一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量方法和装置

摘要

本发明公开了一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量方法，包括二分之一波片处于被测件上的第一位置时，将线偏光入射到与被测件滑动配合的二分之一波片内，透过二分之一波片的线偏光经四分之一波片形成椭偏光，所述椭偏光再照射到旋转的检偏器上，分析检偏器出射光束的光强变化得到第一椭偏度；将二分之一波片移至第二位置，根据与第一椭偏度同样的方法得到第二椭偏度，比较分析第一椭偏度和第二椭偏度，得到被测件的第一位置和第二位置之间的滚转角误差。本发明还公开了一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量装置。

说明书

技术领域

本发明涉及光学高精度测量领域，特别涉及一种基于椭偏度测量的滚 转角误差测量方法和装置。

背景技术

随着科学技术的发展，高精密机床、船舶、航空航天领域大型工件组 装过程中对机械误差的要求越来越高，同时在众多机械误差中，滚转角误 差属于影响比较大，控制起来成本比较高的误差。

目前光学测量滚转角的方法主要有以下四种：

基于干涉测量方法：尽管有些干涉系统能得到很高测量分辨率，但系 统过于复杂、造价高，如公开号为CN1335483A的专利文献所公开的滚转 角测量方法；

基于全息光栅衍射的测量方法：利用全息光栅衍射现象来实现对滚转 角测量，其缺点是测量精度不高，同时测量头带有跟随电缆，造成成现场 测量不方便，如公开号为US6316779B1的专利文献所公开的跟转角测量 方法；

基于偏振基准的测量方法：偏振法是目前研究较多的一种方法，但其 测量的分辨率和稳定性需要进一步加强，如公开号为CN1687701A的专利 文献所公开的滚转角测量方法；

基于准直光测量方法：这种方法的测量原理相对简单，利用几何光学 测量原理，公开号为US5798828A的专利文献公开了一种准直激光测量滚 转角的方法，该方法基于平行光线通过测量两个不同位置的直线度来计算 得到滚转角大小。要提高测量灵敏度，需要增大准直平行光线之间的距离， 且测量头里带有电缆，给现场带来不便。Chien-Hung Liu在题为 “Development of a laser-based high-precision six-degrees-of-freedom motion errors measuring system for linear stage”（Review of Scientific instruments， 2005,76,055110）中提出利用角锥棱镜逆向反射，从而使系统测量移动头 不带电缆，从而克服移动头有电缆的缺点，但是，这样一来，两测量光在 空气中的光程也成倍的增加了，空气对测量的影响也增大了。另外，基于 平行光线测量滚转角的方法，要提高测量分辨率，只能靠增大平行光线之 间的距离，从而增大了测量系统的体积。

因此，目前现有的滚转角测量系统，仍然无法满足在高精密机床、航 空航天，船舶工程等大型机械加工组装中精确地经济地控制滚转角误差的 要求。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，提升滚转角误差的测量精度，使装置 结构简单化，本发明提供了一种高精度测量滚转角误差的方法和装置，偏 振光透过与被测轨道相关联的二分之一波片，通过测量出射光偏振角度的 变化得到轨道的滚转角信息。

一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量方法，包括以下步骤：

1）二分之一波片处于被测件上的第一位置时，线偏光入射到二分之 一波片，透过二分之一波片的线偏光经四分之一波片形成椭偏光，所述椭 偏光再照射到旋转的检偏器上，分析检偏器出射光束的光强变化得到第一 椭偏度；

2）二分之一波片沿被测件滑动至第二位置时，线偏光入射到二分之 一波片，透过二分之一波片的线偏光经四分之一波片形成椭偏光，所述椭 偏光再照射到旋转的检偏器上，分析检偏器出射光束的光强变化得到第二 椭偏度；

3）比较分析第一椭偏度和第二椭偏度，得到被测件的第一位置和第 二位置之间的滚转角误差。

优选的，所述的线偏光与二分之一波片的快轴夹角为0°，四分之一 波片的快轴与二分之一波片的快轴平行，这样当被测件上的第一位置和第 二位置不存在滚转角误差时，透过二分之一波片和四分之一波片的偏振光 偏振状态不变。

本发明还提供了一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量装置包括沿 光路依次布置的：

线偏光发生模块，包括发出激光光束的光源和用于将所述激光光束调 制成线偏光的调制器；

传感模块，包括滑动配合在被测件上的二分之一波片；

检测模块，包括沿光路布置的四分之一波片、检偏器和光强检测器， 以及用于对所述光强检测器的信息进行分析的计算机。

本发明的待测件为导轨或相应的工件，并设有与导轨或工件滑动配合 的基座，所述的二分之一波片固定在基座上。

所述的调制器为起偏器，所述光源和起偏器之间依次设有聚焦透镜、 小孔光阑和准直透镜。其中小孔光阑位于聚焦透镜的后焦点处，聚焦透镜 的后焦点和准直透镜的前焦点重合。

本发明的工作原理如下：

通过起偏器将均匀的激光光束调制成线偏光，线偏光经过二分之一波 片后，线偏光的偏振方向发生变化，经二分之一波片后的线偏光的偏振方 向与入射到二分之一波片上的线偏光的偏振方向关于二分之一波片的快 轴对称。透过二分之一波片的线偏光照射到四分之一波片上，线偏光变成 椭偏光，再通过旋转的检偏器，照射到光强探测器上的激光光强就会发生 波动，光强最大值为检偏器偏振方向与椭偏光的长轴方向重合，光强最小 值为检偏器的偏振方向与椭偏光的短轴方向重合。通过计算得到偏振光的 椭偏度。通过实时得到的椭偏度与初始位置的椭偏度对比计算，即可得到 实时的滚转角信息。

在最优情况下，经过起偏器后的线偏光为$E_0=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right),$二分之一波片快轴 与线偏光夹角为0°，通过二分之一波片后线偏光变为$E_1=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right),$偏振光E₁再 通过快轴与二分之一波片重合的四分之一波片时线偏振光变为圆偏振光 $E_2=\left(\begin{array}{c}1\\ 0\end{array}\right),$透过旋转的检偏器出射光为其中ω为 光波频率，ω₁为检偏器的旋转频率，为检偏器初始条件下与偏振光的夹 角。可以看出当二分之一波片不发生偏转的时候，透过检偏器的出射光光 强成完全正弦变化，椭偏度为0。假设二分之一波片发生一定的转动，假 设转动角度为θ_e，则通过二分之一波片后，线偏振光可表示为 $E_1^{\prime }=\left(\begin{array}{c}\cos \left(2{\theta }_e\right)\\ \sin \left(2{\theta }_e\right)\end{array}\right),$再通过四分之一波片时线偏振光变为椭圆偏振光 $E_2^{\prime }=\left(\begin{array}{c}\sin (2\mathrm{\pi \omega t}-2{\theta }_e)\\ \cos (2\mathrm{\pi \omega t}+2{\theta }_e)\end{array}\right),$当椭圆偏振光经过偏振片后得到的线偏光表达式为 其中θ_e为 滚转角误差，ω为光波频率，ω₁为检偏器转动频率，为检偏器的初始角 度，从中我们可以看出光强跟θ_e，ω₁和t相关，由于ω₁和t都是可以精确控 制的，于是就可以从光强信息中得到θ_e，即我们需要的滚转角误差。

本发明中，通过对椭偏度的准确测量来测量滚转角误差，采用共路自 参照的方式，光路最短，极大的避免了空气和其他非共路原因产生的误差， 具有很好的精度的同时，装置也非常紧凑便于安装调试。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1、系统信噪比高，采用自参照的方式，能够极大的提高系统的信噪 比；

2、光路最简洁，在整个测量过程中只有一条光路，参与器件少，装 配简单误差来源少；

3、精度较高，经检验在本套根据实验设备能够达到2弧秒的精度；

4、运动部件少，在整个测量过程中只有一个二分之一波片随着测量 基座运动，能够测量大尺寸轨道和工件的滚转角误差。

附图说明

图1为本发明的滚转角误差测量装置的结构示意图；

图2为模拟滚转角误差按1080弧秒每次变化时的椭偏度数据结果图；

图3为模拟滚转角误差按2.16弧秒每次变化时的椭偏度数据结果图。

具体实施方式

如图1所示，一种通过测量椭偏度测量滚转角误差的装置，包括：线 偏光产生模块1，传感模块2，角度检测模块3。其中线偏光产生模块1 包括：激光器101，聚焦透镜102，小孔光阑103，准直透镜104，起偏器 105。传感模块2包括：二分之一波片201，基座202。角度检测模块3包 括：四分之一波片301，旋转的检偏器302，光强探测器303，主控计算器 304。

其中，激光器101发出激光光束，聚焦透镜102，小孔光阑103，准 直透镜104，起偏器105依次摆放在激光光束的传播方向上，主光轴与激 光光束重合。小孔光阑103放置在聚焦透镜102的后焦面上，准直透镜的 前焦面与聚焦透镜后焦面重合。

传感模块2放置在被测轨道或者工件上，通过基座202与工件紧密联 系，二分之一波片201的主光轴与激光光束基本重合。基座202与被测轨 道或者工件紧密滑动配合，能够将轨道或者工件的滚转角误差准确的传递 到二分之一波片201的转动上。基座202能够在轨道和工件上沿直线滑动， 在滑动的过程中二分之一波片201的主光轴与激光光束基本重合。

角度检测模块3跟测量工件不接触，激光光束依次通过四分之一波片 301，旋转的检偏器302照射到光强检测器303上，其中激光光束与四分 之一波片301和旋转的检偏器302主光轴重合，光强检测器303受光口中 心与激光光束重合，旋转的检偏器302和光强检测器303分别主控计算机 304相连。由主控计算机304控制检偏器302转速和读取光强探测器303 的数据。

采用图1所示的测量椭偏度测量滚转角误差方法，其过程如下：

（1）基座202处于被测轨道或者工件上的初始位置，激光器101发射 出光束，经聚焦透镜102聚焦到小孔光阑103上，经小孔光阑103滤波后 再由准直透镜104准直，得到均匀的准直光束；该准直光束经起偏器105 调制为线偏振光，然后照射到二分之一波片201的中心处，由于二分之一 波片的快轴与偏振方向重合，所以偏振方向不发生变化。

（2）初始时，基座202和二分之一波片201不动。角度检测模块3， 放置在一个稳定的平台上，线偏光照射到四分之一波片301上，由线偏光 变为椭偏光，当照射到旋转的检偏器302上时，检偏器302会将偏振方向 相同的分量透过，光强检测器303测出初始位置的光强信息，主控计算机 304读出光强信息，根据光强的浮动信息得出初始位置的椭偏度，记录下 来作为测量过程中的参照。

（3）在实际测量过程中，基座202随着轨道或者工件进行直线运动， 当滚转角误差存在时，二分之一波片201发生转动，透过二分之一波片的 线偏光的偏振方向发生两倍滚转角误差角度的变化，当线偏光照射到四分 之一波片301后，就会变成椭偏光，照射到旋转的检偏器302上，旋转的 检偏器302能够透过与之偏振方向相同的偏振分量，其中的最大值为椭偏 圆长轴方向的分量，最小值为椭偏圆短轴方向的分量，通过对比计算即可 得到偏振光的实时椭偏度，通过与步骤（2）中的起始位置对比即可得到 轨道或者工件在不同位置的滚转角误差。从图2和图3我们可以看出，通 过模拟滚转角误差，本系统可以准确的检测出1000弧秒2弧秒乃至更小 的滚转角误差。