[发明专利]一种基于闪耀光栅的高精度滚转角干涉测量装置

说明书

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。精密运动系统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。因此改善运动定位系统的精度已成为工具、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[Wei Gao.Measurement and cont rol of rolling of a precision moving table.Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Processing 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 measurement with 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系统[侯文玫等,用于测量微滚转角的激光干涉系统,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。