一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置及方法与流程

本发明属于滚转角光电测量技术领域，具体涉及一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置及方法。

背景技术：

精密导轨在制造业、航空航天等工业中发挥着重要的作用。在直线导轨中存在着六项几何误差，分别是：定位误差、两个直线度误差、俯仰角、偏摆角及滚转角。因此，对导轨的滚转角误差进行高精度的测量是衡量精密导轨性能的重要指标，同时也是进行产品验收检验以及进行误差补偿的关键技术。

在六项自由度误差中，除滚转角以外的其余五项误差都可以由基于光程差变化的干涉仪进行测量，而对于滚转角误差，由于其误差方向与测量光束方向垂直，无法引入额外的光程差，因而滚转角的测量相对困难，目前国内外还处于一种研究和探索阶段。

目前的基于偏振态变化的外差干涉仪可以对滚转角进行测量，主要原理是作为探测敏感元件的二分之一波片的滚转会引入光束偏振态的变化，从而引起测量光束相位变化。通过检测相位变化量可以计算出波片的滚转角误差大小。

然而，目前的基于偏振态变化的外差干涉仪测量光中的两个频率分量随着滚转角变化的相位变化灵敏区不重合，两分量的灵敏区交替出现使得两个光束的高分辨率测量不能充分利用，系统测量分辨率不能得到有效的提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置及方法，通过将测量光中的两个频率分量分束调制，使两个频率分量的相位变化灵敏区重合，将测量放大倍数以及分辨率进一步提高了两倍。

本发明采用以下技术方案：

一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置，包括单频激光器，单频激光器的出射光路上设置有消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜的反射光轴和透射光轴分别经声光调制器、偏振分光棱镜与直角棱镜连接形成两组衍射光，两组衍射光分别经一个四分之一波片后与分光棱镜连接形成两束测量光，分光棱镜的两个出射面方向分别经光电探测器后与相位计连接，通过相位计与计算机连接。

具体的，消偏振分光棱镜的反射光轴上依次设置有第一反射镜和第一声光调制器，第一声光调制器出射的第一衍射光光轴上设置有第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的第一出射面与直角棱镜的第一直角面连接，第一偏振分光棱镜的第二出射面的方向与第一直角棱镜的第二直角面的方向相同；第一衍射光通过第一偏振分光棱镜和第一直角棱镜分为光束一和光束二；第一偏振分光棱镜的第二出射面与第一直角棱镜的第二直角面的出射方向设置有第一四分之一波片，光束一和光束二经第一四分之一波片后在分光棱镜的第一入射面进入。

具体的，线偏振分光棱镜的透射光轴上设置有第二声光调制器；第二声光调制器出射的第二衍射光光轴上设置有第二反射镜，第二反射镜的反射光光轴上设置有第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜的第一出射面与第二直角棱镜的第一直角面连接，第二偏振分光棱镜的第二出射面的方向与第二直角棱镜的第二直角面的方向相同；第二衍射光通过偏振分光棱镜和直角棱镜分为光束三和光束四；第二偏振分光棱镜的第二出射面与第二直角棱镜的第二直角面的出射方向设置有第二四分之一波片；光束三和光束四经第二四分之一波片后在分光棱镜的第二入射面进入。

具体的，分光棱镜的出射面方向分别设置二分之一波片和反射器，两束测量光分别经二分之一波片被反射器平行反射后再次通过二分之一波片；返回的两束测量光光轴上分别设置有偏振片和光电探测器，两个偏振片的透光轴方向相互垂直设置。

进一步的，反射器为两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜，反射镜的入射角度为45°。

具体的，两组衍射光同为正一级或同为负一级，两个声光调制器的驱动频率不同，两驱动频率之间的差值在光电探测器的探测极限范围内。

具体的，单频激光器出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜的入射面成45°。

具体的，两个四分之一波片的快轴方向相互垂直设置。

本发明的另一个技术方案是，一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量方法，包括单频激光器，单频激光器的出射光路上设置有消偏振分光棱镜，消偏振分光棱镜的反射光轴依次经第一反射镜、第一声光调制器、第一偏振分光棱镜、第一直角棱镜和第一四分之一波片后与分光棱镜连接；线偏振分光棱镜的透射光轴依次经第二声光调制器、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、第二直角棱镜、第二四分之一波片后与分光棱镜连接；分光棱镜的出射面方向依次设置有二分之一波片、反射器、两个偏振片、两个光电探测器、相位计和计算机；具体测量步骤如下：

s1、单频激光器发出的光束经过消偏振分光棱镜后，被分成透射光和反射光，反射光经第一反射镜反射后经第一声光调制器产生第一衍射光；第一衍射光经第一偏振分光棱镜和第一直角棱镜后分为光束一和光束二；透射光经过第二声光调制器产生第二衍射光经第二反射镜反射；经第二偏振分光棱镜和第二直角棱镜分为光束三和光束四；光束一和光束二经第一四分之一波片进入分光棱镜，光束三和光束经第二四分之一波片分光棱镜；

s2、光束一和光束三经过分光棱镜合成为测量光a，光束二和光束四经分光棱镜合成为测量光b；测量光a和测量光b透过固定在被测物体上的二分之一波片，然后由反射器反射平行返回，再次通过二分之一波片后，测量光a和测量光b分别经过第一偏振片和第二偏振片形成拍频光，再分别被第一光电探测器和第二光电探测器接收；

s3、第一光电探测器和第二光电探测器将接收的信号输入到相位计进行鉴相，最后将数据传递给计算机，计算机根据两信号相位差的变化量与滚转角计算出二分之一波片所固定物体的滚转角δα。

具体的，滚转角δα的测量计算公式为：

g＝16cotθ

其中，δψ为测量光a和测量光b的相位差变化量，g为测量系统的放大倍数，θ为第一四分之一波片快轴方向与光束三偏振方向的夹角。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明测量装置四光束的布局，使四个光束合成为两个测量光，通过设置两个四分之一波片和两个偏振片的角度，使每束测量光中的两个频率分量的相位变化灵敏区相互重合，从而提高了单束测量光的测量分辨率；此外，使两个测量光随着滚转角变化产生的相位移动方向相反，从而使系统输出的两信号相位差的变化翻倍，从而极大的提高了测量分辨率。

进一步地，本发明的单频激光器出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜的入射面成45度，45度设置使得消偏振分光棱镜能够分别将第一衍射光分为光强相同的光束一和光束二，以及将第二衍射光分为光强相同的光束三和光束四。

进一步地，本发明的第一偏振片和第二偏振片的透光轴方向相互垂直，使得测量光a和测量光b的测量灵敏区重合。

进一步地，本发明的第一声光调制器的驱动频率与第二声光调制器的驱动频率不同，两驱动频率之间的差值在探测器的探测极限范围内。能够使光束一和光束三合成为双频激光，并且能够被探测器探测，同样能够使光束二和光束四合成为双频激光，并且能够被探测器探测。

进一步地，本发明的反射器为两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜，反射镜的入射角度为45°。使得反射器能够平行地光束反射并且保持偏振态不变。

进一步地，本发明的第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向相互垂直，能够使测量光a和测量光b中的两个频率分量的相位变化灵敏区相互重合。

进一步地，本发明还公开了一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量方法，通过对测量光a和测量光b进行相位测量，进而计算出滚转角，每个测量光的两个频率分量的相位变化灵敏区相互重合，从而提高了单个测量光的测量分辨率，此外，两测量光由同一个滚转角产生方向相反的相移，使系统输出的两信号相位差的变化量翻倍，极大提高系统测量分辨率和精度。

综上所述，本发明提高了单束测量光的测量分辨率，极大的提高了测量分辨率，能够为精密导轨运动副、高档数控机床等的滚转角测量提供更为精密和可靠的检测方法和技术。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图。

其中：1.单频激光器；2.消偏振分光棱镜；3.第一反射镜；4.第一声光调制器；5.第二声光调制器；6.第二反射镜；7.第一偏振分光棱镜；8.第一直角棱镜；9.第二偏振分光棱镜；10.第二直角棱镜；11.第一四分之一波片；12.第二四分之一波片；13.分光棱镜；14.二分之一波片；15.反射器；16.第一偏振片；17.第二偏振片；18.光电探测器；18a.第一光电探测器；18b.第二光电探测器；19.相位计；20.计算机。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种四光束结构激光外差干涉滚转角高精度测量装置，包括单频激光器1、消偏振分光棱镜2、第一反射镜3、第一声光调制器4、第二声光调制器5、第二反射镜6、偏振分光棱镜7、第一直角棱镜8、偏振分光棱镜9、第二直角棱镜10、第一四分之一波片11、第二四分之一波片12、分光棱镜13、二分之一波片14、反射器15、第一偏振片16、第二偏振片17、光电探测器18、相位计19和计算机20。

消偏振分光棱镜2设置在单频激光器1的出射光路；消偏振分光棱镜2的反射光轴上依次设置有第一反射镜3和第一声光调制器4；第一声光调制器4出射的第一衍射光光轴上设置有第一偏振分光棱镜7；第一偏振分光棱镜7的第一出射面与第一直角棱镜8的第一直角面连接，第一偏振分光棱镜7的第二出射面的方向与第一直角棱镜8的第二直角面的方向相同；第一衍射光通过第一偏振分光棱镜7和第一直角棱镜8分为光束一和光束二；第一偏振分光棱镜7的第二出射面与第一直角棱镜8的第二直角面的出射方向依次设置有第一四分之一波片11和分光棱镜13；光束一和光束二在分光棱镜13的第一入射面进入。

线偏振分光棱镜2的透射光轴上设置有第二声光调制器5；第二声光调制器5出射的第二衍射光光轴上设置有第二反射镜6，第二反射镜6的反射光光轴上设置有第二偏振分光棱镜9；第二偏振分光棱镜9的第一出射面与第二直角棱镜10的第一直角面连接，第二偏振分光棱镜9的第二出射面的方向与第二直角棱镜10的第二直角面的方向相同；第二衍射光通过偏振分光棱镜9和直角棱镜10分为光束三和光束四；第二偏振分光棱镜9的第二出射面与第二直角棱镜10的第二直角面的出射方向依次设置有第二四分之一波片12和分光棱镜13；光束三和光束四在分光棱镜13的第二入射面进入。

光束一和光束三经过分光棱镜13合成测量光a，光束二和光束四经过分光棱镜合成测量光b；分光棱镜13的出射面方向分别设置二分之一波片14和反射器15；测量光a和测量光b分别经过二分之一波片14被反射器15平行反射再次通过二分之一波片14；返回的测量光a光轴上依次设置有第一偏振片16和第一光电探测器18a，返回的测量光b光轴上依次设置有第二偏振片17和第二光电探测器18b；第一光电探测器18a和第一光电探测器18b均与相位计19连接，相位计19连接有用于根据相位差得出滚转角的计算机20。

第一衍射光和第二衍射光同为正一级或同为负一级。

单频激光器1出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜2的入射面成45度。

第一声光调制器4的驱动频率与第二声光调制器5的驱动频率不同，两驱动频率之间的差值在探测器18的探测极限范围内。

第一四分之一波片11和第二四分之一波片12的快轴方向相互垂直。

反射器15为两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜，反射镜的入射角度为45°。

第一偏振片16和第二偏振片17的透光轴方向相互垂直。

本发明提供了一种分束调制式的外差干涉法滚转角测量方法，包括以下步骤：

s1、单频激光器1发出的光束经过消偏振分光棱镜2后，被分成透射光和反射光，反射光经第一反射镜3反射后经过第一声光调制器4产生第一衍射光；第一衍射光经过第一偏振分光棱镜7和第一直角棱镜8分为光束一和光束二；透射光经过第二声光调制器5产生第二衍射光经过第二反射镜6反射；第二衍射光经过第二偏振分光棱镜9和第二直角棱镜10分为光束三和光束四；光束一和光束二经过第一四分之一波片11进入分光棱镜13，光束三和光束经过第二四分之一14波片进入分光棱镜13；

s2、光束一和光束三经过分光棱镜13合成为测量光a，光束二和光束四经分光棱镜13合成为测量光b；测量光a和测量光b透过固定在被测物体上的二分之一波片14，然后由反射器15反射平行返回，再次通过二分之一波片14之后，测量光a和测量光b分别经过第一偏振片16和第二偏振片17形成拍频光，再分别被第一光电探测器18a和第二光电探测器18b接收；

s3、第一光电探测器18a和第二光电探测器18b将接收的信号输入到相位计19进行鉴相，最后将数据传递给计算机20，计算机20根据两信号相位差的变化量与滚转角之间的关系式计算出二分之一波片14所固定物体的滚转角δα。

滚转角δα的测量计算公式为：

g＝16cotθ

其中，δψ为测量光a和测量光b的相位差变化量，g为测量系统的放大倍数，θ为第一四分之一波片11快轴方向与光束一偏振方向的夹角。

本发明适用于高精度的工业测量领域，尤其适用于精密导轨运动副、及以其为基础的设备如：高档数控机床的滚转角误差测量，其广泛应用可较大的推动机床制造等工业的发展。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

请参阅图1，相位差变化量与滚转角的推导具体为：

建立统一实验室坐标系，以光束三的偏振方向为x轴，光束四的偏振方向为y轴，光束向前传播方向为z轴。

其中，四分之一波片qwpa的快轴方向与测量光一偏振方向的夹角θa，qwpb的快轴方向与测量光三偏振方向的夹角呈θb，并且有θb-θa＝π/2，偏振片pa的透光轴与x轴成γa角，pb的透光轴与x轴成γb角，且有γb-γa＝π/2。

用琼斯矩阵表达该过程，四个初始光束可分别表示为：

两个四分之一波片分别表示为：

二分之一波片和偏振片的琼斯矩阵表示为：

pa＝[cosγasinγa]

pb＝[cosγbsinγb]

测量信号a及测量信号b具体为：

ea＝pah(-α)h(α)[qab1+qbb3](1)

eb＝pbh(-α)h(α)[qab2+qbb4](2)

将上述矩阵带入公式得到两测量光的表达式如下：

测量信号中的交流信号为：

上两式中相位项的最后一项即由滚转引入的两个测量信号的相位变化量，将两部分相减并进行化简运算即可得出两测量信号的相位差随滚转的变化，具体为：

将式7)进行求导计算可以得出相位差变化曲线的斜率，即系统响应度为：

当4α-θ1-γa为0或者180°时，系统的响应度为最大值，也就是在该位置处相位变化随着滚转角变化最为明显，该位置成为系统的灵敏区。

灵敏点处的响应度为：

g＝16cotθa(9)

在灵敏区内，测量信号相位差与滚转角的关系为

δψ＝gδα(10)

其中，δα即滚转角的微小变化量，由传感元件二分之一波片14的滚转引起，为被测量；δψ为测量光和参考光的相位差变化量。

由式10)得滚转角δα的测量计算公式为：

当第一四分之一波片与x轴夹角θ＝2°时，g为456；此时，若相位计分辨率为0.01°，则测得滚转角的分辨率为0.07″，正负号通过系统标定确定。

本发明的光路通过将测量光中的两个频率分量分束调制，使两个频率分量的相位变化灵敏区重合，将测量放大倍数以及分辨率进一步提高了两倍。

综上所述，本发明测量装置设置四个初始光束，四光束的布局，使四个光束合成为两个测量光，通过设置两个四分之一波片和两个偏振片的角度，使每束测量光中的两个频率分量的相位变化灵敏区相互重合，从而提高了单束测量光的测量分辨率；此外，使两个测量光随着滚转角变化产生的相位移动方向相反，从而使系统输出的两信号相位差的变化翻倍，从而极大的提高了测量分辨率。能够为精密导轨运动副、高档数控机床等的滚转角测量提供更为精密和可靠的检测方法和技术。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。