[发明专利]一种全光路光漂补偿的高精度滚转角测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，特别涉及一种实现激光光线漂移完全补偿的滚转角测量方法及装置。

背景技术

在高精密机械制造、加工、检测等领域，修正几何及运动误差提高直线运动系统精度至关重要，因此，六自由度误差的高精度测量方法与技术研究一直是一个重要课题，而滚转角误差是六自由度误差中最难测量的一个参数。此外，滚转角测量也广泛用于姿态识别、安装定位等方面。

传统的滚转角测量方法主要是以重力方向为基准的电子水平仪及以四方铁的位置为基准的组合测量法，电子水平仪无法测量竖直轴方向的几何误差，四方铁组合测量法属于接触式测量。光学测量方法可以克服传统方法的局限性，主要包括以下几类：

1.干涉法。例如目前机床检测中主要采用的双频激光干涉法方法，优点是精度高，抗干扰能力强，但需要分步测量两个不同位置的直线度来计算出滚转角大小，不能用于实时测量。此外还有其他基于特定结构的干涉测量方法(如美国专利US5056921、中国专利ZL2009101673099)和基于双频激光拍频干涉及相位检测的测量方法(如中国专利ZL011308931)，虽然可以获得很高的测量分辨率，但对元件加工要求高，测量系统复杂，给实际应用带来不便。

2.衍射法。利用光栅衍射光束作为测量光实现滚转角测量的方法(如美国专利US4804270，中国专利ZL2008101188633)，衍射法结构简单，但测量分辨率不够高，且测量单元移动范围有限。

3.偏振法。此类以光的偏振方向为基准的测量方法很多。比如，基于正交双偏振光的液晶光阀或双激光器分时调制法(中国专利ZL021236429)，以及一种测量移动单元无电缆的方法(中国专利ZL2005100118771)。此类方法将滚转角误差转换为光强变化，测量灵敏度受限于测量光的偏振度、信号放大电路信噪比等而难以提高。

4.激光准直法。最典型的是平行双光束法，基于激光准直特性，通过探测两束平行激光准直光束的光斑位置变化，计算得到滚转角。如美国专利US5798828、文献“Development of a laser-based high-precision six-degrees-of-freedom motion errors measuring system for linear stage”(Chien-Hung Liu.Review of Scientific instruments，2005，76(5)，055110)以及中国专利ZL2010101664995等所提出的方法。此类方法结构简单，易于多参数同时测量集成，但双光束的平行调节困难，此外，激光光线漂移的影响限制了测量精度的提高。虽然在中国专利ZL2010101664995和文献“多自由度误差同时测量中滚转角高精度测量方法的研究”(翟玉生，博士论文，北京交通大学，2012)所提出方法中采用的共路结构以及双光路差分测量，可以基本消除激光光线平行漂移以及共模噪声的影响，但对于双光路中单一光路上的激光光线角度漂移的影响仍然无法消除。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于激光准直技术，光路调节简单，可实现全光路激光光线漂移完全补偿的高精度滚转角测量方法及装置。

本发明提出的一种实现激光光线漂移补偿的滚转角测量方法，可以通过以下步骤来实现：

1.激光器发出的激光经准直后出射；

2.所述准直光束经五角分光棱镜后产生出射方向互相垂直的透射光和反射光；

3.所述的透射光为测量光束1；所述的反射光经五角棱镜后出射方向改变90度，形成与测量光束1平行并且出射方向一致的测量光束2；

4.所述测量光束1和测量光束2沿待测滚转角转轴方向，分别对应入射到作为滚转角敏感元件的逆向反射器1和逆向反射器2上，各自形成与入射光方向平行的逆向反射光；

5.所述两束逆向反射光分别经同一个光学结构发生平移并且反向，其中，对于上述光学结构，光束1的入射点与光束2的出射点重合，光束1的出射点与光束2的入射点重合；

6.所述平移且反向的光束1和光束2，分别对应入射到逆向反射器2和逆向反射器1上，再次逆向反射，至此，两束测量光1和2的路径完全重合，但传输光路互逆；

7.所述测量光束1和测量光束2分别经单向变向器1和单向变向器2改变方向，并入射到光电探测器1和光电探测器2，当发生待测滚转时，两束测量光在两个光电探测器上的光斑位置发生变化，光电探测器输出的光电信号经过信号处理电路后，送入处理终端获得包含激光光线漂移误差的待测滚转角值；