[發明專利]組合式反射鏡光柵外差干涉的滾轉角測量裝置及方法

在審

• 申請號: 201610136719.7
• 申請日: 2016-03-10
• 公開（公告）號: CN105674917A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 湯善治;李明;韓慶夫;張偉偉;盛偉繁
• 申請（專利權）人: 中國科學院高能物理研究所
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 北京律智知識產權代理有限公司 11438
• 代理人: 姜怡;闞梓瑄

技術領域

本發明涉及激光精密測量技術領域，尤其涉及一種組合式反射鏡光柵 外差干涉的滾轉角測量裝置及方法。

背景技術

精密導軌運動副是現代精密工程的關鍵共性運動部件，廣泛應用于同 步輻射、數控機床、航天軍工等高科技術領域。所有導軌運動副都存在3 個自由度的轉角誤差即俯仰角、偏擺角和滾轉角。滾轉角測量是誤差補償、 精度改善的前提和基礎，也是精密基準計量和幾何量測量的關鍵技術之 一。相對于前兩者，現有滾轉角測量方法或儀器難以滿足高精度的測量需 求，如同步輻射面形檢測中導軌滾轉角要求2″范圍內精度好于0.2″, 主要是因為滾轉的角位移垂直于導軌運動方向,造成雙頻激光干涉儀/自 準直儀等高精度成熟測角儀無法直接用于滾轉角測量。

目前，針對滾轉角測量難題，主要研究探索集中在如下幾方面：

第一，激光干涉法。R.R.Baldwin的美國專利US3790284提出了一 種雙渥拉斯頓棱鏡的干涉方法，但反射鏡和雙渥拉斯頓棱鏡的裝調對齊要 求高且成本較高，所以限制了其應用推廣；W.Hou的美國專利US 2010/0141957和中國專利公開號為CN101650166A在此基礎上提出了一 種滾轉角干涉測量系統，利用楔形棱鏡代替渥拉斯頓棱鏡作為傳感元件隨 待測對象一起運動，這降低了成本但卻增加了相位計使系統結構復雜了， 且仍嚴格要求光斑與楔形棱鏡中心對稱，這在滾轉中心非恒定的測量場合 難以應用；R.J.Chaney的美國專利US5056921也提出一種多光束的平面 鏡干涉儀法，由于平面鏡貫穿整個線性運動的行程，所以較長且高精度的 平面反射鏡是技術實現的瓶頸。

第二，自準直與PSD結合的方法。WeiGao等人的“Measurementand controlofrollingofaprecisionmovingtable”(ProceedingsoftheIEEE Internationalconferenceonintelligentprocessingsystems,1997,28-31:70-74) 提出一種基于激光自準直和PSD結合的方法，利用兩個差動式PSD探測 器，實現滾轉角測量，該方法對平面反射鏡的表面質量提出了較高的要求， 且其易受溫度、應力變形等因素的影響，從而降低了測量可靠性；匡萃方 等的中國專利公開號為CN101846506A《基于共路平行光線的滾轉角測量 方法》基于激光自準直原理采用對稱光路提高靈敏度，通過測量反射后的 光斑位置信息，獲得滾轉角測量值，共光路結構雖然提高了抗干擾性，但 該方法結構相對復雜，增加調節難度，且易受直線度影響。

第三，基于偏振特性的光強法。章恩耀等人的中國專利公開號為 CN1396435A《基于正交雙偏振光的滾轉角光電檢測方法及裝置》揭示了 采用相位差為180°的兩列方法，分別調制光路中的兩個半導體激光器產 生兩束分時交替的正交偏振光，經檢偏器后產生光強差值，從而得到滾轉 角的值；匡萃方等的中國專利公開號為CN1687701A《一種滾轉角測量方 法與裝置》公開了以1/4波片為傳感元件，由渥拉斯頓棱鏡分光，通過多 象限探測器探測兩光強差即電壓差而實現滾轉角測量的方法；史恩秀等人 的中國專利公開號為CN101354243A《導軌滾轉角的非接觸激光檢測方 法》公開了以1/2波片為傳感元件，通過偏振分光棱鏡對線偏振光進行分 光，探測兩束的光強差的滾轉角測量方法；馮其波等人的中國專利公開號 為CN101339012A《一種基于光柵的滾轉角測量方法與裝置》揭示了一種 將一維平面透射光柵作為傳感元件進行分光，通過探測兩光斑位置變化獲 得滾轉角測量值。它對反射鏡精度要求較高，且為非線性響應需標定；匡 萃方等人的中國專利公開號為CN103162645A《一種基于橢偏度測量的滾 轉角誤差測量方法》公開了以1/2波片為傳感元件，利用線偏振光經1/4 波片變為橢圓偏振光，通過光電探測器探測光強最大和最小值進行初始橢 偏度計算得到實時滾轉角信息。測量時檢偏器的旋轉尋找最大和最小光強 值將影響效率和精度。該方法基于光強，易受環境、光源等因素影響，通 常其分辨率受到限制。