基于多次通過二分之一波片的光強(qiáng)法滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于角度的光電測(cè)量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于多次通過二分之一波片的光 強(qiáng)法滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 滾轉(zhuǎn)角誤差作為高檔機(jī)床幾何誤差的重要部分，其精度是衡量機(jī)床性能與加工精 度的重要參考指標(biāo)之一，它的測(cè)量技術(shù)水平是高檔機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度加工 的前提和基礎(chǔ)。
[0003] 機(jī)械導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副一般存在三個(gè)方向的角度誤差，即俯仰角誤差、偏擺角誤差和滾 轉(zhuǎn)角誤差。其中，俯仰角和偏轉(zhuǎn)角誤差可通過高精度激光干涉儀進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量技術(shù)已經(jīng)成 熟并能達(dá)到很高的精度；對(duì)于滾轉(zhuǎn)角誤差，由于其誤差方向與測(cè)量光束方向垂直，無法引入 額外的光程差，因而滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量相對(duì)困難，目前國(guó)內(nèi)外還處于一種研究和探索階段。
[0004] 當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)滾轉(zhuǎn)角的測(cè)量方法主要有以重力方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的電子水平儀測(cè)量方 法，基于位置探測(cè)元件的準(zhǔn)直激光法以及偏振法。其中電子水平儀測(cè)量方法主要受限于其 測(cè)量精度和測(cè)量速度，且無法測(cè)量豎直軸的滾轉(zhuǎn)角誤差，同時(shí)針對(duì)多維測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)研 究，很難與其它方向的誤差測(cè)量系統(tǒng)相融合；基于位置探測(cè)元件的準(zhǔn)直激光法的測(cè)量精度 受到位置探測(cè)元件的精度限制而無法進(jìn)一步提高，且對(duì)光路的調(diào)節(jié)要求高，容易受到探測(cè) 元件俯仰、偏擺等位置誤差的影響。而以激光偏振方向?yàn)榛鶞?zhǔn)的偏振法，該方法包括基于光 強(qiáng)、相位和頻率三種測(cè)量方法。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種基于多次通過二分之一波 片的光強(qiáng)法滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及方法，其不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且能夠很大程度的提高測(cè)量精度 和靈敏度。
[0007] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 這種基于多次通過二分之一波片的光強(qiáng)法滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置包括激光器，在所述激 光器的光軸后設(shè)有1/2波片；所述1/2波片的兩側(cè)分別設(shè)有棱鏡陣列；在所述1/2波片的最 終出射光軸上設(shè)置偏振分光棱鏡，所述偏振分光棱鏡的透射光軸上設(shè)有第一功率探頭，所 述偏振分光棱鏡的反射光軸上設(shè)有第二功率探頭；所述第一功率探頭和第二功率探頭分別 與信號(hào)處理電路相連接，所述的信號(hào)處理電路與計(jì)算機(jī)相連接。
[0009] 進(jìn)一步，以上設(shè)置在所述1/2波片兩側(cè)的兩套棱鏡陣列為第一棱鏡陣列和第二棱 鏡陣列，第一棱鏡陣列和第二棱鏡陣列平行設(shè)置，所述1/2波片位于第一、二棱鏡陣列之 間。
[0010] 進(jìn)一步，上述棱鏡陣列為角錐棱鏡陣列或者直角棱鏡陣列。
[0011] -種上述基于多次通過二分之一波片的光強(qiáng)法滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置的測(cè)量方法，包括 以下步驟：
[0012] 1)激光器發(fā)出的光束經(jīng)過1/2波片后入射到兩套棱鏡陣列，經(jīng)兩套棱鏡陣列反復(fù) 反射作用使光束往返經(jīng)過1/2波片n次后，再出射到偏振分光棱鏡，由偏振分光棱鏡出射的 透射光束被第一功率探頭接收，視為信號(hào)一；上述n為自然數(shù)；
[0013] 2)由偏振分棱鏡出射的反射光束被第二功率探頭接收，視為信號(hào)二；
[0014] 3)信號(hào)一與信號(hào)二通過信號(hào)處理電路將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)光強(qiáng)的變 化量與滾轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系式計(jì)算出1/2波片的角誤差即被測(cè)滾轉(zhuǎn)角A0。
[0015] 進(jìn)一步的，以上滾轉(zhuǎn)角A 0的測(cè)量計(jì)算公式為： 為滾轉(zhuǎn)角A0引起的光強(qiáng)差變化，n由棱鏡陣列的棱鏡的數(shù)目決定，為常數(shù)，I。為激光器出 射的初始光束的光強(qiáng)大小。
[0016] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0017] 本發(fā)明基于多次通過二分之一波片的光強(qiáng)法的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及方法，其利用了 1/2波片配合棱鏡陣列使用時(shí)對(duì)偏振光作用的可疊加性，將其置于兩套棱鏡陣列中，充分利 用光束多次往返探測(cè)元件，提高了滾轉(zhuǎn)角測(cè)量的分辨率。本發(fā)明適用于高精度的工業(yè)測(cè)量 領(lǐng)域，尤其適用于精密導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副、及以其為基礎(chǔ)的設(shè)備如：高檔數(shù)控機(jī)床的滾轉(zhuǎn)角誤差測(cè) 量，其廣泛應(yīng)用可較大的推動(dòng)機(jī)床制造等工業(yè)的發(fā)展。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的主要光路結(jié)構(gòu)圖及其組成；
[0019] 圖2為本發(fā)明的主要光路結(jié)構(gòu)俯視圖；
[0020] 其中，1、激光器，2、1/2波片，3a、第一棱鏡陣列，3b、第二棱鏡陣列，4、偏振分光棱 鏡，5、第一功率探頭，6、第二功率探頭，7、信號(hào)處理電路，8、計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0022] 參見圖1和圖2,本發(fā)明基于多次通過二分之一波片的光強(qiáng)法的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置 包括激光器1以及沿激光器光軸后設(shè)有1/2波片2,所述1/2波片2位于兩套棱鏡陣列中 間，在1/2波片的最終出射光軸上設(shè)置偏振分光棱鏡4,所述偏振分光棱鏡4的透射光軸上 設(shè)有第一功率探頭5 ;所述偏振分光棱鏡4的反射光軸上設(shè)有第二功率探頭6 ;所述第一功 率探頭5和第二功率探頭6分別與信號(hào)處理電路7相連接；所述的信號(hào)處理電路7與計(jì)算 機(jī)8相連接。
[0023] 如圖所示，所述兩套棱鏡陣列由第一棱鏡陣列3a和第二棱鏡陣列3b平行設(shè)置組 成，所述1/2波片2位于第一、二棱鏡陣列3a、3b之間。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，棱鏡陣 列可以選擇角錐棱鏡陣列或者直角棱鏡陣列。
[0024] 本發(fā)明還提出一種基于以上多次通過二分之一波片的光強(qiáng)法的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置 的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0025] 1)激光器發(fā)出的光束經(jīng)過1/2波片后入射到兩套棱鏡陣列，經(jīng)兩套棱鏡陣列反復(fù) 反射作用使光束往返經(jīng)過1/2波片n次后（n為自然數(shù)），再出射到偏振分光棱鏡，由偏振分 光棱鏡出射的透射光束被第一功率探頭接收，視為信號(hào)一；
[0026] 2)由偏振分光棱鏡出射的反射光束被第二功率探頭接收，視為信號(hào)二；
[0027] 3)信號(hào)一與信號(hào)二通過信號(hào)處理電路將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)光強(qiáng) 的變化量與滾轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系式計(jì)算出1/2波片的角誤差即被測(cè)滾轉(zhuǎn)角A0。其中，
其中，AI。為滾轉(zhuǎn)角A0引起的光強(qiáng)差變化，n由棱鏡陣列的棱鏡 的數(shù)目決定，為常數(shù)，Ic為激光器出射的初始光束的光強(qiáng)大小。
[0028] 本發(fā)明的工作過程如下：激光器1發(fā)出的光束經(jīng)過1/2波片2,在棱鏡陣列3b作用 下反射返回，接著又經(jīng)過1/2波片2,此時(shí)光束往返經(jīng)過1/2波片2達(dá)1次；隨后光束到達(dá) 棱鏡陣列3a并被反射，在兩個(gè)棱鏡陣列3a和3b的作用下，光束第2次往返經(jīng)過1/2波片 2 ;這樣，此光束在兩個(gè)棱鏡陣列3a和3b之間，往返經(jīng)過后1/2波片n次后，再出射到偏振 分光棱鏡4,由偏振分光棱鏡4出射的透射光束被第一功率探頭5接收，視為信號(hào)一；由偏 振分光棱鏡4出射的反射光束被第二功率探頭6接收，視為信號(hào)二；由信號(hào)處理