CN108168465B - 一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于滚转角的光电测量领域，具体为一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，包括单频稳频激光器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜和直角棱镜；消偏振分光棱镜的透射光轴和反射光轴上分别依次设置有声光调制器和反射镜；偏振分光棱镜的第二出射面依次设置有四分之一波片、二分之一波片和反射器，反射器的反射光轴上还设置有检偏器，检偏器的出射方向设置有第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器均与相位差探测器件连接，相位差探测器件连接有计算机。本发明测量装置中两测量光由同一滚转产生的相移相反，提高了测量分辨率，并且两光束的光程差小，受环境因素影响小，测量结果准确。

Description

一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置及方法

技术领域

本发明属于滚转角的光电测量领域，具体为一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置及方法。

背景技术

精密导轨在制造业、航空航天等工业中发挥着重要的作用。在直线导轨中存在着六项几何误差，分别是：定位误差、两个直线度误差、俯仰角、偏摆角及滚转角。滚转角误差作为高档机床几何误差的重要部分，其精度是衡量导轨性能的重要参考指标之一，它的测量是进行产品验收检验和进行误差补偿的关键。

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。

现有激光外差干涉测量方法中由于参考光和测量光存在很大的光程差，在大行程导轨的测量中，环境因素会对测量造成严重的影响，不能准确测量。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置及方法；两测量光束的光程相同，测量结果准确。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，包括单频稳频激光器、设置在单频稳频激光器出射光路的消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜和直角棱镜；消偏振分光棱镜的透射光轴上依次设置有第一声光调制器和第一反射镜；第一反射镜用于将第一声光调制器的第一衍射光反射到偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜反射光轴上依次设置有第二声光调制器和第二反射镜；第二反射镜用于将第二声光调制器的第二衍射光反射到偏振分光棱镜；第一衍射光与第二衍射光同为正一级或同为负一级；

所述偏振分光棱镜的第一出射面与直角棱镜的第一直角面连接，偏振分光棱镜的第二出射面的方向与直角棱镜的第二直角面的方向相同；偏振分光棱镜的第二出射面与直角棱镜的第二直角面的出射方向依次设置有四分之一波片、二分之一波片和反射器；二分之一波片的四分之一波片侧还设置有检偏器，检偏器的出射方向还设置有第一光电探测器和第二光电探测器；第一光电探测器用于接收从偏振分光棱镜的第二出射面出射并穿过四分之一波片和二分之一波片又经反射器反射再经过二分之一波片和检偏器的光束；第二光电探测器用于接收从直角棱镜的第二直角面出射并穿过四分之一波片和二分之一波片又经反射器反射再经过二分之一波片和检偏器的光束；第一光电探测器和第二光电探测器均与相位差探测器件连接，相位差探测器件连接有用于根据相位差得出滚转角的计算机。

所述单频稳频激光器出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜的入射面成45度。

所述第一声光调制器和第一反射镜之间设置有第一光阑，第一光阑设置有用于只允许第一声光调制器的一级衍射光通过的结构。

所述第二声光调制器和第二反射镜之间设置有第二光阑，第二光阑设置有用于只允许第二声光调制器的一级衍射光通过的结构。

所述第一声光调制器的第一射频量与第二声光调制器的第二射频量不同，第一射频量与第二射频量之间的差值在探测器的探测极限范围内。

所述反射器为后向反射棱镜或者两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜。

一种测量方法，包括：

1)单频稳频激光器发出的光束经过消偏振分光棱镜后，被分成透射光和反射光，透射光经过第一声光调制器产生第一衍射光，第一衍射光经第一反射镜反射到偏振分光棱镜；反射光经过第二声光调制器产生第二衍射光，第二衍射光经第二反射镜反射到偏振分光棱镜；第一反射镜和第二反射镜使得第一衍射光和第二衍射光在同一水平面上垂直相交；

第一衍射光的p分量和第二衍射光的s分量由偏振分光棱镜合成一束双频光作为测量光一；第一衍射光的s分量和第二衍射光的p分量由偏振分光棱镜合成一束偏振方向和测量光一相反的双频光作为测量光二，并由直角棱镜反射，反射后的测量光二与测量光一初始方向保持平行；

2)测量光一和测量光二透过四分之一波片后通过固定在被测物体上的二分之一波片，然后，两光束由反射器反射平行返回，再次通过二分之一波片；经过检偏器形成拍频信号后，分别被第一光电探测器和第二光电探测器对应接收；

3)第一光电探测器和第二光电探测器输出的信号输入到相位差探测器件鉴相，将数据传递给计算机，计算机根据两信号相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出二分之一波片所固定平面的滚转角Δα。

所述滚转角Δα的测量计算公式为：其中，Δψ为测量光一和测量光二的相位差变化量，K_a为测量系统的放大倍数，K_a＝8(tanθ+cotθ)，θ为四分之一波片快轴方向与测量光一中第一衍射光的p分量的夹角。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明测量装置共光路的布局降低了环境因素的干扰，利用了只起到参考作用的参考光束，通过消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜和直角棱镜将参考光束转化成两束测量光，并且两测量光束产生方向相反的相移，提高了测量分辨率，同时使用测量的两测量光束的光程差降低，受环境因素影响小，提高了测量精度，使测量结果准确。

进一步地，本发明的单频稳频激光器出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜的入射面成45度，45度设置使得消偏振分光棱镜能够将光束分为成分相同的两光束。

进一步地，本发明的第一声光调制器和第一反射镜之间设置有第一光阑，第一光阑设置有用于只允许第一声光调制器的一级衍射光通过的结构。这样设置使得其他级数的衍射光不能通过，能够遮挡光斑，使得光束的测量效果更好。

进一步地，本发明的第二声光调制器和第二反射镜之间设置有第二光阑，第二光阑设置有用于只允许第二声光调制器的一级衍射光通过的结构。这样设置使得其他级数的衍射光不能通过，能够遮挡光斑，使得光束的测量效果更好。

进一步地，本发明的第一声光调制器的第一射频量与第二声光调制器的第二射频量不同，第一射频量与第二射频量之间的差值在探测器的探测极限范围内。两个射频量不同能产生双频激光，双频激光行程的拍频信号频率为差频值。

进一步地，本发明的反射器为后向反射棱镜或者两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜。使得反射器能够更好的光束反射。

进一步地，本发明还公开了一种测量方法，通过测量光一和测量光二的相位测量，进而计算出滚转角，两测量光由同一个滚转角产生方向相反的相移，提高测量分辨率，另外测量光一和测量光二的光程相同，光程差小，测量精度高，速度快，设置调节方便。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图。

图中：1为单频稳频激光器；2为消偏振分光棱镜；3a为第一声光调制器；3b为第二声光调制器；4a为第一光阑；4b为第二光阑；5a第一反射镜；5b为第二反射镜；6为偏振分光棱镜；7为直角棱镜；8为四分之一波片；9为二分之一波片；10为反射器；11为检偏器；12a为第一光电探测器；12b为第二光电探测器；13为相位差探测器件；14为计算机。

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。

参见图1，一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，包括单频稳频激光器1、设置在单频稳频激光器1出射光路的消偏振分光棱镜2、偏振分光棱镜6和直角棱镜7；消偏振分光棱镜2的透射光轴上依次设置有第一声光调制器3a和第一反射镜5a；第一反射镜5a用于将第一声光调制器3a的第一衍射光反射到偏振分光棱镜6；消偏振分光棱镜2反射光轴上依次设置有第二声光调制器3b和第二反射镜5b；第二反射镜5b用于将第二声光调制器3b的第二衍射光反射到偏振分光棱镜6；第一衍射光与第二衍射光同为正一级或同为负一级；

所述偏振分光棱镜6的第一出射面与直角棱镜7的第一直角面连接，偏振分光棱镜6的第二出射面的方向与直角棱镜7的第二直角面的方向相同；偏振分光棱镜6的第二出射面与直角棱镜7的第二直角面的出射方向依次设置有四分之一波片8、二分之一波片9和反射器10；二分之一波片9的四分之一波片8侧还设置有检偏器11，检偏器11的出射方向还设置有第一光电探测器12a和第二光电探测器12b；第一光电探测器12a用于接收从偏振分光棱镜6的第二出射面出射并穿过四分之一波片8和二分之一波片9又经反射器10反射再经过二分之一波片9和检偏器11的光束；第二光电探测器12b用于接收从直角棱镜7的第二直角面出射并穿过四分之一波片8和二分之一波片9又经反射器10反射再经过二分之一波片9和检偏器11的光束；第一光电探测器12a和第二光电探测器12b均与相位差探测器件13连接，相位差探测器件13连接有用于根据相位差得出滚转角的计算机14。

所述单频稳频激光器1出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜2的入射面成45度。

所述第一声光调制器3a和第一反射镜5a之间设置有第一光阑4a，第一光阑4a设置有用于只允许第一声光调制器3a的一级衍射光通过的结构。

所述第二声光调制器3b和第二反射镜5b之间设置有第二光阑4b，第二光阑4b设置有用于只允许第二声光调制器3b的一级衍射光通过的结构。

所述第一声光调制器3a的第一射频量与第二声光调制器3b的第二射频量不同，第一射频量与第二射频量之间的差值在探测器12的探测极限范围内。

所述反射器10为后向反射棱镜或者两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜。

一种测量方法，包括：

1)单频稳频激光器1发出的光束经过消偏振分光棱镜2后，被分成透射光和反射光，透射光经过第一声光调制器3a产生第一衍射光，第一衍射光经第一反射镜5a反射到偏振分光棱镜6；反射光经过第二声光调制器3b产生第二衍射光，第二衍射光经第二反射镜5b反射到偏振分光棱镜6；第一反射镜5a和第二反射镜5b使得第一衍射光和第二衍射光在同一水平面上垂直相交；

第一衍射光的p分量和第二衍射光的s分量由偏振分光棱镜6合成一束双频光作为测量光一；第一衍射光的s分量和第二衍射光的p分量由偏振分光棱镜6合成一束偏振方向和测量光一相反的双频光作为测量光二，并由直角棱镜7反射，反射后的测量光二与测量光一初始方向保持平行；

2)测量光一和测量光二透过四分之一波片8后通过固定在被测物体上的二分之一波片9，然后，两光束由反射器10反射平行返回，再次通过二分之一波片9；经过检偏器11形成拍频信号后，分别被第一光电探测器12a和第二光电探测器12b对应接收；

3)第一光电探测器12a和第二光电探测器12b输出的信号输入到相位差探测器件13鉴相，将数据传递给计算机14，计算机14根据两信号相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出二分之一波片9所固定平面的滚转角Δα。

所述滚转角Δα的测量计算公式为：其中，Δψ为测量光一和测量光二的相位差变化量，K_a为测量系统的放大倍数，K_a＝8(tanθ+cotθ)，θ为四分之一波片8快轴方向与测量光一中第一衍射光的p分量的夹角。

其相位差变化量与滚转角的数学表达式的推导如下：

如图1所示，设偏振分光棱镜6和直角棱镜7出射的测量光一和测量光二的电矢量分别为B₁和B₂，并分别以B₁中两矢量方向作为x轴、y轴，光线传播方向为z轴建立坐标系；四分之一波片8的F(快轴)与x轴夹角为θ；二分之一波片9的F轴与x轴夹角为α；检偏器11与x轴的夹角为γ，则可用琼斯矩阵表示测量信号如下：

其中，B₁为测量光一的琼斯矩阵，B₂为测量光二的琼斯矩阵，P为检偏器11的琼斯矩阵；H表示二分之一波片9的琼斯矩阵；Q为四分之一波片8的琼斯矩阵。它们分别为：

P＝[cosγ sinγ],

将以上表达式代入式(1)，可得两测量信号的交流分量：

在式(2)和(3)中，k₁和k₂与测量信号的光强值成正比；

那么，两信号的相位差ψ为

ψ＝2[tan^-1(tanθtan(4α+γ))+tan^-1(cotθtan(4α+γ))] (4)

在4α+γ＝n×90°(n＝0,1,2,、、、)时，相位差ψ与滚转角α的关系为近似线性，定义K_a为测量系统放大倍数，在线性区域有：

K_a＝dψ/dα＝8(tanθ+cotθ) (5)

即：

Δψ＝K_a·Δα (6)

Δα即滚转角的微小变化量，由传感元件二分之一波片9的滚转引起，为被测量；Δψ为测量光一和测量光二的相位差变化量。

因此，由式(6)得滚转角Δα的测量计算公式为：

当四分之一波片与x轴夹角θ＝2°时，K_a为228。此时，若相位计分辨率为0.01°，则该方法可测得的滚转角分辨率为0.13″，正负号通过系统标定来确定。

图1中，第一反射镜5a后f₁的两个箭头表示频率为f₁的光在两个方向的分布，第二反射镜5b后的两个箭头表示频率为f₂的光在两个方向的分布，测量光一中箭头表示，频率f₁在x方向分布，频率f₂在y方向。测量光二中箭头同理。

综上所述，本发明测量装置，利用了只起到参考作用的参考光束，将其转化成两束测量光，并且使两测量光束产生方向相反的相移，使测量灵敏区翻倍。该发明装置具有高的角分辨率，同时，与现有滚转角测量方法相比，由于共光路布局，降低了环境因素的干扰。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。

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 (8)

1.一种共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，其特征在于，包括单频稳频激光器(1)、设置在单频稳频激光器(1)出射光路的消偏振分光棱镜(2)、偏振分光棱镜(6)和直角棱镜(7)；消偏振分光棱镜(2)的透射光轴上依次设置有第一声光调制器(3a)和第一反射镜(5a)；第一反射镜(5a)用于将第一声光调制器(3a)的第一衍射光反射到偏振分光棱镜(6)；消偏振分光棱镜(2)反射光轴上依次设置有第二声光调制器(3b)和第二反射镜(5b)；第二反射镜(5b)用于将第二声光调制器(3b)的第二衍射光反射到偏振分光棱镜(6)；第一衍射光与第二衍射光同为正一级或同为负一级；

所述偏振分光棱镜(6)的第一出射面与直角棱镜(7)的第一直角面连接，偏振分光棱镜(6)的第二出射面的方向与直角棱镜(7)的第二直角面的方向相同；偏振分光棱镜(6)的第二出射面与直角棱镜(7)的第二直角面的出射方向依次设置有四分之一波片(8)、二分之一波片(9)和反射器(10)；二分之一波片(9)的四分之一波片(8)侧还设置有检偏器(11)，检偏器(11)的出射方向还设置有第一光电探测器(12a)和第二光电探测器(12b)；第一光电探测器(12a)用于接收从偏振分光棱镜(6)的第二出射面出射并穿过四分之一波片(8)和二分之一波片(9)又经反射器(10)反射再经过二分之一波片(9)和检偏器(11)的光束；第二光电探测器(12b)用于接收从直角棱镜(7)的第二直角面出射并穿过四分之一波片(8)和二分之一波片(9)又经反射器(10)反射再经过二分之一波片(9)和检偏器(11)的光束；第一光电探测器(12a)和第二光电探测器(12b)均与相位差探测器件(13)连接，相位差探测器件(13)连接有用于根据相位差得出滚转角的计算机(14)。

2.根据权利要求1所述的共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，其特征在于，所述单频稳频激光器(1)出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜(2)的入射面成45度。

3.根据权利要求1所述的共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，其特征在于，所述第一声光调制器(3a)和第一反射镜(5a)之间设置有第一光阑(4a)，第一光阑(4a)设置有用于只允许第一声光调制器(3a)的一级衍射光通过的结构。

4.根据权利要求1所述的共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，其特征在于，所述第二声光调制器(3b)和第二反射镜(5b)之间设置有第二光阑(4b)，第二光阑(4b)设置有用于只允许第二声光调制器(3b)的一级衍射光通过的结构。

5.根据权利要求1所述的共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，其特征在于，所述第一声光调制器(3a)的第一射频量与第二声光调制器(3b)的第二射频量不同，第一射频量与第二射频量之间的差值在探测器(12)的探测极限范围内。

6.根据权利要求1所述的共光路激光外差干涉法滚转角高精度测量装置，其特征在于，所述反射器(10)为后向反射棱镜或者两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜。

7.一种根据权利要求1-6任意一项所述的共光路式激光外差干涉法滚转角高精度测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

1)单频稳频激光器(1)发出的光束经过消偏振分光棱镜(2)后，被分成透射光和反射光，透射光经过第一声光调制器(3a)产生第一衍射光经第一反射镜(5a)反射到偏振分光棱镜(6)；反射光经过第二声光调制器(3b)产生第二衍射光经第二反射镜(5b)反射到偏振分光棱镜(6)；第一反射镜(5a)和第二反射镜(5b)使得第一衍射光和第二衍射光在同一水平面上垂直相交；

第一衍射光的p分量和第二衍射光的s分量由偏振分光棱镜(6)合成一束双频光作为测量光一；第一衍射光的s分量和第二衍射光的p分量由偏振分光棱镜(6)合成一束偏振方向和与测量光一相反的双频光作为测量光二，并由直角棱镜(7)反射，反射后的测量光二与测量光一初始方向保持平行；

2)测量光一和测量光二透过四分之一波片(8)后通过固定在被测物体上的二分之一波片(9)，然后，两光束由反射器(10)反射平行返回，再次通过二分之一波片(9)；经过检偏器(11)形成拍频信号后，分别被第一光电探测器(12a)和第二光电探测器(12b)对应接收；

3)第一光电探测器(12a)和第二光电探测器(12b)输出的信号输入到相位差探测器件(13)鉴相，将数据传递给计算机(14)，计算机(14)根据两信号相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出二分之一波片(9)所固定物体的滚转角Δα。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述滚转角Δα的测量计算公式为：其中，Δψ为测量光一和测量光二的相位差变化量，K_a为测量系统的放大倍数，K_a＝8(tanθ+cotθ)，θ为四分之一波片(8)快轴方向与测量光一中第一衍射光的p分量的夹角。