[发明专利]组合式反射镜光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法

说明书

技术领域

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

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。

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：

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US 2010/0141957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。

第二，自准直与PSD结合的方法。WeiGao等人的“Measurementand controlofrollingofaprecisionmovingtable”(ProceedingsoftheIEEE Internationalconferenceonintelligentprocessingsystems,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。

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。