和被第一偏振分光器垂直反射的探测光线II；

探测光线I和II分别射入第一和第二探测器，第一和第二探测器采集获得探测光线I和II的位置信号。

2.如权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于：所述的滚转角敏感部件为角锥棱镜。

3.如权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于：所述的滚转角敏感部件为空心角锥棱镜。

4.如权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于：所述的滚转角敏感部件为猫眼结构。

5.如权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于：所述的二次90°交叉反射通过由反射平面互成90°的两平面反射镜构成的交叉反射装置实现。

6.如权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于：所述的二次90°交叉反射通过由两五角棱镜构成的交叉反射装置实现。

7.如权利要求1所述的滚转角测量方法，其特征在于，所述的第一偏振分光器和第二探测器之间的距离等于所述的第二偏振分光器和第一探测器之间的距离。

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