基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法与装置与流程

本发明涉及光电检测的技术领域，具体涉及一种基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法与装置，可以实现特别难以测量的滚转角误差的测量。

背景技术：

机械导轨运动副都包括三个线性误差：沿轴向的位置误差和垂直于轴向的两个直线度误差，以及三个绕轴转动的角度误差：俯仰角、偏摆角和滚转角。如果仪器和机床在这些几何运动误差相应的方向上有阿贝臂，这些几何运动误差就会造成阿贝误差而影响它们的加工或测量精度。目前，减小或消除阿贝误差主要从结构上缩小阿贝臂、按不莱恩建议提高导轨运动精度和误差修正，以及按爱彭斯坦原则从结构上减小或消除阿贝误差的影响。由于机械结构和几何尺寸的限制，几乎所有的三坐标测量机和机床都有阿贝臂。因此，精确的测量这些几何运动误差对于仪器和机床的精度评定和误差修正是非常重要的。采用直角坐标系统的机床或三坐标测量机共有21项几何误差参数，其中18项误差可以用现成的干涉仪测量，包括最难测量的3项滚转角误差。

对于导轨五自由度的高精度测量有以下几种光学方法：

1.基于衍射技术的测量法，基于全息透镜的五自由度同时测量法[jberginmt,bartolottacs.multi-axisopticalalignmentsystemincludingaspatialfilter，美国专利号：3701602.1972]，该方法简单、元件少、成本低，但是其滚转角的测量对光束的稳定性要求很高，其测量精度不高。基于平面衍射光栅的五自由度同时测量方法[millerjm,bartonro.multi-axisalignmentapparatus，美国专利号：4804270.1989]测量精度较低，其移动固定单元连接电缆，限制了测量的方便性。kim提出的基于衍射光栅的六自由度同时测量方法[kimja,kimkc,baeew,etal.six-degree-of-freedomdisplacementmeasurementsystemusingadiffractiongrating[j].reviewofscientificinstruments,2000]测量精度较低，且衍射光的发散导致系统的测量范围只有几毫米，不适用于现场测量。

2.基于激光干涉与准直的测量方法，brucel.等人提出一种基于2平行光的五自由度同时测量系统[thomasbl,basshm,loftuslk,etal.laseralignedfive-axispositionmeasurementdevice，美国专利号：us5798828.1998.]，该方法系统结构简单、只要调整探测器间的距离即可达到不同的测量分辨率。但两束光线的平行性与光斑一致性很难调整，会造成测量误差，且移动固定单元带电缆，不方便高速数控机床的动态测量。lau提出的一种五自由度或者六自由度同时测量系统[laukc,liuyq.five-axis/six-axislasermeasuringsystem:ep,美国专利号：us6049377[p].2000]，该系统测量精度高，是目前世界上唯一商用的多自由度同时测量系统，但是系统移动单元带电缆连接，不适于现场的高速和长距离测量，同时该系统的滚转角测量还需要电子水平仪，不能应用在竖直轴的滚转角的测量，并且造价昂贵。liu提出的一种六自由度同时测量的方法[liuch,jywewy,hsucc,etal.developmentofalaser-basedhigh-precisionsix-degrees-of-freedommotionerrorsmeasuringsystemforlinearstage[j].reviewofscientificinstruments,2005]和kuangc等人提出的一种五自由度同时测量方法[kuangc,honge,nij.ahigh-precisionfive-degree-of-freedommeasurementsystembasedonlasercollimatorandinterferometrytechniques[j].reviewofscientificinstruments,2007]以及huangp等人提出的一种五自由度同时测量的方法[huangp,liy,weih,etal.five-degrees-of-freedommeasurementsystembasedonamonolithicprismandphase-sensitivedetectiontechnique.[j].appliedoptics,2013]，这些方法也是基于激光干涉和激光准直结合的测量方法具有测量精度较高，集成度较高，测量范围大，可是测量系统体积大，光源的持续发热会引起激光漂移以及抗干扰能力较差等诸多问题。

3.基于激光光栅干涉的测量方法，liuch等人提出了一种五自由度同时测量方法[liuch,huanghl,leehw.five-degrees-of-freedomdiffractivelaserencoder.[j].appliedoptics,2009]和lee提出的一种简单的六自由度同时测量方法[leecb,kimgh,leesk.designandconstructionofasingleunitmulti-functionopticalencoderforasix-degree-of-freedommotionerrormeasurementinanultraprecisionlinearstage[j].measurementscience&technology,2011]，上述方法均基于激光光栅干涉技术，测量原理和系统结构较简单，但是精密衍射光栅的尺寸有限，因此测量范围较小。

技术实现要素：

针对现有导轨五自由度的高精度测量方法测量精度低、测量范围小，抗干扰能力差等问题，本发明提出一种基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法与装置，光学结构简单紧凑，便于实际操作，精度、稳定性及经济性均较好。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法，其步骤如下：

步骤一：激光器发出激光，经过准直透镜准直后出射；经过准直透镜准直后的光束经过分光棱镜出射后，光束通过隔离器、偏振分光棱镜、四分之一波片入射到位于测试平台上的镀有分束膜的直角棱镜的斜边面上；

步骤二：镀有分束膜的直角棱镜的反射光束返回，经过四分之一波片后光束偏振方向发生变化，然后又经过偏振分光棱镜分束后，由位于聚焦透镜焦平面的位置敏感探测器接收，当待测平台发生俯仰和偏摆时，反射光束在位置敏感探测器上的聚焦光点位置发生变化，位置敏感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俯仰角和偏摆角误差测量；

步骤三：分束后的透射光束进行入镀有分束膜的直角棱镜，经镀有分束膜的直角棱镜的直角边折射后射出，经分光器分束后到达四象限探测器，当发生待测直线度误差时，透射光束在四象限探测器上的光斑位置发生变化，四象限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的待测水平方向直线度误差值；

步骤四：将镀有分束膜的直角棱镜的反射光束和进入镀有分束膜的直角棱镜后射出的透射光束分别经不同的分束器进行分束，两个不同的四象限探测器接收分束后的光束，差分运算后实现滚转角测量；

步骤五：将镀有分束膜的直角棱镜的反射光束和进入镀有分束膜的直角棱镜后射出的透射光束分别经不同的分束器进行分束，光束分别到达位于两个聚焦透镜焦平面的两个位置敏感探测器并进行接收处理，差分运算后得到光漂量，实现光漂补偿；

步骤六：将镀有分束膜的直角棱镜旋转90度，激光器发出激光，经过准直透镜准直后出射，出射光束经过分光棱镜和直角棱镜向上平移，平移后的光束通过隔离器、偏振分光棱镜、四分之一波片入射到位于测试平台上的镀有分束膜的直角棱镜的斜边面上，经镀有分束膜的直角棱镜透射后，经四分之一波片和偏振分光棱镜反射、分束器透射后到达四象限探测器并接收处理，实现垂直方向直线度误差的测量。

所述水平方向直线度误差的测量的方法为：当镀有分束膜的直角棱镜沿测导轨移动时，被测导轨的直线度误差δx将使镀有分束膜的直角棱镜发生相应位移δx，由直角棱镜特性可知，经其透射返回的准直光束在四象限探测器上的光斑位移为2δx。

所述步骤六中经镀有分束膜的直角棱镜透射后返回的光束中包含了垂直直线度信息，当镀有分束膜的直角棱镜沿测导轨移动时，被测导轨的直线度误差δy将使镀有分束膜的直角棱镜发生相应位移δy；由直角棱镜特性可知，经镀有分束膜的直角棱镜透射返回的准直光束再经四分之一波片、偏振分光棱镜、分束器，由四象限探测器接收，在四象限探测器上的产生的光斑位移为2δy，实现垂直直线度测量。

一种基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的装置，包括固定单元和移动单元，移动单元固定在测试平台上；所述移动单元包括镀有分束膜的直角棱镜，镀有分束膜的直角棱镜固定在沿导轨移动的测量平台上；所述固定单元包括由激光器、准直透镜、棱镜组件、偏振分光棱镜、四分之一波片、隔离器、分束器、四象限探测器、位置敏感探测器、聚焦透镜和信号处理电路，准直透镜、棱镜组件、隔离器、偏振分光棱镜和四分之一波片依次设置在激光器和镀有分束膜的直角棱镜之间的光线上；所述分束器包括分束器ⅰ和分束器ⅱ，四象限探测器包括四象限探测器ⅰ和四象限探测器ⅱ，位置敏感探测器包括位置敏感探测器ⅰ和位置敏感探测器ⅱ，聚焦透镜包括聚焦透镜ⅰ和聚焦透镜ⅱ，分束器ⅰ和聚焦透镜ⅰ依次设置在镀有分束膜的直角棱镜的透射光束的光线上，位置敏感探测器ⅰ设置在聚焦透镜ⅰ的焦平面上，四象限探测器ⅱ设置在分束器ⅰ的光路上；分束器ⅱ和四象限探测器ⅰ设置在偏振分光棱镜的光路上，聚焦透镜ⅱ和位置敏感探测器ⅱ设置在分束器ⅱ的光路上，位置敏感探测器ⅱ设置在聚焦透镜ⅱ的焦平面上；所述位置敏感探测器ⅰ、位置敏感探测器ⅱ、四象限探测器ⅰ和四象限探测器ⅱ均与信号处理电路相连接，信号处理电路与处理终端相连接。

所述镀有分束膜的直角棱镜固定在能旋转90度的旋转装置上，旋转装置固定在测量平台上。

所述棱镜组件包括分光棱镜和直角棱镜，直角棱镜设置在分光棱镜的上方。

所述激光器为he-ne激光器或半导体激光器的激光器；所述准直透镜是单透镜或透镜组。

本发明在激光器与镀有分束膜的直角棱镜之间设置准直透镜、棱镜组件、偏振分光棱镜、四分之一波片，实现对入射光和反射光的处理，通过四象限探测器和位置敏感探测器接收和测量分束后的反射光和透射光的信息，实现俯仰角、偏摆角和滚转角误差、水平方向直线度误差、垂直方向直线度误差和光漂补偿的测量。本发明采用一个镀有分束膜的直角棱镜为敏感器件，利用双光束差动测量，实现了误差分离，增强了抗干扰能力；使用了位置敏感探测器，实现了光漂补偿；使用了一个直角棱镜90度固定旋转装置，实现了垂直方向直线度误差的测量；使用光学器件少，光源功率低，成本低廉；光学结构简单紧凑，操作方便，移动部分可不带电缆，便于现场测量；测角分辨率可达0.3"，甚至更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明图1的直角棱镜旋转90度的正视结构示意图。

图3为本发明图2的局部正视放大示意图。

图中，1为激光器，2为准直透镜，3为棱镜组件，31分光棱镜，32直角棱镜，4为偏振分光棱镜，5为四分之一波片，6为镀有分束膜的直角棱镜，7为分束器ⅰ，8为聚焦透镜ⅰ，9为位置敏感探测器ⅰ，10为分束器ⅱ，11为四象限探测器ⅰ，12为四象限探测器ⅱ，13为聚焦透镜ⅱ，14为位置敏感探测器ⅱ，15为隔离器，16为信号处理电路，17为计算机，101为固定单元，102为移动单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的方法，其步骤如下：

步骤一：激光器发出激光，经过准直透镜准直后出射；经过准直透镜准直后的光束经过分光棱镜出射后，光束通过隔离器、偏振分光棱镜、四分之一波片入射到位于测试平台上的镀有分束膜的直角棱镜的斜边面上。

如图1和图2所示，镀有分束膜的直角棱镜6是固定在测试平台上的，可以沿被测直线导轨移动的，分束膜只设置在镀有分束膜的直角棱镜6的斜边上的一侧，设有分束膜的直角棱镜6的侧部可以将入射光束分成两束：一束反射光和一束透射光。激光器1发出的激光，经过准直透镜2准直出射后，分别经分光棱镜31分束、隔离器15选择此时所需透过光束、偏振分光棱镜4出射、四分之一波片5垂直入射到镀有分束膜的直角棱镜6上。进入镀有分束膜的直角棱镜6上的入射光束会被分束，一束经镀有分束膜的直角棱镜6的斜边面反射直接返回，包含了俯仰角和偏摆角信息；另一束进入镀有分束膜的直角棱镜6的斜边面后透射，经过镀有分束膜的直角棱镜6的直角边折射后从其斜边面透射出来，该光束与入射光线平行，其包含了滚转角、俯仰角、水平直线度以及环境引起的光漂移信息。

设垂直入射到镀有分束膜的直角棱镜6上的入射光的方向矢量为i0＝[00-1]^t，由矢量矩阵法可知，当测量平台初始静止时，经镀有分束膜的直角棱镜6的反射和透射后光束的方向矢量分别为：

i1＝[001]^t，(1)，

i2＝[001]^t，(2)；

当测量平台发生移动时，镀有分束膜的直角棱镜6随之移动，设其绕x、y、z轴分别有α、β、γ的旋转角度，α为俯仰角、β为偏摆角、γ为滚转角，绕坐标轴的转角的正负遵从右手定则。镀有分束膜的直角棱镜6在x、y、z轴上的旋转矩阵分别为：

在α、β、γ均很小的情况下，旋转顺序的影响可忽略，略去高阶小量后，镀有分束膜的直角棱镜6的旋转矩阵为：

设镀有分束膜的直角棱镜6的各反射面的法线方向矢量为n＝[nx，ny，nz]，其反射矩阵为：

测量平台移动后，有n^r＝rn，则反射后的反射光束的方向矢量为：

其中，为反射矩阵m中的第一行组成的向量。入射光i0进入折射率为n的镀有分束膜的直角棱镜6后，其方向矢量为：

在镀有分束膜的直角棱镜6内经一次反射后的方向矢量为：

在镀有分束膜的直角棱镜6内两次反射后的方向矢量为：

经镀有分束膜的直角棱镜6返回的透射光束的方向矢量为：

步骤二：镀有分束膜的直角棱镜6的反射光束返回经过四分之一波片5和偏振分光棱镜4后，由位于聚焦透镜13焦平面的位置敏感探测器ⅱ14接收，可实现俯仰角和偏摆角误差测量。

反射光束经四分之一波片5和偏振分光棱镜4返回后，被偏振分光棱镜4折射，进入分束器ⅱ10，分束器ⅱ10分束的平行光通过聚焦透镜ⅱ8，进入位置敏感探测器ⅱ14接收。

镀有分束膜的直角棱镜的反射光束包含了俯仰角、偏摆角信息，当沿被测导轨移动的镀有分束膜的直角棱镜发生俯仰或者偏摆，对比公式(1)和(6)式，则经其反射的光束将发生其2倍的角度偏向，经聚焦透镜聚焦于位置敏感探测器上的像点发生相应的位移，有：

dy≈2fα,dx≈2fβ,(11)

式中，f为透镜焦距，dx和dy分别为像点在位置敏感探测器上x轴和y轴方向的位移。位置敏感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俯仰角和偏摆角误差测量。则：

α≈dy/(2f)，β≈dx/(2f)，(12)

由(12)式即可实现俯仰角和偏摆角测量。

步骤三：分束后的透射光束进行入镀有分束膜的直角棱镜，经镀有分束膜的直角棱镜的直角边折射后射出，经分光器分束后到达四象限探测器并进行接收处理，实现水平方向直线度误差的测量。

镀有分束膜的直角棱镜6返回的透射光经分束器ⅰ7分束，分束后的垂直光到达四象限探测器ⅱ12。当发生待测直线度误差时，透射光束在四象限探测器上的光斑位置发生变化，四象限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的待测水平方向直线度误差值。

当镀有分束膜的直角棱镜沿被测导轨移动时，被测导轨的直线度误差δx将使镀有分束膜的直角棱镜发生相应位移δx，由直角棱镜特性可知，经其透射返回的准直光束在四象限探测器上的光斑位移为2δx，水平直线度即可实现测量。

步骤四：将镀有分束膜的直角棱镜的反射光束和进入镀有分束膜的直角棱镜后射出的透射光束分别经不同的分束器进行分束，两个不同的四象限探测器接收分束后的光束，差分运算后实现滚转角测量。

镀有分束膜的直角棱镜6透射后射出返回的光束，包含了滚转角、俯仰角、水平直线度以及环境引起的光漂移信息。设镀有分束膜的直角棱镜6的斜边长为l，入射光i0与出射光i2之间距离为d，由公式(2)、(7)～(9)式可知，测量平台移动后透射光束射出镀有分束膜的直角棱镜6时，在y方向位移量为：

δy＝d·γ-lα/n；(13)。

设镀有分束膜的直角棱镜6到透射光束上的四象限探测器ⅱ12的初始距离为z0，测量平台沿z轴移动距离为δz，对比公式(2)和(9)式可知，镀有分束膜的直角棱镜6随测量平台移动后，透射光束同反射光束一样发生了-2α俯仰角度的变化，其到达四象限探测器ⅱ12时在y方向的位移量为：

δy1＝δy+(z0+δz)(-2α)＝dγ+δy2(14)，

式中，δy2＝(-2α)(z0+δz+l/2n)(15)。

由公式(1)和(6)式可知，δy2可由与镀有分束膜的直角棱,6相距z0+δz+l/2n的反射光束上的四象限探测器ⅰ11接收反射光束来获得，则：实现滚转角测量。

步骤五：将镀有分束膜的直角棱镜的反射光束和进入镀有分束膜的直角棱镜后射出的透射光束分别经不同的分束器进行分束，两束光束分别到达位于两个聚焦透镜焦平面的两个位置敏感探测器并进行接收处理，差分运算后得到角度光漂量，然后在原各误差测量值基础上角度光漂量所引起的测量误差，得到高精度的误差测量值，进而实现光漂补偿。

步骤六：将镀有分束膜的直角棱镜旋转90度，激光器发出激光，经过准直透镜准直后出射，出射光束经过分光棱镜和直角棱镜向上平移，平移后的光束通过隔离器、偏振分光棱镜、四分之一波片入射到位于测试平台上的镀有分束膜的直角棱镜的斜边面上，经镀有分束膜的直角棱镜透射后，经四分之一波片和偏振分光棱镜反射、分束器透射后到达四象限探测器并接收处理，实现垂直方向直线度误差的测量。

如图3所示，隔离器15向上移动，设置在直角棱镜32的水平方向的后侧。激光器1发出的激光经准直透镜2准直出射后，该光束经棱镜组件3、四分之一波片5垂直入射到旋转90度的镀有分束膜的直角棱镜6上。经镀有分束膜的直角棱镜6透射后返回的光束中包含了垂直直线度信息，当镀有分束膜的直角棱镜6沿测导轨移动时，被测导轨的直线度误差δy将使镀有分束膜的直角棱镜6发生相应位移δy。由直角棱镜特性可知，经镀有分束膜的直角棱镜6透射返回的准直光束再经四分之一波片5、偏振分光棱镜4、分束器ⅱ10，由四象限探测器接收ⅰ11，在四象限探测器ⅰ11上的产生的光斑位移为2δy，实现垂直直线度测量。

一种基于光束漂移补偿的五自由度误差同时测量的装置，包括固定单元101和移动单元102，移动单元102固定在测试平台上；所述移动单元102包括镀有分束膜的直角棱镜6，镀有分束膜的直角棱镜6固定在沿导轨移动的测量平台上；所述固定单元101包括由激光器1、准直透镜2、棱镜组件3、偏振分光棱镜4、四分之一波片5、隔离器15、分束器、四象限探测器、位置敏感探测器、聚焦透镜和信号处理电路16，准直透镜2、棱镜组件3、隔离器15、偏振分光棱镜4和四分之一波片5依次设置在激光器1和镀有分束膜的直角棱镜6之间的光线上；所述分束器包括分束器ⅰ7和分束器ⅱ10，四象限探测器包括四象限探测器ⅰ11和四象限探测器ⅱ12，位置敏感探测器包括位置敏感探测器ⅰ9和位置敏感探测器ⅱ14，聚焦透镜包括聚焦透镜ⅰ8和聚焦透镜ⅱ13，分束器ⅰ7和聚焦透镜ⅰ8依次设置在镀有分束膜的直角棱镜6的透射光束的光线上，位置敏感探测器ⅰ9设置在聚焦透镜ⅰ8的焦平面上，四象限探测器ⅱ12设置在分束器ⅰ7的光路上；分束器ⅱ10和四象限探测器ⅰ11设置在偏振分光棱镜4的光路上，聚焦透镜ⅱ13和位置敏感探测器ⅱ14设置在分束器ⅱ10的光路上，位置敏感探测器ⅱ14设置在聚焦透镜ⅱ13的焦平面上；所述位置敏感探测器ⅰ9、位置敏感探测器ⅱ14、四象限探测器ⅰ11和四象限探测器ⅱ12均与信号处理电路16相连接，信号处理电路16与计算机17相连接。

优选地，镀有分束膜的直角棱镜6固定在能旋转90度的旋转装置上，旋转装置固定在测量平台上，旋转装置可以将镀有分束膜的直角棱镜6旋转90度。所述棱镜组件3包括分光棱镜31和直角棱镜32，直角棱镜32设置在分光棱镜31的上方。所激光器1为he-ne激光器或半导体激光器的激光器；所述准直透镜2是单透镜或透镜组。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。