高精度滚转角干涉仪

　　1　引　言

　　随着时代的不断发展和科学技术水平的进步,人们对现代机床及测量仪器的精度要求也在不断的提高。想进一步校正误差,提高精度,对误差的准确测量是十分必要的。任何机床的机械导轨一般都有三种角运动误差:俯仰角、偏摆角和滚转角误差。如果在角运动方向上存在阿贝臂,角运动误差就会产生阿贝误差,从而影响系统的精度。为了消除或补偿角运动误差,必须先对角运动误差进行测量。在三种角运动误差中,滚转角的测量是最困难的。另外,在某些工程项目中,在需要对工件进行准确地安装和定位时,也需要对滚转角进行测量。因此,进一步提高滚转角的测量精度和稳定性是十分必要的。

　　对于水平导轨滚转角误差的检测一般都使用电子水平仪。对于垂直导轨滚转角误差的检测,一直没有很好的测量方法。对滚转角测量方法的研究可以追溯到1974年,前苏联考伦凯维奇等人提出了采用低频差纵向塞曼激光器,用旋转检偏器的方法实现滚转角的测量[1]。考伦凯维奇等人使用分辨率为0·003°的相位计,得到的测相精度为0.01°,相应的机械转角精度为0.005°,整周期非线性为2°相位角度。原文的作者认为测量的不确定度很难降到0.0028°(10″)以下。进一步采用法拉第盒的设计和反馈方法消除旋光漂移,以及提高分辨率的方法[2]可以得到更高的测量精度。但改进使结构变得很复杂,漂移量始终无法完全消除,最终影响了测量精度。1997年,文献[3]提出了一种利用自准直激光差分原理进行滚转角测量的新方法,但PSD的漂移仍然会限制测量精度。同时测量系统结构相对比较复杂,而且对测量表面有很高的要求,适应性较差。

　　清华大学的蒋弘等人提出了一种基于横向塞曼激光器的滚转角测量方法[4]。该方法首先用1/4波片将横向塞曼激光器射出的正交线偏振光进行微椭偏化,用检偏器作为角测量传感器跟随被测体运动,再用光电探测器接收,然后检测出测量光的相位变化,求出检偏器的滚转角变化。这时相位变化与滚转角成非线性关系,但在特定的角度上出现测量转角的灵敏度倍增区。采用这种方法,可以在特定的角度上得到很高的灵敏度。理论上使用分辨率为0·01°的相位计,滚转角的测量分辨率达到0·6″。但该系统是一个原理性结构,测量精度也有待进一步提高。

　　本文在文献[4]提出的原理上,对原有系统进行了改进,用1/2波片作为传感器,同时使用直角反射镜,将测量光折回,使测量光线两次通过1/2波片,由于直角反射镜提供了合理的坐标变换,使得返回的测量光偏振方向的改变是叠加的,即被测的滚转角被放大了4倍,再加上系统的非线性倍增,使得理论上的放大倍数可以达到200以上,从而使系统能够获得更高的精度,同时系统的结构也更加紧凑,更容易仪器化。