组合式反射镜光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法【
技术领域：
】[0001]本发明涉及激光精密测量
技术领域：
，尤其涉及一种组合式反射镜光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法。【
背景技术：
】[0002]精密导轨运动副是现代精密工程的关键共性运动部件，广泛应用于同步辐射、数控机床、航天军工等高科
技术领域：
。所有导轨运动副都存在3个自由度的转角误差即俯仰角、偏摆角和滚转角。滚转角测量是误差补偿、精度改善的前提和基础，也是精密基准计量和几何量测量的关键技术之一。相对于前两者，现有滚转角测量方法或仪器难以满足高精度的测量需求，如同步辐射面形检测中导轨滚转角要求2〃范围内精度好于0.2"，主要是因为滚转的角位移垂直于导轨运动方向，造成双频激光干涉仪/自准直仪等高精度成熟测角仪无法直接用于滚转角测量。[0003]目前，针对滚转角测量难题，主要研究探索集中在如下几方面：[0004]第一，激光干涉法。R.R.Baldwin的美国专利US3790284提出了一种双渥拉斯顿棱镜的干涉方法，但反射镜和双渥拉斯顿棱镜的装调对齐要求高且成本较高，所以限制了其应用推广;W.Hou的美国专利US2010/0141957和中国专利公开号为CN101650166A在此基础上提出了一种滚转角干涉测量系统，利用楔形棱镜代替渥拉斯顿棱镜作为传感元件随待测对象一起运动，这降低了成本但却增加了相位计使系统结构复杂了，且仍严格要求光斑与楔形棱镜中心对称，这在滚转中心非恒定的测量场合难以应用;R.J.Chaney的美国专利US5056921也提出一种多光束的平面镜干涉仪法，由于平面镜贯穿整个线性运动的行程，所以较长且高精度的平面反射镜是技术实现的瓶颈。[0005]第二，自准直与PSD结合的方法。WeiGao等人的"Measurementandcontrolofrollingofaprecisionmovingtable"（ProceedingsoftheIEEEInternationalconferenceonintelligentprocessingsystems,1997,28-31:70-74)提出一种基于激光自准直和PSD结合的方法，利用两个差动式PSD探测器，实现滚转角测量，该方法对平面反射镜的表面质量提出了较高的要求，且其易受温度、应力变形等因素的影响，从而降低了测量可靠性；匡萃方等的中国专利公开号为CN101846506A《基于共路平行光线的滚转角测量方法》基于激光自准直原理采用对称光路提高灵敏度，通过测量反射后的光斑位置信息，获得滚转角测量值，共光路结构虽然提高了抗干扰性，但该方法结构相对复杂，增加调节难度，且易受直线度影响。[0006]第三，基于偏振特性的光强法。章恩耀等人的中国专利公开号为CN1396435A《基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置》揭示了采用相位差为180°的两列方法，分别调制光路中的两个半导体激光器产生两束分时交替的正交偏振光，经检偏器后产生光强差值，从而得到滚转角的值;匡萃方等的中国专利公开号为CN1687701A《一种滚转角测量方法与装置》公开了以1/4波片为传感元件，由渥拉斯顿棱镜分光，通过多象限探测器探测两光强差即电压差而实现滚转角测量的方法;史恩秀等人的中国专利公开号为CN101354243A《导轨滚转角的非接触激光检测方法》公开了以1/2波片为传感元件，通过偏振分光棱镜对线偏振光进行分光，探测两束的光强差的滚转角测量方法;冯其波等人的中国专利公开号为CN101339012A《一种基于光栅的滚转角测量方法与装置》揭示了一种将一维平面透射光栅作为传感元件进行分光，通过探测两光斑位置变化获得滚转角测量值。它对反射镜精度要求较高，且为非线性响应需标定;匡萃方等人的中国专利公开号为CN103162645A《一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量方法》公开了以1/2波片为传感元件，利用线偏振光经1/4波片变为椭圆偏振光，通过光电探测器探测光强最大和最小值进行初始椭偏度计算得到实时滚转角信息。测量时检偏器的旋转寻找最大和最小光强值将影响效率和精度。该方法基于光强，易受环境、光源等因素影响，通常其分辨率受到限制。[0007]第四，基于偏振特性的相位法。殷纯永等人的中国专利公开号为CN1335483A《滚转角测量方法及其滚转角测量仪》公开了基于横向塞曼激光器，以1/4波片使正交偏振光发生微椭偏化，再以1/2波片作为传感元件，在非线性灵敏区内探测1/2波片引起的相位变化，通过相位计与参考信号进行相位差测量获得滚转角值，该方法虽具有较高灵敏度，但非线性区需要标定，影响测量精度；以及王昭等的中国专利公开号为CN102654392A《一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法》和公开号为CN102818541A《一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法》提出基于多次反射的相位法达到提高分辨率的目的，并分别公开了基于阵列式和基于透镜式的两种多次反射器的测量光路及原理。该方法可实现高分辨率，但非线性响应曲线需要标定，降低了其精度，稳定性欠缺。[0008]因此，需要一种新的组合式反射镜光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法。[0009]在所述【
背景技术：
】部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。【
发明内容】[0010]本发明提供一种成本低、易加工的组合式反射镜光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法。[0011]本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。[0012]根据本发明的一方面，提供一种组合式反射镜光栅外差干涉的滚转角测量装置，包括:激光源，用于提供激光束和参考信号，其中所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差;光栅单元，其包括第一光栅和第二光栅，其中所述第一光栅和所述第二光栅能够随待测对象一起运动;干涉单元，用于将所述激光束分为第一偏振光和所述第二偏振光，其设置于所述光栅单元的一侧与所述激光源之间；以及第一组合式反射镜，所述第一组合式反射镜设置于所述第一光栅的衍射光轴上;第二组合式反射镜，所述第二组合式反射镜设置于所述第二光栅的衍射光轴上。其中，所述第一偏振光入射至所述第一光栅，经所述第一光栅出射具有一衍射角的第一衍射光，所述第一衍射光入射至所述第一组合式反射镜，经所述第一组合式反射镜反向平行反射至所述第一光栅，经所述第一光栅出射第二衍射光，该第二衍射光回射至所述干涉单元生成第一测量光束;所述第二偏振光沿与所述第一偏振光相平行的方向入射至所述第二光栅，经所述第二光栅出射具有一衍射角的第三衍射光，所述第三衍射光入射至所述第二组合式反射镜，经所述第二组合式反射镜反向平行反射至所述第二光栅，经所述第二光栅出射第四衍射光，该第四衍射光回射至所述干涉单元生成第二测量光束;所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉生成测量信号，并根据所述测量信号和所述参考信号获得所述待测对象的滚转角。[0013]于一实施例中，其中所述第一组合式反射镜包括两个相互垂直的第一长平面镜和第二长平面镜，所述第一长平面镜和所述第二长平面镜相交于一第一公共棱;所述第二组合式反射镜包括两个相互垂直的第三长平面镜和第四长平面镜，所述第三长平面镜和所述第四长平面镜相交于一第二公共棱。[0014]于一实施例中，其中所述第一衍射光垂直于所述第一组合式反射镜的所述第一公共棱入射，所述第三衍射光垂直于所述第二组合式反射镜的所述第二公共棱入射。[0015]于一实施例中，其中所述第二衍射光垂直于所述第一光栅出射，所述第四衍射光垂直于所述第二光栅出射。[0016]于一实施例中，第一组合式反射镜的所述第一公共棱平行于所述第一偏振光和所述第一衍射光所组成的第一平面;所述第二组合式反射镜的所述第二公共棱平行于所述第二偏振光和所述第三衍射光所组成的第二平面。[0017]于一实施例中，其中所述第一光栅和所述第二光栅均为衍射光栅。[0018]于一实施例中，其中所述第一光栅和所述第二光栅均为闪耀光栅。[0019]于一实施例中，还包括:信号处理单元，其通过一预定算法计算所述滚转角。[0020]根据本发明的再一方面，提供一种组合式反射镜光栅外差干涉的滚转角测量装置，包括:激光源，用于提供激光束当前第1页1 2 3 4 5