一种全光路光漂补偿的高精度滚转角测量方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄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。
[0003] 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：
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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宄"（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】
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] 1.激光器发出的激光经准直后出射；
[0011] 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；
[0012] 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 ;
[0013] 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；
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 8.所述测量光束1和光束2到达光电探测器1和光电探测器2之前，分别经分束 器1和分束器2分束，所分出光束分别经透镜1和透镜2聚焦于光电探测器3和光电探测 器4,当激光光束发生角度漂移时，光电探测器上的聚焦光点位置发生变化，探测器输出的 光电信号经信号处理电路后，送入处理终端获得激光光线角度漂移量；
[0018] 9.处理终端运算获得并显示实现激光光线漂移完全补偿的滚转角值。
[0019] 本发明提出实现上述激光光线漂移完全补偿的滚转角测量方法的测量装置。
[0020] 装置包括激光器、准直透镜、五角分光棱镜、五角棱镜、逆向反射器、光束平移且反 向装置、单向变向器、分束器、聚焦透镜、光电探测器、信号处理电路和处理终端。其特征在 于：所述激光器可以采用He-Ne激光器、半导体激光器或其他类型的激光器；所述准直透镜 和聚焦透镜可以是单透镜或透镜组；所述逆向反射器可以是角锥棱镜、直角反射镜或猫眼 结构；所述光束平移且反向装置可以是直角棱镜、一对五角棱镜或者一对反射面垂直的平 面镜；所述变向器可以是分束器、偏振分光棱镜与四分之一波片组合或者偏振分光棱镜与 二分之一波片组合；所述分束器可以是分光片或者分光棱镜；所述光电探测器可以是四象 限探测器QD、位置敏感探测器PSD或者光电接收器件(XD，以上探测器可以是一维，也可以 是二维的；所述处理终端可以是计算机或者其他任何具有数据采集控制、存储运算和显示 功能的系统。所述激光器发出激光，经所述准直透镜准直后沿待测系统的滚转轴方向出射； 所述五角分光棱镜和五角棱镜排列方向垂直于滚转轴方向，准直后的单光束经五角分光棱 镜的分束和五角棱镜对反射分量的转向后，形成两束传播方向相同的平行光束；所述逆向 反射器共有两个，共同作为滚转角测量敏感元件，其排列方向平行于两个五角棱镜的排列 方向，分别对应接收两束平行光；所述逆向反射器的反射光线与入射光线相互平行；所述 光束平移且反向装置的反射光线与入射光线，在两束平行光面内平移且反向，在所述两个 逆向反射器连线的垂面内满足反射定律；所述光束平移且反向装置使所述两个逆向反射器 出射的两束测量光实现路径重合，但传输光路互逆；所述单向变向器其功能是使某一方向 入射光变向，而对相反方向入射光通光不变向，单向变向器共有两个，分别使再次经逆向反 射器返回的两束测量光束改变方向，入射到分束器；所述分束器共有两个，分别使两束测量 光到达光电探测器之前分束，各自形成两束光；所述光电探测器共有四个，两束测量光经分 束后的任意一束分别直接入射到其中两个光电探测器，用于测量滚转角信息，另外两束光 分别经两个聚焦透镜后入射到另外两个光电探测器，用于测量激光光线角度漂移；所述聚 焦透镜光轴沿入射到透镜的准直光线方向；所述另外两个光电探测器放置在所述聚焦透镜 的焦平面位置；所述四个光电探测器与所述信号处理电路相连；所述信号处理电路与所述 处理终端通信。
[0021] 本发明采用一对逆向反射器作为敏感器件，通过平行双光束差动测量获得滚转角 信息。本发明通过采用五角分光棱镜和五角棱镜组合获得两束平行测量光，双光束平行性 由棱镜加工精度保证，无需调整，大大提高了测量方法的可行性和实用性；本发明通过采用 光束平移且反向装置，使两束测量光的路径完全重合，而光路方向互逆，利用这一特性，在 两倍提高测量分辨率的同时，结合共路光漂补偿法，可以实现激光光线漂移的全光路完全 补偿，从而解决了中国专利ZL2010101664995和文献"多自由度误差同时测量中滚转角高 精度测量方法的研宄"（翟玉生，博士论文，北京交通大学，2012)所提出方法中无法完全消 除激光光线角度漂移影响这一激光准直测量中的共性难题，可实现滚转角测量分辨率优于 〇. 1"，精度优于1";此外，本发明光学结构紧凑，调节简单，移动部分不带电缆，便于现场 测量。
【附图说明】
[0022] 图1 :平行双光束法测量滚转角原理图。
[0023] 图2 :实现激光光线漂移补偿的滚转角测量实施方式一的装置示意图。
[0024] 图3 :实现激光光线漂移补偿的滚转角测量实施方式二的装置示意图。
[0025] 图4 :实现激光光线漂移补偿的滚转角测量实施方式三的装置示意图。
[0026] 图中：激光器1准直透镜2五角分光棱镜3五角棱镜4角锥棱镜5、6直角棱镜 7分光棱镜8、9分束器10、11光电探测器12、13