[发明专利]一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于角度的光电测量领域，具体涉及一种基于阵列式多次反射的偏振激光相位的滚转角测量方法及其装置。

背景技术

滚转角为衡量精密导轨运动副、数控机床等高端精密设备性能的一个重要指标，同时也是其误差的重要组成部分。它的测量技术水平直接影响着其产品的性能，为精密机械加工、制造与应用的基础。

所有的机械导轨运动副都具有三个回转自由度（俯仰、偏摆和滚转误差）。俯仰角和偏转角采用双频干涉仪测量可达到很高的精度，而由于滚转的平面与激光干涉仪光束方向垂直，因而滚转角的测量则是非常困难的，目前国内外还处于一种研究和探索阶段。

目前，国内外的相关领域都对这一问题进行过研究，有以重力方向为基准的电子水平仪测量、以基于PSD的准直激光位置为基准的测量、以准直激光偏振方向为基准的测量等。以重力方向为基准的电子水平仪测量法虽具有简便的优势，但对于以竖直方向为轴的滚转角检测则无能为力。以基于PSD的准直激光位置为基准的测量法，可易于实现多维测量，但测量分辨率受限于PSD的性能而难以提高，且易于受俯仰角和偏摆角的影响。以准直激光偏振方向为基准的测量法，该方法包括基于光强、相位和频率测量的三类，其中基于偏振光相位法，具有较高精度的优点。此外，公开号为CN1335483的专利在偏振光相位法的基础上改进光路设计将原有方法灵敏度在非线性增强的基础上再提高4倍。但此方法及装置难以再提高其分辨率。

本发明提出基于阵列式多次反射的偏振激光相位的滚转角测量方法，可实现滚转角测量,同时，可使角实现倍增放大从而达到提高分辨率的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法，该装置能够实现滚转角测量，同时，能够使角实现倍增放大从而达到提高分辨率的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置，包括双频激光器、1/2波片和两套角锥棱镜阵列；在所述双频激光器的光轴后设置有分光棱镜，所述分光棱镜的反射光轴上设有第一检偏器和第一光电接收器；所述分光棱镜的透射光轴上设有1/4波片；所述1/2波片位于两套角锥棱镜阵列中间；在两套角锥棱镜阵列的出射光轴上设有直角反射棱镜，在直角反射镜的反射光轴上设有第二检偏器和第二光电接收器；所述第一光电接收器和第二光电接收器的输出端连接有相位计，所述相位计连接至计算机。

上述两套角锥棱镜阵列由第一角锥棱镜阵列和第二角锥棱镜阵列平行设置组成，所述1/2波片位于第一、二角锥棱镜阵列之间。

本发明还提出一种基于上述装置的滚转角测量方法，包括以下步骤：

1）双频激光器发出的光束经过分光棱镜被分成两束光，其中反射光束第一检偏器后，由第一光电接收器接收，视为参考信号；

2）由分光棱镜出射的透射光束经过1/4波片后，入射到两套角锥棱镜阵列，经两套角锥棱镜阵列反复反射作用使光束往返经过1/2波片n次后，再出射到直角反射镜，再经第二检偏器后被第二光电接收器接收，视为测量信号；

3）测量信号与参考信号通过相位计鉴相，根据相位变化与滚转角关系计算出1/2波片的滚转角即为被测滚转角。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用1/2波片作为滚转角测量的探测元件，但它位于两套角锥棱镜阵列之间并因此组成一个内部多次反射装置。当双频激光器发出的光束经过分光棱镜被分成两束光，其中反射光束经检偏器，被光电探测器接收，视为参考信号；透射光束经过1/4波片，入射到两套角锥棱镜阵列，经它们反复反射作用使光束往返经过1/2波片n次后，再出射到直角反射镜，经检偏器后被光电探测器接收，为测量信号。测量信号与参考信号通过相位计鉴相，可计算出1/2波片的滚转角即被测滚转角，而所能测量的滚转角分辨率能力可提高到目前偏振光相位法的n倍。

本发明巧妙地将探测元件（1/2波片）置于两套角锥棱镜阵列中，从而形成一种新型多次反射法的偏振光相位滚转角测量方法，它克服了传统多次反射法局限于位移测量的不足，有效地将用于位移测量的阵列式多次反射法应用于滚转角测量。因此，它将不仅可解决传统激光干涉法难以测量与激光束方向垂直平面内的滚转角问题，而且与现有滚转角测量方法相比，可较大地提高滚转角测量的分辨率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的平面光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：