CN105180845B - 一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置，包含双频激光源、随被测件一起运动的闪耀光栅楔形平板、光干涉装置及相位检测装置。双频激光器输出包含两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量的入射光束到光干涉装置，入射光束在光干涉装置的作用下，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，最后在干涉装置内形成干涉光束输出到相位检测装置，由相位检测装置检测测量光束的相位移，根据相位移与楔形平板的滚转角之间的关系确定滚转角。本发明抗干扰能力强，测量精度高；光学结构简单，光学元件少，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。

Description

一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置

技术领域

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

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***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***的精度已成为工具、机床乃至制造业发展的重点工作。

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。

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：

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.Measurement and cont rol of rolling of a precision movingtable.Proceedings of the IEEE International Conference on IntelligentProcessing Systems.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转角[John C.Tsai.Ratation and translation measurementwith phase sensitive detection,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。

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。

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***[侯文玫等,用于测量微滚转角的激光干涉***,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

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。

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与参考信号相位差的变化量确定被测件的滚转角。

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。

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。

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。

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。

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。

所述滚转角与相位差变化△Φ之间的关系：

△Φ＝(16πnD tanα/λ)·sinθ＝K·sinθ

n为闪耀光栅楔形平板的折射率，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***的角度放大率，θ为滚转角。

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

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；

图2为本发明楔形平板光程示意图；

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；

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

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5A和5B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。

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23一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。

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。

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。

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，反射光18与入射光17并行，但位于不同高度。偏振分光膜11分光后的光束15、16、19、20空间相互平行，在垂直光轴的截面上光束15、16、19、20构成正方形或矩形。

入射光束14中的p分量经偏振分光面11透射成为光束15。经闪耀光栅楔形平板5反射并2次经过四分之一波片4后返回光束为s光。上述s光经偏振分光面11反射后成为光束17的一个频率分量。上述频率分量经四分之一波片6、角隅棱镜7返回时，再次改变偏振态，成为入射光束18的p光分量，经偏振分光面11透射后经直角棱镜3反射后成为光束20。

入射光束14中的s分量经偏振分光面11反射、经直角棱镜3的面12反射后成为光束16。经闪耀光栅楔形平板5反射并2次经过四分之一波片4后返回光束为p光。上述p光经直角棱镜3的面12反射后经偏振分光面11透射后成为光束17的一个频率分量。上述频率分量经四分之一波片6、角隅棱镜7返回时再次改变偏振态，成为入射光束18的s光分量，经偏振分光面11反射后成为光束19。

由上述光路可知，光束15、20频率相同、光束16和19频率相同。

检偏器8垂直光轴，其作用是使从偏振分光镜2出射的光束21中的两个偏振方向正交的频率分量通过，形成干涉光束。

光电探测器9接收来自检偏器8的光束并产生电测量信号输入相位计10，相位计10用来测量上述电测量信号与前述电参考信号之间的相位差，该相位差的变化与闪耀光栅楔形平板5的滚转引起的光程变化成正比。

下面参考图2和图3来描述相位差的具体计算过程。

由图2可知，光束在楔形平板的光程与入射处楔形平板的厚度有关，也就是由光束距离楔形平板厚度最小处的径向距离D决定。图2中，两束光在楔形平板内的光程差可表示为：

△l＝n·(D₁-D₂)·tan(α) (1)

式中n为玻璃折射率、D₁、D₂为两束光的径向距离、α为闪耀光栅楔形平板的楔角。

在本发明的干涉***中，四束测量光束在空间平行、径向距离为D。两个不同频率分量的光束对角分布。当闪耀光栅楔形平板因被测件的滚转而随之滚转时，测量光束与闪耀光栅楔形平板的关系如图3所示。图3中，E、F、G、H分别为四束测量光束在楔形平板上的入射点。E、H为同一频率测量光的入射点，设为f1；F、G为另一频率测量光的入射点，设为f2。虚线框代表滚转前的闪耀光栅楔形平板，实线框则是滚转θ后的闪耀光栅楔形平板。由图3可知，频率f1的光束在楔形平板上的入射点厚度变大，径向距离由EP增大为EE′，而频率f2的光束在楔形平板上的入射点厚度变小，径向距离由FP减小为FF′。且两者变化量相等，为

△D＝D·(sinθ+cosθ-1) (2)

式中，D为入射光点的径向距离、θ为滚转角。

当滚转角为微小角度时，上式可近似为

△D＝D·sinθ (3)

考虑到每个光束来回经过楔形平板2次，且两个频率的光束径向距离差分变化，同时这又是双差分测量***，所以△D的径向距离变化引入的***光程变化为：

△L＝2·4·n·△D·tan(α)＝8nD sinθtanα (4)

当测量信号与参考信号进入比相计进行比相时，***光程变化△L引入的相位差变化△Φ满足下列关系：

由此可得到滚转角与相位差变化△Φ之间的关系：

△Φ＝(16πnD tanα/λ)·sinθ＝K·sinθ (6)

上式中，n为闪耀光栅楔形平板的折射率，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距离，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***的角度放大率。由上式可知，当比相计获得相位差变化△Φ时，即可根据上式确定***滚转角θ。

下面结合图4说明闪耀光栅楔形平板5的设计。玻璃楔形平板的倾斜表面上均加工有反射式闪耀光栅5-1和5-2，所述光栅是若干个平行于闪耀光栅楔形平板5中心轴26分布的刻划线。根据闪耀光栅的原理，通过光栅常数设计可使某级衍射光沿原路返回。在本发明中，光线垂直入射到光栅槽面，使光栅的闪耀角等于楔形平板的楔角α，此时入射角及m级衍射光线的衍射角(相对于光栅平面)相等，均为根据光栅方程可得：

采用1级衍射光，光栅常数为400l/mm的全息光栅，折射率n＝1.61655的玻璃，双频激光器中心波长λ＝632.8nm，则可算得光栅的闪耀角

当测量光束间距2D＝12mm时，由公式(6)可知，K＝60527。当比相计的检测分辨率确定时，K值越大，滚转角的测量分辨率越高。采用512细分(分辨率为360°/512)的比相计，本测量***的滚转角测量分辨率约为0.04″(0.2微弧度)。

因此，与现有的各种滚转角检测方法相比，该发明方法和装置的角度测量分辨率同样能达到亚微弧度的，且通过光栅常数的设计，本测量***还能达到更高的分辨率。同时，为达到亚微弧度的分辨率，本发明对测量装置的加工精度和性能要求低，光栅常数只需400l/mm,比相计分辨率只要0.7°。且整个测量***共光路设计，***死程降到最小，频率对角分布的特点可以使测量不受偏摆和俯仰误差影响，这保证了滚转角的高精度测量。

本发明的方法和装置特别适合应用于高精密的机床、三坐标测量机以及各类大型扫描定位装置的制造、检测和性能评定及误差补偿等，有力促进精密机械制造加工技术的发展。

Claims (5)

1.一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与参考信号相位差的变化量确定被测件的滚转角；

其特征在于，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(14),入射光(14)经过偏振分光镜的偏振分光面后，偏振方向正交的两个频率分量一个分量透射，形成分量透射光(15)，另一个分量反射，经直角棱镜的反射面反射后成为反射光(16)，分量透射光(15)和反射光(16)均平行光轴，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(19)，透射的频率分量经直角棱镜反射后成为透射光(20)，所述透射光(20)和反射光(19)与上述分量透射光(15)和分量反射光(16)，构成光干涉装置输出的空间平行的四束测量光束。

2.根据权利要求1所述基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置，其特征在于，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。

3.根据权利要求1或2所述基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置，其特征在于，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(15)，与经过多次作用经直角棱镜再次反射后成为的透射光(20)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(16)，与经过多次作用在偏振分光面上，出射的分量反射光(19)频率相同。

4.根据权利要求3所述基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置，其特征在于，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(5-1)和(5-2)上加工有反射式闪耀光栅。

5.根据权利要求4所述基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置，其特征在于，所述滚转角与相位差变化△Φ之间的关系：

△Φ＝(16πnD tanα/λ)·sinθ＝K·sinθ

n为闪耀光栅楔形平板的折射率，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***的角度放大率，θ为滚转角。