CN103292744B - 一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法，包括双频激光器、5％反射镜、偏振分光棱镜、衍射光栅以及第一、二反射器；上述衍射光栅被固定在被测对象上，作为敏感元件，第一、二反射器通过第一、二固定支架被固定以保证与所述衍射光栅相对静止；由衍射光栅和第一、二反射器构成一体的目标反射器；由双频激光器、5％反射镜、第一、二、三检偏器和第一、二、三光电接收器，偏振分光棱镜、第一、二、三50％分光镜和高反射光镜构成测量头。本发明基于激光外差干涉、衍射光栅位移技术和空间布局，不仅能够实现滚转角测量，且具有精度高、抗干扰能力强的特点，有利于实际应用。

Description

一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法

技术领域

本发明属于角度的光电测量技术领域，涉及一种滚转角测量装置及方法，具体涉及一种非接触式外差干涉的衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法。

背景技术

任何机械导轨运动副都具有三个回转自由度(俯仰、偏摆和滚转)，根据ISO10791-2:2001/GB/T18400.2-2010标准它们被定义为线性运动的俯仰、偏摆和滚转角度偏差。在三项角度偏差检测中，俯仰角和偏转角的测量方法和技术已发展较为成熟且测量分辨率很高，如双频激光干涉仪法、自准直仪等。相对而言，现有滚转角的测量方法和技术则难以满足高分辨率的要求，一直是角度偏差检测、数控机床误差分析与补偿等研究的瓶颈问题。这主要是因为滚转角位移平面与激光光束方向正交，导致典型的、较成熟的高精度光学测量方法(如双频激光干涉仪等)难以胜任。因此，对于滚转角的高精度有效测量，国内外仍然处于一种研究和探索阶段，尚无成熟的检测方法或商业化的测量仪器被广泛应用。

目前，针对高精度的滚转角检测问题的主要有以下几类方法：第一，以重力方向为基准的电子水平仪测量，此方法类似于传统水平仪，均以敏感元件感应重力为基础，实现测量平面与基准平面的差异，从而实现滚转角测量，它虽具有结构简单、操作简便的优势，但它不能测量竖直轴的滚转角。第二，以基于位置敏感探测器(PSD)的准直激光位置为基准的测量，原理是基于准直激光被滚转的被测对象反射后，其光斑相对初始位置发生变化被PSD探测，从而计算并完成滚转角测量，它可易于实现多维测量，但测量分辨率受限于PSD的性能而难以提高，且易于受俯仰角和偏摆角的影响。公开号为CN101339012A的专利提出一种基于光栅的滚转角测量方法与装置，该方法结合了透射式光栅和PSD技术的特点，利用光栅作为敏感元件，其正负一级衍射光束经透镜等光学环节后在PSD中的位移量来计算出被测滚转角，它具有结构紧凑的特点。第三，以激光正交偏振方向为基准的测量法，该方法包括基于光强、相位和频率调制测量的三类，其中基于偏振光相位法，具有较高精度的优点。公开号为CN1335483的专利在偏振光相位法的基础上改进光路设计将原有方法灵敏度在非线性增强的基础上再提高4倍，但此方法及装置难以再提高其分辨率。第四，干涉法滚转角测量，美国专利号为5056921专利中Chaney提出了一种完全使用干涉仪方法来测量滚转角可以获得很高的精度，但该系统需安装一块与导轨一样长的平面反射镜，在实际中难以应用。另外一种激光干涉法，是通过激光干涉仪进行多条体对角线线性位移测量，通过方程组间接求解出21个单项几何误差，也包括求得滚转角测量值，但该方法属于间接的综合测量法，不能实时测量且不利于误差补偿。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法，其基于激光外差干涉、衍射光栅位移技术和空间布局，不仅能够实现滚转角测量，且具有精度高、抗干扰能力强的特点，有利于实际应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，包括双频激光器、5％反射镜、偏振分光棱镜、衍射光栅以及第一、二反射器；在所述双频激光器的光轴后设置5％反射镜，所述5％反射镜的反射光轴上设有第一检偏器和第三光电接收器；所述5％反射镜的透射光轴上设有偏振分光棱镜；所述的偏振分光棱镜的透射光轴上且与该光轴垂直设置有衍射光栅；所述衍射光栅的±1级衍射光轴上分别设置有第一反射器和第二反射器；所述的偏振分光棱镜的反射光轴上设有第一50％分光镜；所述第一50％分光镜的透射光轴与所述第一反射器的出射光轴交点处设有第二50％分光镜；所述第一50％分光镜的反射光轴上设有高反射光镜；所述高反射光镜的反射光轴与所述第二反射器的出射光轴交点处设有第三50％分光镜；所述第二50％分光镜和第三50％分光镜的光轴上分别设有第二、三检偏器和第一、二光电接收器。

进一步，上述衍射光栅的两端设置有用以固定衍射光栅的第一固定支架和第二固定支架，所述第一固定支架和第二固定支架的下端分别固定第一反射器和第二反射器。

上述衍射光栅被固定在被测对象上，作为敏感元件，第一、二反射器通过第一、二固定支架被固定以保证与所述衍射光栅相对静止；由衍射光栅和第一、二反射器构成一体的目标反射器；由双频激光器、5％反射镜、第一、二、三检偏器和第一、二、三光电接收器，偏振分光棱镜、第一、二、三50％分光镜和高反射光镜构成测量头。

进一步的，上述第一、二反射器采用斯密特棱镜或高反射镜。

本发明还提出一种基于上述装置的滚转角测量方法，包括以下步骤：

1)双频激光器发出的光束经过5％反射镜被分成两束光，其中反射光束经第一检偏器和第三光电接收器后被接收，视为参考信号；

2)由5％反射镜出射的透射光束经过偏振分光棱镜后被分成S光和P光；S光经偏振分光棱镜反射后经过第一50％分光镜分为两束，其中透射光束经第二50％分光镜反射后入射到第二检偏器和第一光电接收器被接收，为第二光电接收器的参考光束，其中反射光束经高反射镜和第三50％分光镜反射后入射到第三检偏器和第二光电接收器被接收，为第三光电接收器的参考光束；P光透过偏振分光棱镜正入射到衍射光栅后发生衍射，其中+1级衍射光束经第一反射器反射后，与衍射光栅正交方向出射，透过第二50％分光镜入射到第二检偏器和第一光电接收器被接收，为第二光电接收器的测量光束，同理，其中-1级衍射光束经第二反射器反射后，与衍射光栅正交方向出射，透过第三50％分光镜入射到第三检偏器和第二光电接收器被接收，为第三光电接收器的测量光束；第二光电接收器所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为+1级测量信号，第三光电接收器所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为-1级测量信号；

3)±1级测量信号、参考信号分别经比较器、计数和采集电路最终被计数器计数得数值C₊₁、C_-1和C_R，通过外差技术将测量信号与参考信号进行差值可得ΔC₊₁和ΔC_-1，最终将数据输送至PC机中，再次差值得N，根据衍射光栅的多普勒效应计算出光栅的微小位移S，依据微小位移量S和转角的几何关系α＝S/R，求解出被测滚转角α，其中R为滚转半径。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用反射式衍射光栅作为滚转角测量的探测元件，以及两个斯密特棱镜(或采用高反射镜等元件)分别被支架固定在衍射光栅的正负一级衍射光轴上，与衍射光栅保持相对静止，且保持正负一级衍射光束与衍射光栅正交(即与衍射光栅入射光平行)。衍射光栅和两个斯密特棱镜被安装在被测对象上作为目标反射器。由双频激光器、5％反射镜、偏振分光棱镜、50％分光镜、高反射镜、光电接收器等组成了系统的测量头。测量头的功能包括为衍射光栅提供测量光束(光源)，负责接收正负一级衍射的测量光束，以及干涉信号的接收、信号处理等。这种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法，其结合激光外差干涉和衍射光栅位移技术，通过光路设计和几何结构设计使往返于目标反射器和测量头之间的测量光束终始保持与衍射光栅正交，即与线性运动方向一致。因此，该测量装置不受线性运动的影响，且具有成熟的激光外差干涉技术为基础，测量精度高、抗干扰能力强等特点。

与现有滚转角检测方法相比，本发明方法和装置具有超高分辨率的优势。本发明的方法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、高档数控机床的运动轴滚转角精度测量、性能评定、误差溯源及补偿等领域，其广泛应用将可促进精密加工、装备制造等检测技术的发展。

附图说明

图1为本发明的装置原理结构主视图；

图2为图1的左视图；

图3为本发明的衍射光栅的衍射示意图。

其中：1为双频激光器；2为5％反射镜；3为第一光电接收器；4为偏振分光棱镜；5为第一50％分光镜；6为第二50％分光镜；7为高反射光镜；8为第一斯密特棱镜；9为第一固定支架；10为衍射光栅；11为第二固定支架；12为第二斯密特棱镜；13为第三50％分光镜；14为第二光电接收器；15为第三光电接收器；101为测量头；102为目标反射器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，包括双频激光器1、5％反射镜2、偏振分光棱镜4、衍射光栅10、第一、二固定支架9、11和第一、二反射器8、12，如斯密特棱镜或高反射镜(以斯密特棱镜为例)；在双频激光器1的光轴后设置有5％反射镜2，5％反射镜2的反射光轴上设有第一检偏器和第三光电接收器15。5％反射镜2的透射光轴上设有偏振分光棱镜4。偏振分光棱镜4透射光轴上且与该光轴垂直设置有衍射光栅10；通过第一、二固定支架9、10在衍射光栅10的±1级衍射光轴上分别设置有第一、二反射器8、12。偏振分光棱镜4的反射光轴上设有第一50％分光镜5；第一50％分光镜5的透射光轴与第一反射器8的出射光轴交点处设有第二50％分光镜6；第一50％分光镜5的反射光轴上设有高反射光镜7；高反射光镜7的反射光轴与第二反射器12的出射光轴交点处设有第三50％分光镜13。其中第二50％分光镜6和第三50％分光镜13的光轴上分别设有第二检偏器、三检偏器以及第一光电接收器3和第二光电接收器14。如图所示，本发明的双频激光器1，5％反射镜2，偏振分光棱镜4，第一、二、三50％分光镜5、6、13，高反射镜7，第一至三检偏器和第一、二、三光电接收器3、14、15等组成了系统的测量头101；衍射光栅10和第一、二反射器8、12及第一、二固定支架9、11组成目标反射器102。由作为反射器的斯密特棱镜(或采用高反射镜等)保证光束在目标反射器102和测量头101之间平行往返(与被测物线性运动方向一致)。

基于以上装置，本发明提出的滚转角测量方法具体如下：

1)双频激光器1发出的光束经过5％反射镜2被分成两束光，其中反射光束经第一检偏器和第三光电接收器15后被接收，视为参考信号。

2)由5％反射镜2出射的透射光束经过偏振分光棱镜4后被分成S光和P光；S光经偏振分光棱镜4反射后经过第一50％分光镜5分为两束，其中透射光束经第二50％分光镜6反射后入射到第二检偏器和第一光电接收器3被接收，为第二光电接收器14的参考光束，其中反射光束经高反射镜7和第三50％分光镜13反射后入射到第三检偏器和第二光电接收器14被接收，为第三光电接收器15的参考光束；P光透过偏振分光棱镜4正入射到衍射光栅10后发生衍射，其中+1级衍射光束经斯密特棱镜8或采用高反射镜等反射后，与衍射光栅10正交方向出射，透过第二50％分光镜6入射到第二检偏器和第一光电接收器3被接收，为第二光电接收器14的测量光束，同理，其中-1级衍射光束经斯密特棱镜12(或采用高反射镜等)反射后，与衍射光栅10正交方向出射，透过第三50％分光镜13入射到第三检偏器和第二光电接收器14被接收，为第三光电接收器15的测量光束；第二光电接收器14所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为+1级测量信号，第三光电接收器15所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为-1级测量信号。

3)±1级测量信号、参考信号分别经处理电路最终被计数器计数得数值C₊₁、C_-1和C_R，通过外差技术将测量信号与参考信号进行差值可得ΔC₊₁和ΔC_-1，最终将数据输送至PC机中可再次差值得N，由此可根据衍射光栅的多普勒效应计算出光栅的微小位移S，依据微小位移量S和转角的几何关系α＝S/R(R为滚转半径)求解出被测滚转角α。

本发明方法和装置中，采用衍射光栅作为滚转角测量的敏感元件，以它及其相应的斯密特棱镜构成了目标反射器，可固定在被测量对象上随其转动。利外差干涉技术将测量光束正入射到反射式衍射光栅检测出因转动引起的微小位移，从而根据转动的几何关系可解出滚转角。

该方法结合了成熟的激光外差干涉与衍射光栅位移技术，基于多普勒频移原理，进行滚转角测量。它具有高精度、较好的抗干扰性特点。测量光束正入射到衍射光栅的光路设计解决了滚转角测量中灵敏度方向与角位移方向垂直而导致灵敏度不高的问题。斯密特棱镜或采用高反射镜等使±1衍射光束与入射光平行即与被测对象的线性运动方向平行，保证了它不受线性运动的干扰。它适用于精密导轨运动副、数控装备的运动轴滚转角误差测量。

参见图2，本发明的工作过程如下：双频激光器1发出的光束经过5％反射镜2被分成两束光，其中反射光束经第一检偏器和光电接收器15后被接收，视为参考信号。

由5％反射镜2出射的透射光束经过偏振分光棱镜4后被分成S光和P光；S光经偏振分光棱镜4反射后经过50％分光镜5分为两束，其中透射光束经50％分光镜6反射后入射到第二检偏器和光电接收器3被接收，为第二接收器的参考光束，其中反射光束经高反射镜7和50％分光镜13反射后入射到第三检偏器和光电接收器14被接收，为第三接收器的参考光束；P光透过偏振分光棱镜4正入射到衍射光栅10后发生衍射，其中+1级衍射光束经斯密特棱镜或采用高反射镜等反射后，与衍射光栅10正交方向出射，透过50％分光镜6入射到第二检偏器和光电接收器3被接收，为第二接收器的测量光束，同理，其中-1级衍射光束经斯密特棱镜或采用高反射镜等反射后，与衍射光栅10正交方向出射，透过50％分光镜13入射到第三检偏器和光电接收器14被接收，为第三接收器的测量光束；第二接收器所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为+1级测量信号，第三接收器所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为-1级测量信号。

±1级测量信号、参考信号分别经处理电路最终被计数器计数得数值C₊₁、C_-1和C_R，通过外差技术将测量信号与参考信号进行差值可得ΔC₊₁和ΔC_-1，最终将数据输送至PC机中可再次差值得N，由此可根据衍射光栅的多普勒效应计算出光栅的微小位移S，依据微小位移量S和转角的几何关系α＝S/R(R为滚转半径)求解出被测滚转角α。

其主要测量原理及数学表达式(数学模型)如下：

如图3所示，入射光正入射(记入射角为i，等于0°)到衍射光栅上发生衍射，设±1级衍射光束的出射角为θ。因此，由光栅方程可得：

dsinθ＝±λ(1)

式中，d为光栅常数。

如图1和图2所示，当衍射光栅因被测对象的滚转而使其在小范围内产生线性运动，设其运动速度为V，相应的微小位移为S，则由多普勒频移原理可知：

${\mathrm{\Δf}}_{\±1}=\frac{V\cos (90-\mathrm{\θ})}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中，Δf_±1表示为±1级衍射光的频率变化即频移量。λ为激光的波长。

由式(1)和(2)可得：

${\mathrm{\Δf}}_{\±1}=\±\frac{V}{d}---\left(3\right)$

如图1和图2所示，双频激光器发出两频率接近的振动方向正交的双频激光束，令其频率分别为f₁和f₂。由光路及原理可知，参考信号I_R是由第一检偏器和光电接收器所接收即f₁-f₂的信号，可表示为：

式中，令f₁和f₂的光强相等即I₁＝I₂＝I_av，为f₁和f₂的相位差。

透过偏振分光棱镜的P光正入射到衍射光栅即为测量光束，令P光的频率为f₁，则S光的频率为f₂。根据式(3)可知，测量光束到光栅处发生衍射后，±1级衍射光束的发生多普勒频移，其频率不再为f₁，而应该表示为：

f_±1＝f₁±Δf_±1(5)

由式(5)和(3)可得：

$f_{\±1}=f_1\±\frac{V}{d}---\left(6\right)$

式中，f_±1表示±1级衍射光束(衍射后测量光束)的频率。

因此，由第二、三光电接收器分别接收到±1级衍射光束(衍射后测量光束)与其相应的S光(参考光束)的拍频干涉信号I_±1，其可表达为：

由于光强幅值可由处理电路调整，以及式(6)代入式(7)得：

式(8)表明衍射光栅的速度V和相应的微小位移S被调制到±1级衍射光束与相应参考光束的拍频干涉信号(即±1级测量信号)的相位Ψ中，使信号光强随着位移S的改变而发生强弱周期性变化。

根据频率是相位的时间导数即且计数器是整数操作即可取的整数部分。因此，由式(8)可得对测量信号的计数数目C_±1：

$C_{\±1}={\∫}_0^T(1/2\mathrm{\π})(d\mathrm{\Ψ}/dt)dt={\∫}_0^T(f_1-f_2\±\frac{V}{d})dt=(f_1-f_2\±\frac{V}{d})T---\left(9\right)$

同理，对参考信号进行计数，由式(4)可得其计数数目C_R为：

$C_R={\∫}_0^T(1/2\mathrm{\π})(d\mathrm{\Ψ}/dt)dt={\∫}_0^T(f_1-f_2)dt=(f_1-f_2)T---\left(10\right)$

由±1级测量信号与参考信号混频或计数差值运算，即式(9)和(10)相差可得：

$C_{\±1}-C_R=\±\frac{V}{d}T---\left(11\right)$

由于S＝VT，且令N_±1＝C_±1-C_R>0表示光栅位移引起的相应频率变化经计数器所计的数目。则由(11)可得位移测量值为：

S_±1＝±N_±1·d(12)

显然，式(12)表明位移测量分辨率为光栅常数d。

为了进一步提高位移分辨率，可由±1级测量信号相互混频或计数差值运算，由式(9)可得：

式中，令N＝C₊₁-C_-1，为±1级测量信号的计数之差。

式(13)表明将±1级测量信号进行外差从而可得更高位移测量分辨率。

由图1可知，O为滚转中心，滚转角α与微小位移S和滚转半径R的几何关系，可表达为：

$\mathrm{\α}=\frac{S}{R}---\left(14\right)$

由式(13)和(14)可求解出被测滚转角α的数学表达式：

$a=\frac{Nd}{2R}---\left(15\right)$

从该数学模型可知，当滚转半径确定已知的情况下，角测量灵敏度与位移测量分辨率成正比，即只与光栅常数d有关。d越小角测量灵敏度越高。考虑到±1级光强分布及光路结构布局，d通常在1.25～0.625μm范围内取值。通过细分技术如电子细分方法可将位移测量分辨率提高到纳米级，因此最终滚转角测量灵敏度可达10^-2μrad或0.002arcsec(当R取值为0.1m时)。

与现有滚转角检测方法相比，该发明方法和装置具有超高分辨率的优势。本发明的方法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、高档数控机床的运动轴滚转角精度测量、性能评定、误差溯源及补偿等领域，其广泛应用将可促进精密加工、装备制造等检测技术的发展。

Claims (5)

1.一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，包括双频激光器(1)、5％反射镜(2)、偏振分光棱镜(4)、衍射光栅(10)以及第一、二反射器(8、12)；在所述双频激光器(1)的光轴后设置5％反射镜(2)，所述5％反射镜(2)的反射光轴上设有第一检偏器和第三光电接收器(15)；所述5％反射镜(2)的透射光轴上设有偏振分光棱镜(4)；所述的偏振分光棱镜(4)的透射光轴上且与该光轴垂直设置有衍射光栅(10)；所述衍射光栅(10)的±1级衍射光轴上分别设置有第一反射器(8)和第二反射器(12)；所述的偏振分光棱镜(4)的反射光轴上设有第一50％分光镜(5)；所述第一50％分光镜(5)的透射光轴与所述第一反射器(8)的出射光轴交点处设有第二50％分光镜(6)；所述第一50％分光镜(5)的反射光轴上设有高反射光镜(7)；所述高反射光镜(7)的反射光轴与所述第二反射器(12)的出射光轴交点处设有第三50％分光镜(13)；所述第二50％分光镜(6)和第三50％分光镜(13)的光轴上分别设有第二、三检偏器和第一、二光电接收器(3、14)。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，所述衍射光栅(10)的两端设置有用以固定衍射光栅(10)的第一固定支架(9)和第二固定支架(11)，所述第一固定支架(9)和第二固定支架(11)的下端分别固定第一反射器(8)和第二反射器(12)。

3.根据权利要求2所述的基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，所述衍射光栅(10)被固定在被测对象上，作为敏感元件，第一、二反射器(8、12)通过第一、二固定支架(9、10)被固定以保证与所述衍射光栅(10)相对静止；由衍射光栅(10)和第一、二反射器(8、12)构成一体的目标反射器(102)；由双频激光器(1)、5％反射镜(2)、第一、二、三检偏器和第一、二、三光电接收器(3、14、15)，偏振分光棱镜(4)、第一、二、三50％分光镜(5、6、13)和高反射光镜(7)构成测量头(101)。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置，其特征在于，所述第一、二反射器(8、12)为斯密特棱镜或高反射镜。

5.一种基于权利要求1-3任意一项所述装置的滚转角测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)双频激光器(1)发出的光束经过5％反射镜(2)被分成两束光，其中反射光束经第一检偏器和第三光电接收器(15)后被接收，视为参考信号；

2)由5％反射镜(2)出射的透射光束经过偏振分光棱镜(4)后被分成S光和P光；S光经偏振分光棱镜(4)反射后经过第一50％分光镜(5)分为两束，其中透射光束经第二50％分光镜(6)反射后入射到第二检偏器和第一光电接收器(3)被接收，为第二光电接收器(14)的参考光束，其中反射光束经高反射光镜(7)和第三50％分光镜(13)反射后入射到第三检偏器和第二光电接收器(14)被接收，为第三光电接收器(15)的参考光束；P光透过偏振分光棱镜(4)正入射到衍射光栅(10)后发生衍射，其中+1级衍射光束经第一反射器(8)反射后，与衍射光栅(10)正交方向出射，透过第二50％分光镜(6)入射到第二检偏器和第一光电接收器(3)被接收，为第二光电接收器(14)的测量光束，同理，其中-1级衍射光束经第二反射器(12)反射后，与衍射光栅(10)正交方向出射，透过第三50％分光镜(13)入射到第三检偏器和第二光电接收器(14)被接收，为第三光电接收器(15)的测量光束；第二光电接收器(14)所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为+1级测量信号，第三光电接收器(15)所接收的参考光束与测量光束的干涉信号视为-1级测量信号；

3)±1级测量信号、参考信号分别经比较器、计数和采集电路最终被计数器计数得数值C₊₁、C_-1和C_R，通过外差技术将测量信号与参考信号进行差值可得ΔC₊₁和ΔC_-1，最终将数据输送至PC机中，再次差值得N，根据衍射光栅的多普勒效应计算出光栅的微小位移S，依据微小位移量S和转角的几何关系α＝S/R，求解出被测滚转角α，其中R为滚转半径。