一種雙衍射光柵外差干涉的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明屬于激光精密測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，是一種用于測(cè)量線性運(yùn)動(dòng)或位移方向的滾轉(zhuǎn)角（偏差）的光柵干涉儀裝置及方法?！?br>背景技術(shù)：
】[0002]精密導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副是現(xiàn)代精密工程的關(guān)鍵共性運(yùn)動(dòng)部件，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、航天軍工、同步輻射等高科
技術(shù)領(lǐng)域：
。所有導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副都存在3個(gè)自由度的轉(zhuǎn)角誤差即俯仰角、偏擺角和滾轉(zhuǎn)角。滾轉(zhuǎn)角測(cè)量是誤差補(bǔ)償、精度改善的前提和基礎(chǔ)，也是精密基準(zhǔn)計(jì)量和幾何量測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。相對(duì)于前兩者，現(xiàn)有滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法或儀器難以滿足高精度的測(cè)量需求，如同步輻射面形檢測(cè)中導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角要求2"范圍內(nèi)精度好于0.2"，主要是因?yàn)闈L轉(zhuǎn)的角位移垂直于導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向，造成雙頻激光干涉儀、自準(zhǔn)直儀等高精度成熟測(cè)角儀無(wú)法直接用于滾轉(zhuǎn)角測(cè)量。因此，該領(lǐng)域仍處于研宄探索階段。[0003]目前，主要研宄探索集中在如下幾方面：[0004]第一，激光干涉法。R.R.Baldwin的美國(guó)專利US3790284提出了一種雙渥拉斯頓棱鏡的干涉方法，但反射鏡和雙渥拉斯頓棱鏡的裝調(diào)對(duì)齊要求高且成本較高，所以限制了其應(yīng)用推廣；W.Hou的美國(guó)專利US2010/0141957和中國(guó)專利公開號(hào)為CN101650166A在此基礎(chǔ)上提出了一種滾轉(zhuǎn)角干涉測(cè)量系統(tǒng)，利用楔形棱鏡代替渥拉斯頓棱鏡作為傳感元件隨待測(cè)對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)，這降低了成本但卻增加了相位計(jì)使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜了，且對(duì)楔形棱鏡的對(duì)稱性和面形要求較高；R.J.Chaney的美國(guó)專利US5056921也提出一種多光束的平面鏡干涉儀法，由于平面鏡貫穿整個(gè)線性運(yùn)動(dòng)的行程，所以較長(zhǎng)且高精度的平面反射鏡是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的瓶頸。[0005]第二，自準(zhǔn)直與PSD結(jié)合的方法。WeiGao等人的"Measurementandcontrolofrollingofaprecisionmovingtable"（ProceedingsoftheIEEEInternationalconferenceonintelligentprocessingsystems,1997,28-31:70-74)提出一種基于激光自準(zhǔn)直和PSD結(jié)合的方法，利用兩個(gè)差動(dòng)式PSD探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角測(cè)量，該方法對(duì)平面反射鏡的表面質(zhì)量提出了較高的要求，且其易受溫度、應(yīng)力變形等因素的影響，從而降低了測(cè)量可靠性；匡萃方等的中國(guó)專利公開號(hào)為CN101846506A《基于共路平行光線的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法》基于激光自準(zhǔn)直原理采用對(duì)稱光路提高靈敏度，通過(guò)測(cè)量反射后的光斑位置信息，獲得滾轉(zhuǎn)角測(cè)量值，共光路結(jié)構(gòu)雖然提高了抗干擾性，但該方法結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，增加調(diào)節(jié)難度，且易受直線度影響。[0006]第三，基于偏振特性的光強(qiáng)法。章恩耀等人的中國(guó)專利公開號(hào)為CN1396435A《基于正交雙偏振光的滾轉(zhuǎn)角光電檢測(cè)方法及裝置》揭示了采用相位差為180°的兩列方法，分別調(diào)制光路中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生兩束分時(shí)交替的正交偏振光，經(jīng)檢偏器后產(chǎn)生光強(qiáng)差值，從而得到滾轉(zhuǎn)角的值；匡萃方等的中國(guó)專利公開號(hào)為CN1687701A《一種滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法與裝置》公開了以1/4波片為傳感元件，由渥拉斯頓棱鏡分光，通過(guò)多象限探測(cè)器探測(cè)兩光強(qiáng)差即電壓差而實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角測(cè)量的方法；史恩秀等人的中國(guó)專利公開號(hào)為CN101354243A《導(dǎo)軌滾轉(zhuǎn)角的非接觸激光檢測(cè)方法》公開了以1/2波片為傳感元件，通過(guò)偏振分光棱鏡對(duì)線偏振光進(jìn)行分光，探測(cè)兩束的光強(qiáng)差的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法；馮其波等人的中國(guó)專利公開號(hào)為CN101339012A《一種基于光柵的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法與裝置》揭示了一種將一維平面透射光柵作為傳感元件進(jìn)行分光，通過(guò)探測(cè)兩光斑位置變化獲得滾轉(zhuǎn)角測(cè)量值。它對(duì)反射鏡精度要求較高，且為非線性響應(yīng)需標(biāo)定；匡萃方等人的中國(guó)專利公開號(hào)為CN103162645A《一種基于橢偏度測(cè)量的滾轉(zhuǎn)角誤差測(cè)量方法》公開了以1/2波片為傳感元件，利用線偏振光經(jīng)1/4波片變?yōu)闄E圓偏振光，通過(guò)光電探測(cè)器探測(cè)光強(qiáng)最大和最小值進(jìn)行初始橢偏度計(jì)算得到實(shí)時(shí)滾轉(zhuǎn)角信息。測(cè)量時(shí)檢偏器的旋轉(zhuǎn)尋找最大和最小光強(qiáng)值將影響效率和精度。該方法基于光強(qiáng)，易受環(huán)境、光源等因素影響，通常其分辨率受到限制。[0007]第四，基于偏振特性的相位法。殷純永等人的中國(guó)專利公開號(hào)為CN1335483A《滾轉(zhuǎn)角測(cè)量方法及其滾轉(zhuǎn)角測(cè)量?jī)x》公開了基于橫向塞曼激光器，以1/4波片使正交偏振光發(fā)生微橢偏化，再以1/2波作為傳感元件，在非線性靈敏區(qū)內(nèi)探測(cè)1/2波片引起的相位變化，通過(guò)相位計(jì)與參考信號(hào)進(jìn)行相位差測(cè)量獲得滾轉(zhuǎn)角值，該方法雖具有較高靈敏度，但非線性區(qū)需要標(biāo)定，影響測(cè)量精度；以及王昭等的中國(guó)專利公開號(hào)為CN102654392A《一種基于陣列式多次反射的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及方法》和公開號(hào)為CN102818541A《一種高分辨率的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及測(cè)量方法》提出基于多次反射的相位法達(dá)到提高分辨率的目的，并分別公開了基于陣列式和基于透鏡式的兩種多次反射器的測(cè)量光路及原理。該方法可實(shí)現(xiàn)高分辨率，但非線性響應(yīng)曲線需要標(biāo)定，降低了其精度，穩(wěn)定性欠缺?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0008]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種穩(wěn)定可靠、簡(jiǎn)單易行的具有高分辨率和高精度的雙衍射光柵干涉的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置及方法。[0009]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種雙衍射光柵外差干涉的滾轉(zhuǎn)角測(cè)量裝置，包括：[0010]激光源，用于提供激光束和參考信號(hào)，所述激光束包含頻率不同且線偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量，所述參考信號(hào)的頻率對(duì)應(yīng)于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的頻率差；[0011]雙衍射光柵單元，包括兩個(gè)相同的第一光柵和第二光柵，所述第一光柵和所述第二光柵隨測(cè)量對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)；[0012]干涉單元，設(shè)置于所述雙衍射光柵單元的一側(cè)與所述激光源之間；[0013]回射單元，設(shè)置于所述雙衍射光柵單元的另一側(cè)；[0014]其中，所述干涉單元將所述激光束分為第一偏振光和第二偏振光；所述第一偏振光沿第一光路入射至所述第一光柵，經(jīng)所述第一光柵衍射沿第二光路入射至所述回射單元，經(jīng)所述回射單元反射將所述第一偏振光沿與所述第一光路和所述第二光路相平行的第三光路和第四光路回射至所述干涉單元作為第一測(cè)量光束；所述第二偏振光沿與所述第一光路相平行的第五光路入射至所述第二光柵，經(jīng)所述第二光柵衍射沿第六光路入射至所述回射單元，經(jīng)所述回射單元反射將所述第二偏振光沿與所述第五光路和所述第六光路相平行的第七光路和第八光路回射至所述干涉單元作為第二測(cè)量光束；所述第一測(cè)量光束與所述第二測(cè)量光束重合發(fā)生干涉作為外差干涉信號(hào)，以根據(jù)所述外差干涉信號(hào)和所述參考信號(hào)測(cè)量滾轉(zhuǎn)角。[0015]進(jìn)一步，所述干涉單元包括偏振分光器和反射器，所述偏振分光器設(shè)置于所述雙衍射光柵單元的一側(cè)與所述激光源之間，并與所述第一光柵相對(duì)應(yīng)，所述反射器設(shè)置于所述雙衍射光柵單元的一側(cè)，并與所述反射器和所述第二光柵相對(duì)應(yīng)。[0016]進(jìn)一步，所述偏振分光器將所述激光束分為沿所述第一光路傳送的所述第一偏振光和沿與所述第一光路相垂直的第九光路傳送的所述第二偏振光；所述反射器使沿所述第九光路傳送的第二偏振光反射，并沿所述第五光路入射至所述第二光柵。[0017]進(jìn)一步，所述回射單元包括第一反射棱鏡當(dāng)前第1頁(yè)1 2