[發(fā)明專利]一種高分辨率的滾轉(zhuǎn)角測量裝置及測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210286430.5
• 申請日: 2012-08-13
• 公開（公告）號: CN102818541A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王昭;湯善治;高建民;鐘麗紅;郭俊杰
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué);陜西恒通智能機器有限公司
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于角度的光電測量領(lǐng)域，涉及一種多次反射式偏振光相位調(diào)制滾轉(zhuǎn)角測量裝置及測量方法，尤其是一種高分辨率的滾轉(zhuǎn)角測量裝置及測量方法。

背景技術(shù)

滾轉(zhuǎn)角測量一直以來制約著精密導(dǎo)軌運動副等精密機械加工水平的提高，尤其制約著數(shù)控機床的幾何精度檢測、誤差溯源及補償?shù)阮I(lǐng)域的發(fā)展，從而影響著整體機械加工、裝備制造水平。

所有的機械導(dǎo)軌運動副都具有三個回轉(zhuǎn)自由度（俯仰、偏擺和滾轉(zhuǎn)誤差）。俯仰角和偏轉(zhuǎn)角的測量方法和技術(shù)己發(fā)展較成熟且分辨率很高，如雙頻激光干涉儀法。而滾轉(zhuǎn)角的測量方法和技術(shù)發(fā)展則相對落后，主要是因為滾轉(zhuǎn)角平面與激光光束方向垂直，導(dǎo)致典型的、較成熟的高精度光學(xué)測量方法難以應(yīng)用于滾轉(zhuǎn)角測量。因此，對于滾轉(zhuǎn)角的高精度測量，國內(nèi)外還處于一種研究和探索階段，尚無成熟的、商業(yè)化的測量儀器面世。

目前，針對這一問題研究和探索歸納起來主要表現(xiàn)為以下幾方面：第一，以重力方向為基準(zhǔn)的電子水平儀測量，此方法類似于傳統(tǒng)水平儀，均是敏感元件感應(yīng)重力為基礎(chǔ)，實現(xiàn)測量平面與基準(zhǔn)平面的差異，從而完成滾轉(zhuǎn)角測量；它雖具有簡便的優(yōu)勢，但對于以豎直方向為軸的滾轉(zhuǎn)角檢測則無能為力。第二，以基于位置敏感探測器（PSD）的準(zhǔn)直激光位置為基準(zhǔn)的測量，原理是基于準(zhǔn)直激光被滾轉(zhuǎn)的被測對象反射后，其光斑相對初始位置發(fā)生變化被PSD探測，從而計算并完成滾轉(zhuǎn)角測量，它可易于實現(xiàn)多維測量，但測量分辨率受限于PSD的性能而難以提高，且易于受俯仰角和偏擺角的影響。第三，以準(zhǔn)直激光偏振方向為基準(zhǔn)的測量法，該方法包括基于光強、相位和頻率調(diào)制測量的三類，其中基于偏振光相位法，具有較高精度的優(yōu)點。此外，申請?zhí)枮?1130893.1，名稱為“滾轉(zhuǎn)角測量方法及其滾轉(zhuǎn)角測量儀”的專利在偏振光相位法的基礎(chǔ)上改進(jìn)光路設(shè)計將原有方法靈敏度在非線性增強的基礎(chǔ)上再提高4倍，但此方法及裝置難以再提高其分辨率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種高分辨率的滾轉(zhuǎn)角測量裝置及測量方法，提出一種基于透鏡的多次反射式偏振光相位調(diào)制滾轉(zhuǎn)角測量方法及其裝置，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的滾轉(zhuǎn)角測量；同時，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成等優(yōu)點。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來解決的：

一種高分辨率的滾轉(zhuǎn)角測量裝置，包括雙頻激光器、1/2波片、凸透鏡、平面反射鏡和角錐反射鏡；所述雙頻激光器的光軸后設(shè)置有分光棱鏡，所述分光棱鏡的透射光軸上依次設(shè)置有1/4波片和五五分光鏡；所述分光棱鏡的反射光軸上依次設(shè)置有第一檢偏器和第一光電接收器；所述五五分光鏡的透射光軸下方設(shè)置有角錐反射鏡；所述角錐反射鏡與凸透鏡相向設(shè)置，且凸透鏡光軸后焦平面上設(shè)置有平面反射鏡；所述1/2波片設(shè)置在角錐反射鏡和凸透鏡之間；所述五五分光鏡的反射光軸上依次設(shè)置有第二檢偏器和第二光電接收器；所述第一光電接收器和第二光電接收器的輸出端連接有相位計，所述相位計輸出端連接有計算機。

上述五五分光鏡的透射光軸與角錐反射鏡的中心軸平行設(shè)置，間距為h；所述角錐反射鏡的中心軸與凸透鏡的主軸平行，間距為Δh；且h與Δh滿足關(guān)系h/Δh=n，n為整數(shù)。

本發(fā)明還提出一種上述裝置的滾轉(zhuǎn)角測量方法，包括以下步驟：

1）雙頻激光器發(fā)出的光束經(jīng)過分光棱鏡后，被分成兩束光，其中反射光束經(jīng)過第一檢偏器后，被第一光電接收器接收，視為參考信號；

2）由分光棱鏡出射的透射光束經(jīng)過1/4波片后，入射到五五分光鏡，五五分光鏡的透射光束經(jīng)過1/2波片，經(jīng)凸透鏡聚焦后，被平面反射鏡反射，再經(jīng)凸透鏡平行出射，再經(jīng)過1/2波片；接著被角錐反射鏡反射后平行入射且經(jīng)過1/2波片，第2次經(jīng)凸透鏡聚焦被平面反射鏡反射，再經(jīng)凸透鏡平行射出，經(jīng)過1/2波片后，再次被角錐反射鏡反射；由于角錐反射鏡、1/2波片、凸透鏡和平面反射鏡共同構(gòu)成內(nèi)部反射腔；光束在腔內(nèi)經(jīng)過多次往返，并逐漸靠近凸透鏡光軸，當(dāng)該光束與凸透鏡光軸重合時，其透過凸透鏡，以0°角入射到平面反射鏡后被原路反射回來；接著該光束沿著原路依次往返返回；

3）光束經(jīng)過多次往返透過1/2波片后原路出射；經(jīng)五五光鏡反射后，經(jīng)過第二檢偏器后被第二光電接收器接收，視為測量信號；

4）測量信號與參考信號通過相位計鑒相后，將數(shù)據(jù)傳送給計算機，計算機根據(jù)相位變化與滾轉(zhuǎn)角關(guān)系解調(diào)計算出1/2波片的滾轉(zhuǎn)角即為被測滾轉(zhuǎn)角。

本發(fā)明具有以下有益效果：