[发明专利]一种基于斯托克斯矢量的滚转角测量方法及装置

说明书

本发明属于光电检测与测量领域，并具体公开了一种基于斯托克斯矢量的滚转角测量方法及装置，其由线偏振光产生模块产生线偏振光，利用与待测物体固连的波片将入射的线偏振光调制为椭圆偏振光，且椭圆偏振光的偏振态由待测物体的滚转角决定，通过完全斯托克斯偏振仪测量椭圆偏振光的偏振态，从斯托克斯偏振仪测得的斯托克斯参量得到旋转物体的滚转角。与现有的滚转角测量方法和装置相比，该滚转角测量实现了滚转角的超大量程绝对式测量，能够满足精密加工与测量、工业机器人、航天器自动对接等对滚转角测量要求量程大、精度高和绝对式测量的应用场合，并具备简洁、紧凑、高速和低成本等优点。

技术领域

本发明属于光电检测与测量领域，更具体地，涉及一种基于斯托克斯矢量的滚转角测量方法及装置。

背景技术

精密运动副是现代精密工程的惯性运动部件，广泛应用于数控机床、航天军工、同步辐射等高科技领域。物体的运动在空间笛卡尔直角坐标系中可用三个平行于直角坐标轴的移动自由度和三个绕坐标轴的转动自由度表征，基于此六个自由度可以完全确定一个物体在三维空间中的位置。滚转角作为六个自由度之一，是物体绕其纵轴的位移，与偏航角、俯仰角组成了物体运动的三个自由度的转角误差。滚转角测量作为精密测量的关键技术之一，在机床、坐标测量机和机器人导航等领域有着广泛的应用。相较于偏航角和俯仰角，现有的滚转角测量方法难以满足高精度大范围的测量需求，主要是滚转角的角位移垂直于运动方向，造成双频激光干涉仪、自准直仪等高精度成熟测角仪难以直接用于滚转角测量。

当前，国内外研究中对滚转角的测量方法主要有以下三种：

激光干涉法，其是将滚转角测量转化为干涉测量中的参量进行测量，如利用特定的光学器件或结构使滚转角变化为光程差变化或相位差变化。例如US3790284A提出了一种双渥拉斯顿棱镜的干涉法，以对称的双渥拉斯顿棱镜和对称的反射镜将滚转角变化转化为光程差的变化，其要求反射镜和双渥拉斯顿棱镜的装调对齐，设备成本较高，故应用场合受限；US2010141957A1和CN101650166A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转动，这降低了成本但却因增加相位计使系统结构变得复杂，且对楔形棱镜的对称性和面形要求较高。

激光自准直法，利用激光良好的空间稳定性进行测量，如平行双光束法中通过测量移动平台上两个不同点的直线度从而得到滚转角大小。例如CN101846506A提出了一种基于共路平行光线的滚转角测量方法，其基于激光自准直原理采用对称光路得到两平行光线，将滚转角变化转化为共光线的光程差，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；CN104535019A提出了一中双衍射光栅外差的滚转角测量方法，其采用将滚转角信息转化为偏振相位差，实现了高分辨率和高精度，但测量范围小，而且测量系统复杂。

基于偏振特性法，其利用激光偏振面对旋转的敏感性，以偏振面为基准来测量滚转角。例如CN105222726A提出了一种基于多次通过二分之一波片的光强法滚转角测量装置及方法，其利用1/2波片配合棱镜阵列，使用时对偏振光作用的可叠加性，将其置于两套棱镜阵列中，将滚转角转化为由于阵列棱镜引起的光强差变化，提高了滚转角测量的分辨率，但是该方法的光路系统过于复杂，光路需不断在二分之一波片和两套棱镜之间进行反射，对于光路的准直性要求严格。Shiguang Li等人在文献(Compact optical roll-anglesensor with large measurement range and high sensitivity，Optics letters，2005年30卷3期，242-4页)中提出的利用法拉第转子调制探测光的偏振状态来在±30°的工作范围和0.01°的分辨率内进行滚转角测量，Steven R.Gillmer等人对此作了改进，用声光调制器代替法拉第转子达到了43°的工作测量范围和0.002°的分辨率的滚转角测量。