[发明专利]一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于角度的光电测量领域，涉及一种多次反射式偏振光相位调制滚转角测量装置及测量方法，尤其是一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法。

背景技术

滚转角测量一直以来制约着精密导轨运动副等精密机械加工水平的提高，尤其制约着数控机床的几何精度检测、误差溯源及补偿等领域的发展，从而影响着整体机械加工、装备制造水平。

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）。俯仰角和偏转角的测量方法和技术己发展较成熟且分辨率很高，如双频激光干涉仪法。而滚转角的测量方法和技术发展则相对落后，主要是因为滚转角平面与激光光束方向垂直，导致典型的、较成熟的高精度光学测量方法难以应用于滚转角测量。因此，对于滚转角的高精度测量，国内外还处于一种研究和探索阶段，尚无成熟的、商业化的测量仪器面世。

目前，针对这一问题研究和探索归纳起来主要表现为以下几方面：第一，以重力方向为基准的电子水平仪测量，此方法类似于传统水平仪，均是敏感元件感应重力为基础，实现测量平面与基准平面的差异，从而完成滚转角测量；它虽具有简便的优势，但对于以竖直方向为轴的滚转角检测则无能为力。第二，以基于位置敏感探测器（PSD）的准直激光位置为基准的测量，原理是基于准直激光被滚转的被测对象反射后，其光斑相对初始位置发生变化被PSD探测，从而计算并完成滚转角测量，它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。第三，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、相位和频率调制测量的三类，其中基于偏振光相位法，具有较高精度的优点。此外，申请号为01130893.1，名称为“滚转角测量方法及其滚转角测量仪”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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法，提出一种基于透镜的多次反射式偏振光相位调制滚转角测量方法及其装置，该方法能够实现高分辨率的滚转角测量；同时，它具有结构紧凑、易于集成等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

一种高分辨率的滚转角测量装置，包括双频激光器、1/2波片、凸透镜、平面反射镜和角锥反射镜；所述双频激光器的光轴后设置有分光棱镜，所述分光棱镜的透射光轴上依次设置有1/4波片和五五分光镜；所述分光棱镜的反射光轴上依次设置有第一检偏器和第一光电接收器；所述五五分光镜的透射光轴下方设置有角锥反射镜；所述角锥反射镜与凸透镜相向设置，且凸透镜光轴后焦平面上设置有平面反射镜；所述1/2波片设置在角锥反射镜和凸透镜之间；所述五五分光镜的反射光轴上依次设置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，所述相位计输出端连接有计算机。

上述五五分光镜的透射光轴与角锥反射镜的中心轴平行设置，间距为h；所述角锥反射镜的中心轴与凸透镜的主轴平行，间距为Δh；且h与Δh满足关系h/Δh=n，n为整数。

本发明还提出一种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后，被分成两束光，其中反射光束经过第一检偏器后，被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，入射到五五分光镜，五五分光镜的透射光束经过1/2波片，经凸透镜聚焦后，被平面反射镜反射，再经凸透镜平行出射，再经过1/2波片；接着被角锥反射镜反射后平行入射且经过1/2波片，第2次经凸透镜聚焦被平面反射镜反射，再经凸透镜平行射出，经过1/2波片后，再次被角锥反射镜反射；由于角锥反射镜、1/2波片、凸透镜和平面反射镜共同构成内部反射腔；光束在腔内经过多次往返，并逐渐靠近凸透镜光轴，当该光束与凸透镜光轴重合时，其透过凸透镜，以0°角入射到平面反射镜后被原路反射回来；接着该光束沿着原路依次往返返回；

3）光束经过多次往返透过1/2波片后原路出射；经五五光镜反射后，经过第二检偏器后被第二光电接收器接收，视为测量信号；

4）测量信号与参考信号通过相位计鉴相后，将数据传送给计算机，计算机根据相位变化与滚转角关系解调计算出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：