一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置的制造方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及一种光电测量技术，特别涉及一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置。【
背景技术：
】[0002]作为精密机械制造领域的关键设备，数控机床和加工中心几何位置的精确测量是加工精度的基本保证。精密运动系统作为精密加工及精密测量领域中至关重要的一个环节，直接影响加工工件的精度。因此改善运动定位系统的精度已成为工具、机床乃至制造业发展的重点工作。[0003]近年来，对超精密位移的精度要求越来越高，在光栅刻划工作台和各种大型精密扫描定位装置中，例如扫描定位台和大范围扫描探针显微镜等，对6个自由度的运动精度要求达到了纳米级，这就意味着必须对位移运动过程中的各种角误差严格控制。利用现有的各种双频激光干涉仪已经可以较方便地完成俯仰角和偏摆角的测量，而滚转角误差，其是随着直线前进的同时绕直线运动轴旋转，一般垂直于探测光束，普通的角度测量方法无法直接运用。[0004]长期以来国内外专家、学者对滚转角的高精度测量展开了各类研究，并获得了很多有一定实用价值的光学测量方法。主要有以下几类：[0005]1.准直激光测量法。该方法用激光光线的空间位置作为基准，探测被测件的滚转所引起的激光位置或方向的变化。一种是借助与行程等长的平面反射镜[WeiGao.Measurementandcontrolofrollingofaprecisionmovingtable.ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonIntelligentProcessingSystems.1997]?利用被测件滚转引起平面反射镜滚转，使入射探测光经平面反射镜后到探测器的位置变化来测出滚转角。该方法测量时需要在导轨一侧安装一块与导轨相同长度的平面镜，实际中难以实现。另一种是采用平行光束测量法，结合四象限探测器等位置敏感器件来检测运动部件滚转所导致的平行光束在垂直运动轴向平面的光斑位置平移，通过三角计算求得滚车专角[JohnC.Tsai.Ratationandtranslationmeasurementwithphasesensitivedetection,美国专利：6316779B1，2001;冯其波等.一种基于光栅的滚转角测量方法与装置，中国专利号=101339012,2008]。属于通过直线度误差间接测量滚转角，一般与俯仰或偏摆误差混合在一起，且探测精度受平行光束平行度及位置探测器的精度影响。[0006]2.激光偏振方向为基准测量法。该方法主要以线偏振光为测量光，利用波片或检偏器等偏振敏感器件作为传感器件，检测滚转引起的光强变化[匡翠芳等.基于四分之一波片的滚转角测量方法与装置，中国专利号：1687701A，2005]。或者以正交的圆偏振光或椭圆偏振光为测量光，通过检测经过作为传感器的波片后信号相位变化来获得滚转角[殷纯永等.滚转角测量方法及其滚转角测量仪.中国专利号：01130893.1，2001]。这些方法的特点是需要标定，只有在特点滚转角范围内具有较高的测量分辨率，非线性范围小。[0007]3.双频激光干涉测量法。激光干涉法抗干扰能力强，在位移测量方面可以达到很高的精度，利用其进行滚转角测量时，需考虑的是怎样将在垂直轴向平面内的滚转角转化为轴向的光程变化，同时需消除其他几个自由度的串扰。基于楔形平板的测量方法[张琢等.光栅楔形平板及应用该平板的转角测量装置，中国专利号：200410013761.7,2004]能实现大范围滚转角测量，但其采用一块楔形平板的工作方式，俯仰和偏摆误差难以消除。侯文玫提出了一种基于平面差分干涉的滚转角高精度测量系统[侯文玫等，用于测量微滚转角的激光干涉系统，申请号CN200910167309.9,2009]，同样利用楔面棱镜把滚转角转化为光程的变化，利用楔面镜的平面反射干涉完成测量。在实际应用中，楔面反射镜的安装调试要求较高。【
发明内容】[0008]本发明是针对滚转角的高精度测量存在的问题，提出了一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置，是基于闪耀光栅反射、外差激光干涉的相位调制滚转角测量方法，实现高精度滚转角测量；同时，具有结构紧凑，易于集成，方便实际操作的优点。[0009]本发明的技术方案为：一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置，包括双频激光器、光干涉装置、随被测件一起运动的闪耀光栅楔形平板和相位检测装置，双频激光器输出两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量入射光束到光干涉装置，双频激光器同时输出参考信号光束到相位检测装置，入射光束在干涉装置的作用下，经闪耀光栅楔形平板两次反射，形成空间平行的四束测量光束，最后在光干涉装置内形成干涉光束输出到相位检测装置，相位检测装置根据检测的测量光束中两个频率分量相位差的变化量确定被测件的滚转角。[0010]所述光干涉装置包括偏振分光镜、直角棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和角隅棱镜，所述偏振分光镜与直角棱镜沿一直角边胶合，第一四分之一波片位于偏振分光镜、直角棱镜与闪耀光栅楔形平板之间，第二四分之一波片位于偏振分光镜与角隅棱镜之间，所述光干涉装置从偏振分光镜第一面接收入射光，经过偏振分光镜分光和直角棱镜反射，形成分量透射光和分量反射光，从偏振分光镜第二面平行出射，两路分量光在第一四分之一波片、闪耀光栅楔形平板的作用下返回，经直角棱镜反射及偏振分光面的作用后，合并为一束光束从偏振分光镜的第三面出射，所述合并光束经第二四分之一波片后经角隅棱镜反射后返回，再次经过第二四分之一波片从偏振分光镜第三面入射到偏振分光镜，此入射光在偏振分光面上，出射一个频率分量反射光，透射的频率分量经直角棱镜反射后成为透射光，所述透射光和反射光与上述分量透射光和分量反射光，构成光干涉装置输出的空间平行的四束测量光束。[0011]所述偏振分光镜、直角棱镜、第一四分之一波片和闪耀光栅楔形平板的中心轴线平行或位于同一直线；所述偏振分光镜、第二四分之一波片和角隅棱镜的中心轴线平行或位于同一直线。[0012]所述双频激光器出射的光经过偏振分光镜出射的分量透射光，与经过多次作用经直角棱镜再次反射后成为的透射光频率相同；而双频激光器出射的光经过偏振分光镜出射的分量反射光，与经过多次作用在偏振分光面上，出射的分量反射光频率相同。[0013]所述相位检测装置包括检偏器、光电探测器和相位计，从偏振分光镜出射的光束中的两个偏振方向正交的频率分量通过检偏器，形成干涉光束，光电探测器接收来自检偏器的干涉光束并产生电测量信号输入相位计，相位计接收来自检偏器的电测量信号与来自参考信号光束的电参考信号，并计算输出相位差，该相位差的变化与闪耀光栅楔形平板的滚转引起的光程变化成正比。[0014]所述闪耀光栅楔形平板由两块单面闪耀光栅楔面棱镜对称胶合而成，在两个倾斜表面上加工有反射式闪耀光栅。[0015]所述滚转角与相位变化ΔΦ之间的关系：[0016]ΔΦ=(16πnDtanα/λ)·sinΘ=K·sinΘ[0017]n为玻璃楔形平板的折射率，D是空间平行的四束测量光束与闪耀光栅楔形平板厚度最小处的径向相距，λ是入射光束波长，α是闪耀光栅楔形平板的楔角，K是测量系统的角度放大率，Θ为滚转角。[0018]本发明的有益效果在于：本发明基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量方法与装置，采用空间频率对称的平行四光束差动测量，实现误差分离，抗干扰能力强，测量精度高；光学结构简单，光学元件少，操作方便，有利于现场测试，测角分辨率可达亚微弧度，且通过采用不同光栅常数的光栅可满足不同精度测量要求。【附图说明】[0019]图1为本发明基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置的光路示意图；[0020]图2为本发明楔形平板光程示意图；[0021]图3为本发明滚转前后光束在楔形平板上位置变化示意图；[0022]图4为本发明反射式闪耀光栅楔形平板示意图。【具体实施方式】[0023]如图1所示基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置的光路示意图，测量装置包括双频激光器1、光干涉装置24、闪耀光栅楔形平板5和相位检测装置25。其中光干涉装置24包括偏振分光镜2、直角棱镜3、第一、二四分之一波片4、6及角隅棱镜7。相位检测装置25包括检偏器8、光电探测器9和相位计10。闪耀光栅楔形平板5由两块单面闪耀光栅楔面棱镜5Α和5Β对称胶合而成，在其倾斜表面5-1和5-2上加工有反射式闪耀光栅。[0024]激光源1采用双频激光。激光源1一方面对偏振分光镜2提供频率稳定的入射光束14,该光束包含有两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量，同时也给相位计23-个稳定的正弦电参考信号22,该参考信号22的频率等于激光源1的两个分量的频率差。[0025]偏振分光镜2位于激光源1所产生光束14的光路上。光束14经偏振分光镜2的偏振分光面11后，偏振方向正交的两个频率分量一个分量透射，成为光束15;另一个分量反射，经直角棱镜3的反射面12反射后成为光束16。光束15和光束16均平行光轴，在四分之一波片4、闪耀光栅楔形平板5的作用下返回，经直角棱镜反射及偏振分光面的作用后，合并为光束17出射。经过四分之一波片6后经角隅棱镜7反射后返回，再次经过四分之一波片6成为光束18入射到偏振分光镜2。在偏振分光面11上，其中一个频率分量反射成为光束19,透射的频率分量经直角棱镜反射后成为光束20。在四分之一波片4、闪耀光栅楔形平板5的作用下返回，并经直角棱镜3和偏振分光镜2作用后，成为出射光束21。[0026]四分之一波片4位于偏振分光镜2、直角棱镜3与闪耀光栅楔形平板5之间，四分之一波片6位于偏振分光镜2与角隅棱镜7之间。其主要作用是，将通过四分之一波片4的线偏振光转换为圆偏振光或者将通过四分之一波片4的圆偏振光转为为线偏振光。[0027]角隅棱镜7轴线与偏振分光镜轴线平行，优选位于同一直线上。角隅棱镜将偏振分光镜的出射光反射回去，反当前第1页1 2