一種全光路光漂補(bǔ)償?shù)母呔葷L轉(zhuǎn)角測量方法與裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)激光光線漂移完全補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn) 角測量方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高精密機(jī)械制造、加工、檢測等領(lǐng)域，修正幾何及運(yùn)動誤差提高直線運(yùn)動系統(tǒng)精 度至關(guān)重要，因此，六自由度誤差的高精度測量方法與技術(shù)研宄一直是一個(gè)重要課題，而滾 轉(zhuǎn)角誤差是六自由度誤差中最難測量的一個(gè)參數(shù)。此外，滾轉(zhuǎn)角測量也廣泛用于姿態(tài)識別、 安裝定位等方面。
[0003] 傳統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)角測量方法主要是以重力方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的電子水平儀及以四方鐵的位 置為基準(zhǔn)的組合測量法，電子水平儀無法測量豎直軸方向的幾何誤差，四方鐵組合測量法 屬于接觸式測量。光學(xué)測量方法可以克服傳統(tǒng)方法的局限性，主要包括以下幾類：
[0004] 1.干涉法。例如目前機(jī)床檢測中主要采用的雙頻激光干涉法方法，優(yōu)點(diǎn)是精度 高，抗干擾能力強(qiáng)，但需要分步測量兩個(gè)不同位置的直線度來計(jì)算出滾轉(zhuǎn)角大小，不能用 于實(shí)時(shí)測量。此外還有其他基于特定結(jié)構(gòu)的干涉測量方法（如美國專利US5056921、中國 專利ZL2009101673099)和基于雙頻激光拍頻干涉及相位檢測的測量方法（如中國專利 ZL011308931)，雖然可以獲得很高的測量分辨率，但對元件加工要求高，測量系統(tǒng)復(fù)雜，給 實(shí)際應(yīng)用帶來不便。
[0005] 2.衍射法。利用光柵衍射光束作為測量光實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角測量的方法（如美國專利 US4804270,中國專利ZL2008101188633)，衍射法結(jié)構(gòu)簡單，但測量分辨率不夠高，且測量單 元移動范圍有限。
[0006] 3.偏振法。此類以光的偏振方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的測量方法很多。比如，基于正交雙偏振 光的液晶光閥或雙激光器分時(shí)調(diào)制法（中國專利ZL021236429)，以及一種測量移動單元無 電纜的方法（中國專利ZL2005100118771)。此類方法將滾轉(zhuǎn)角誤差轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，測量 靈敏度受限于測量光的偏振度、信號放大電路信噪比等而難以提高。
[0007] 4.激光準(zhǔn)直法。最典型的是平行雙光束法，基于激光準(zhǔn)直特性，通過探測兩 束平行激光準(zhǔn)直光束的光斑位置變化，計(jì)算得到滾轉(zhuǎn)角。如美國專利US5798828、文獻(xiàn) "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)以及中國專利 ZL2010101664995 等所提出的方法。此類 方法結(jié)構(gòu)簡單，易于多參數(shù)同時(shí)測量集成，但雙光束的平行調(diào)節(jié)困難，此外，激光光線漂移 的影響限制了測量精度的提高。雖然在中國專利ZL2010101664995和文獻(xiàn)"多自由度誤差 同時(shí)測量中滾轉(zhuǎn)角高精度測量方法的研宄"（翟玉生，博士論文，北京交通大學(xué)，2012)所提 出方法中采用的共路結(jié)構(gòu)以及雙光路差分測量，可以基本消除激光光線平行漂移以及共模 噪聲的影響，但對于雙光路中單一光路上的激光光線角度漂移的影響仍然無法消除。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提出一種基于激光準(zhǔn)直技術(shù)，光路調(diào)節(jié)簡單，可實(shí)現(xiàn) 全光路激光光線漂移完全補(bǔ)償?shù)母呔葷L轉(zhuǎn)角測量方法及裝置。
[0009] 本發(fā)明提出的一種實(shí)現(xiàn)激光光線漂移補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角測量方法，可以通過以下步驟 來實(shí)現(xiàn)：
[0010] 1.激光器發(fā)出的激光經(jīng)準(zhǔn)直后出射；
[0011] 2.所述準(zhǔn)直光束經(jīng)五角分光棱鏡后產(chǎn)生出射方向互相垂直的透射光和反射光；
[0012] 3.所述的透射光為測量光束1 ;所述的反射光經(jīng)五角棱鏡后出射方向改變90度， 形成與測量光束1平行并且出射方向一致的測量光束2 ;
[0013] 4.所述測量光束1和測量光束2沿待測滾轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)軸方向，分別對應(yīng)入射到作為滾 轉(zhuǎn)角敏感元件的逆向反射器1和逆向反射器2上，各自形成與入射光方向平行的逆向反射 光；
[0014] 5.所述兩束逆向反射光分別經(jīng)同一個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生平移并且反向，其中，對于上 述光學(xué)結(jié)構(gòu)，光束1的入射點(diǎn)與光束2的出射點(diǎn)重合，光束1的出射點(diǎn)與光束2的入射點(diǎn)重 合；
[0015] 6.所述平移且反向的光束1和光束2,分別對應(yīng)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，兩束測量光1和2的路徑完全重合，但傳輸光路互逆；
[0016] 7.所述測量光束1和測量光束2分別經(jīng)單向變向器1和單向變向器2改變方向， 并入射到光電探測器1和光電探測器2,當(dāng)發(fā)生待測滾轉(zhuǎn)時(shí)，兩束測量光在兩個(gè)光電探測器 上的光斑位置發(fā)生變化，光電探測器輸出的光電信號經(jīng)過信號處理電路后，送入處理終端 獲得包含激光光線漂移誤差的待測滾轉(zhuǎn)角值；
[0017] 8.所述測量光束1和光束2到達(dá)光電探測器1和光電探測器2之前，分別經(jīng)分束 器1和分束器2分束，所分出光束分別經(jīng)透鏡1和透鏡2聚焦于光電探測器3和光電探測 器4,當(dāng)激光光束發(fā)生角度漂移時(shí)，光電探測器上的聚焦光點(diǎn)位置發(fā)生變化，探測器輸出的 光電信號經(jīng)信號處理電路后，送入處理終端獲得激光光線角度漂移量；
[0018] 9.處理終端運(yùn)算獲得并顯示實(shí)現(xiàn)激光光線漂移完全補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角值。
[0019] 本發(fā)明提出實(shí)現(xiàn)上述激光光線漂移完全補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角測量方法的測量裝置。
[0020] 裝置包括激光器、準(zhǔn)直透鏡、五角分光棱鏡、五角棱鏡、逆向反射器、光束平移且反 向裝置、單向變向器、分束器、聚焦透鏡、光電探測器、信號處理電路和處理終端。其特征在 于：所述激光器可以采用He-Ne激光器、半導(dǎo)體激光器或其他類型的激光器；所述準(zhǔn)直透鏡 和聚焦透鏡可以是單透鏡或透鏡組；所述逆向反射器可以是角錐棱鏡、直角反射鏡或貓眼 結(jié)構(gòu)；所述光束平移且反向裝置可以是直角棱鏡、一對五角棱鏡或者一對反射面垂直的平 面鏡；所述變向器可以是分束器、偏振分光棱鏡與四分之一波片組合或者偏振分光棱鏡與 二分之一波片組合；所述分束器可以是分光片或者分光棱鏡；所述光電探測器可以是四象 限探測器QD、位置敏感探測器PSD或者光電接收器件(XD，以上探測器可以是一維，也可以 是二維的；所述處理終端可以是計(jì)算機(jī)或者其他任何具有數(shù)據(jù)采集控制、存儲運(yùn)算和顯示 功能的系統(tǒng)。所述激光器發(fā)出激光，經(jīng)所述準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后沿待測系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)軸方向出射； 所述五角分光棱鏡和五角棱鏡排列方向垂直于滾轉(zhuǎn)軸方向，準(zhǔn)直后的單光束經(jīng)五角分光棱 鏡的分束和五角棱鏡對反射分量的轉(zhuǎn)向后，形成兩束傳播方向相同的平行光束；所述逆向 反射器共有兩個(gè)，共同作為滾轉(zhuǎn)角測量敏感元件，其排列方向平行于兩個(gè)五角棱鏡的排列 方向，分別對應(yīng)接收兩束平行光；所述逆向反射器的反射光線與入射光線相互平行；所述 光束平移且反向裝置的反射光線與入射光線，在兩束平行光面內(nèi)平移且反向，在所述兩個(gè) 逆向反射器連線的垂面內(nèi)滿足反射定律；所述光束平移且反向裝置使所述兩個(gè)逆向反射器 出射的兩束測量光實(shí)現(xiàn)路徑重合，但傳輸光路互逆；所述單向變向器其功能是使某一方向 入射光變向，而對相反方向入射光通光不變向，單向變向器共有兩個(gè)，分別使再次經(jīng)逆向反 射器返回的兩束測量光束改變方向，入射到分束器；所述分束器共有兩個(gè)，分別使兩束測量 光到達(dá)光電探測器之前分束，各自形成兩束光；所述光電探測器共有四個(gè)，兩束測量光經(jīng)分 束后的任意一束分別直接入射到其中兩個(gè)光電探測器，用于測量滾轉(zhuǎn)角信息，另外兩束光 分別經(jīng)兩個(gè)聚焦透鏡后入射到另外兩個(gè)光電探測器，用于測量激光光線角度漂移；所述聚 焦透鏡光軸沿入射到透鏡的準(zhǔn)直光線方向；所述另外兩個(gè)光電探測器放置在所述聚焦透鏡 的焦平面位置；所述四個(gè)光電探測器與所述信號處理電路相連；所述信號處理電路與所述 處理終端通信。
[0021] 本發(fā)明采用一對逆向反射器作為敏感器件，通過平行雙光束差動測量獲得滾轉(zhuǎn)角 信息。本發(fā)明通過采用五角分光棱鏡和五角棱鏡組合獲得兩束平行測量光，雙光束平行性 由棱鏡加工精度保證，無需調(diào)整，大大提高了測量方法的可行性和實(shí)用性；本發(fā)明通過采用 光束平移且反向裝置，使兩束測量光的路徑完全重合，而光路方向互逆，利用這一特性，在 兩倍提高測量分辨率的同時(shí)，結(jié)合共路光漂補(bǔ)償法，可以實(shí)現(xiàn)激光光線漂移的全光路完全 補(bǔ)償，從而解決了中國專利ZL2010101664995和文獻(xiàn)"多自由度誤差同時(shí)測量中滾轉(zhuǎn)角高 精度測量方法的研宄"（翟玉生，博士論文，北京交通大學(xué)，2012)所提出方法中無法完全消 除激光光線角度漂移影響這一激光準(zhǔn)直測量中的共性難題，可實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角測量分辨率優(yōu)于 〇. 1"，精度優(yōu)于1";此外，本發(fā)明光學(xué)結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)簡單，移動部分不帶電纜，便于現(xiàn)場 測量。
【附圖說明】
[0022] 圖1 :平行雙光束法測量滾轉(zhuǎn)角原理圖。
[0023] 圖2 :實(shí)現(xiàn)激光光線漂移補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角測量實(shí)施方式一的裝置示意圖。
[0024] 圖3 :實(shí)現(xiàn)激光光線漂移補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角測量實(shí)施方式二的裝置示意圖。
[0025] 圖4 :實(shí)現(xiàn)激光光線漂移補(bǔ)償?shù)臐L轉(zhuǎn)角測量實(shí)施方式三的裝置示意圖。
[0026] 圖中：激光器1準(zhǔn)直透鏡2五角分光棱鏡3五角棱鏡4角錐棱鏡5、6直角棱鏡 7分光棱鏡8、9分束器10、11光電探測器12、13