本发明专利技术公开了一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置及方法，包括单频激光器，单频激光器的出射光路上设置有消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜的反射光轴和透射光轴分别经声光调制器、偏振分光棱镜与直角棱镜连接形成两组衍射光，两组衍射光分别经一个四分之一波片后与分光棱镜连接形成两束测量光，分光棱镜的两个出射面方向分别经光电探测器后与相位计连接，通过相位计与计算机连接。本发明专利技术提高了单束测量光的测量分辨率，极大的提高了测量分辨率，能够为精密导轨运动副、高档数控机床等的滚转角测量提供更为精密和可靠的检测方法和技术。
A four beam laser heterodyne interference roll angle measuring device and method
【技术实现步骤摘要】
一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置及方法
本专利技术属于滚转角光电测量
，具体涉及一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置及方法。
技术介绍
精密导轨在制造业、航空航天等工业中发挥着重要的作用。在直线导轨中存在着六项几何误差，分别是：定位误差、两个直线度误差、俯仰角、偏摆角及滚转角。因此，对导轨的滚转角误差进行高精度的测量是衡量精密导轨性能的重要指标，同时也是进行产品验收检验以及进行误差补偿的关键技术。在六项自由度误差中，除滚转角以外的其余五项误差都可以由基于光程差变化的干涉仪进行测量，而对于滚转角误差，由于其误差方向与测量光束方向垂直，无法引入额外的光程差，因而滚转角的测量相对困难，目前国内外还处于一种研究和探索阶段。目前的基于偏振态变化的外差干涉仪可以对滚转角进行测量，主要原理是作为探测敏感元件的二分之一波片的滚转会引入光束偏振态的变化，从而引起测量光束相位变化。通过检测相位变化量可以计算出波片的滚转角误差大小。然而，目前的基于偏振态变化的外差干涉仪测量光中的两个频率分量随着滚转角变化的相位变化灵敏区不重合，两分量的灵敏区交替出现使得两个光束的高分辨率测量不能充分利用，系统测量分辨率不能得到有效的提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置及方法，通过将测量光中的两个频率分量分束调制，使两个频率分量的相位变化灵敏区重合，将测量放大倍数以及分辨率进一步提高了两倍。本专利技术采用以下技术方案：一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置，包括单频激光器，单频激光器的出射光路上设置有消偏振分光棱镜；消偏振分光棱镜的反射光轴和透射光轴分别经声光调制器、偏振分光棱镜与直角棱镜连接形成两组衍射光，两组衍射光分别经一个四分之一波片后与分光棱镜连接形成两束测量光，分光棱镜的两个出射面方向分别经光电探测器后与相位计连接，通过相位计与计算机连接。具体的，消偏振分光棱镜的反射光轴上依次设置有第一反射镜和第一声光调制器，第一声光调制器出射的第一衍射光光轴上设置有第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜的第一出射面与直角棱镜的第一直角面连接，第一偏振分光棱镜的第二出射面的方向与第一直角棱镜的第二直角面的方向相同；第一衍射光通过第一偏振分光棱镜和第一直角棱镜分为光束一和光束二；第一偏振分光棱镜的第二出射面与第一直角棱镜的第二直角面的出射方向设置有第一四分之一波片，光束一和光束二经第一四分之一波片后在分光棱镜的第一入射面进入。具体的，线偏振分光棱镜的透射光轴上设置有第二声光调制器；第二声光调制器出射的第二衍射光光轴上设置有第二反射镜，第二反射镜的反射光光轴上设置有第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜的第一出射面与第二直角棱镜的第一直角面连接，第二偏振分光棱镜的第二出射面的方向与第二直角棱镜的第二直角面的方向相同；第二衍射光通过偏振分光棱镜和直角棱镜分为光束三和光束四；第二偏振分光棱镜的第二出射面与第二直角棱镜的第二直角面的出射方向设置有第二四分之一波片；光束三和光束四经第二四分之一波片后在分光棱镜的第二入射面进入。具体的，分光棱镜的出射面方向分别设置二分之一波片和反射器，两束测量光分别经二分之一波片被反射器平行反射后再次通过二分之一波片；返回的两束测量光光轴上分别设置有偏振片和光电探测器，两个偏振片的透光轴方向相互垂直设置。进一步的，反射器为两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜，反射镜的入射角度为45°。具体的，两组衍射光同为正一级或同为负一级，两个声光调制器的驱动频率不同，两驱动频率之间的差值在光电探测器的探测极限范围内。具体的，单频激光器出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜的入射面成45°。具体的，两个四分之一波片的快轴方向相互垂直设置。本专利技术的另一个技术方案是，一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量方法，包括单频激光器，单频激光器的出射光路上设置有消偏振分光棱镜，消偏振分光棱镜的反射光轴依次经第一反射镜、第一声光调制器、第一偏振分光棱镜、第一直角棱镜和第一四分之一波片后与分光棱镜连接；线偏振分光棱镜的透射光轴依次经第二声光调制器、第二反射镜、第二偏振分光棱镜、第二直角棱镜、第二四分之一波片后与分光棱镜连接；分光棱镜的出射面方向依次设置有二分之一波片、反射器、两个偏振片、两个光电探测器、相位计和计算机；具体测量步骤如下：S1、单频激光器发出的光束经过消偏振分光棱镜后，被分成透射光和反射光，反射光经第一反射镜反射后经第一声光调制器产生第一衍射光；第一衍射光经第一偏振分光棱镜和第一直角棱镜后分为光束一和光束二；透射光经过第二声光调制器产生第二衍射光经第二反射镜反射；经第二偏振分光棱镜和第二直角棱镜分为光束三和光束四；光束一和光束二经第一四分之一波片进入分光棱镜，光束三和光束经第二四分之一波片分光棱镜；S2、光束一和光束三经过分光棱镜合成为测量光A，光束二和光束四经分光棱镜合成为测量光B；测量光A和测量光B透过固定在被测物体上的二分之一波片，然后由反射器反射平行返回，再次通过二分之一波片后，测量光A和测量光B分别经过第一偏振片和第二偏振片形成拍频光，再分别被第一光电探测器和第二光电探测器接收；S3、第一光电探测器和第二光电探测器将接收的信号输入到相位计进行鉴相，最后将数据传递给计算机，计算机根据两信号相位差的变化量与滚转角计算出二分之一波片所固定物体的滚转角Δα。具体的，滚转角Δα的测量计算公式为：G＝16cotθ其中，Δψ为测量光A和测量光B的相位差变化量，G为测量系统的放大倍数，θ为第一四分之一波片快轴方向与光束三偏振方向的夹角。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术测量装置四光束的布局，使四个光束合成为两个测量光，通过设置两个四分之一波片和两个偏振片的角度，使每束测量光中的两个频率分量的相位变化灵敏区相互重合，从而提高了单束测量光的测量分辨率；此外，使两个测量光随着滚转角变化产生的相位移动方向相反，从而使系统输出的两信号相位差的变化翻倍，从而极大的提高了测量分辨率。进一步地，本专利技术的单频激光器出射的激光偏振方向与消偏振分光棱镜的入射面成45度，45度设置使得消偏振分光棱镜能够分别将第一衍射光分为光强相同的光束一和光束二，以及将第二衍射光分为光强相同的光束三和光束四。进一步地，本专利技术的第一偏振片和第二偏振片的透光轴方向相互垂直，使得测量光A和测量光B的测量灵敏区重合。进一步地，本专利技术的第一声光调制器的驱动频率与第二声光调制器的驱动频率不同，两驱动频率之间的差值在探测器的探测极限范围内。能够使光束一和光束三合成为双频激光，并且能够被探测器探测，同样能够使光束二和光束四合成为双频激光，并且能够被探测器探测。进一步地，本专利技术的反射器为两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜，反射镜的入射角度为45°。使得反射器能够平行地光束反射并且保持偏振态不本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置，其特征在于，包括单频激光器(1)，单频激光器(1)的出射光路上设置有消偏振分光棱镜(2)；消偏振分光棱镜(2)的反射光轴和透射光轴分别经声光调制器、偏振分光棱镜与直角棱镜连接形成两组衍射光，两组衍射光分别经一个四分之一波片后与分光棱镜(13)连接形成两束测量光，分光棱镜(13)的两个出射面方向分别经光电探测器后与相位计(19)连接，通过相位计(19)与计算机(20)连接。/n
【技术特征摘要】
1.一种四光束结构激光外差干涉滚转角测量装置，其特征在于，包括单频激光器(1)，单频激光器(1)的出射光路上设置有消偏振分光棱镜(2)；消偏振分光棱镜(2)的反射光轴和透射光轴分别经声光调制器、偏振分光棱镜与直角棱镜连接形成两组衍射光，两组衍射光分别经一个四分之一波片后与分光棱镜(13)连接形成两束测量光，分光棱镜(13)的两个出射面方向分别经光电探测器后与相位计(19)连接，通过相位计(19)与计算机(20)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，消偏振分光棱镜(2)的反射光轴上依次设置有第一反射镜(3)和第一声光调制器(4)，第一声光调制器(4)出射的第一衍射光光轴上设置有第一偏振分光棱镜(7)；第一偏振分光棱镜(7)的第一出射面与直角棱镜(8)的第一直角面连接，第一偏振分光棱镜(7)的第二出射面的方向与第一直角棱镜(8)的第二直角面的方向相同；第一衍射光通过第一偏振分光棱镜(7)和第一直角棱镜(8)分为光束一和光束二；第一偏振分光棱镜(7)的第二出射面与第一直角棱镜(8)的第二直角面的出射方向设置有第一四分之一波片(11)，光束一和光束二经第一四分之一波片(11)后在分光棱镜(13)的第一入射面进入。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，线偏振分光棱镜(2)的透射光轴上设置有第二声光调制器(5)；第二声光调制器(5)出射的第二衍射光光轴上设置有第二反射镜(6)，第二反射镜(6)的反射光光轴上设置有第二偏振分光棱镜(9)；第二偏振分光棱镜(9)的第一出射面与第二直角棱镜(10)的第一直角面连接，第二偏振分光棱镜(9)的第二出射面的方向与第二直角棱镜(10)的第二直角面的方向相同；第二衍射光通过偏振分光棱镜(9)和直角棱镜(10)分为光束三和光束四；第二偏振分光棱镜(9)的第二出射面与第二直角棱镜(10)的第二直角面的出射方向设置有第二四分之一波片(12)；光束三和光束四经第二四分之一波片(12)后在分光棱镜(13)的第二入射面进入。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，分光棱镜(13)的出射面方向分别设置二分之一波片(14)和反射器(15)，两束测量光分别经二分之一波片(14)被反射器(15)平行反射后再次通过二分之一波片(14)；返回的两束测量光光轴上分别设置有偏振片和光电探测器，两个偏振片的透光轴方向相互垂直设置。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，反射器(15)为两个反射面相互垂直的平面反射镜，两个反射面均镀制有介质膜，反射镜(15)的入射角度为45°。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，两组衍射光同为正一级或同为负一级，两个声光调制器的驱动频率不同，两驱动...
【专利技术属性】
技术研发人员：王昭，齐静雅，黄军辉，高建民，李鹏飞，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。