CN101872074A - 三束光线两两垂直的调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有通用性的三束光线两两垂直的调整方法，先由准直激光产生三束平行误差在0.2弧秒以下的相互平行的光线，调整设置在三束平行光线光路中三个带有二维微调装置的平面反射镜的位置，直至三束平行光线在角度探测器上的读数相同，使得三个平面反射镜两两垂直，构成空心角锥棱镜；然后结合调整空心角锥棱镜的整体位置和设置在三束平行光线的光路中的两个二维可调小平面反射镜的位置，使得其中两束平行光线经这两个二维可调小平面反射镜反射的光线和第三束平行光线在角度探测器上的读数为0，得到三束两两垂直的光线。本发明的调整方法不需要通过精确的角度调整至90°，避免角度测量误差，调整方便，精度高，优于0.2弧秒。

Description

三束光线两两垂直的调整方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，特别涉及一种三束光线两两垂直的高精度调整。

背景技术

目前，一台典型的三轴加工中心，共有21项几何误差参数，分别是每个坐标轴的6个误差分量，加上3个坐标轴之间的垂直度误差。目前检测数控机床最常用的手段是激光干涉仪。但是激光干涉仪是单参数测量，每次安装调整只能测量一种误差分量，而每个测量过程又需要使用不同类型的测量附件和重新调整仪器，所以机床整体检测费时费力，其检测代价很高。

发明内容

本发明提供了一种具有通用性的三束光线两两垂直的调整方法，调整方便，调整精度高。

一种三束光线两两垂直的调整方法，包括以下步骤：

(1)由激光器发出的准直激光，经过第一偏振分光器得到第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光，所述的第一垂直线偏振光透过第一λ/4波片变成第一圆偏振光，第一λ/4波片的快轴与第一垂直线偏振光的偏振方向的夹角为45°；所述的第一平行线偏振光透过第二λ/波片变成第二圆偏振光，第二λ/4波片的快轴与第一平行线偏振光的偏振方向的夹角为45°；所述第二圆偏振光经过第二偏振分光器得到第二垂直线偏振光和第二平行线偏振光，所述第二平行线偏振光经第一二维可调小平面反射镜反射后得到第三出射光束，采用光线平行调整的方法进行调整，使得第一圆偏振光、第二垂直线偏振光和第三出射光束为三束相互平行的光线，所述的三束相互平行的光线的平行误差在0.2弧秒以下；其中，第一圆偏振光为第一束平行光线，第二垂直线偏振光为第二束平行光线，第三出射光束为第三束平行光线；

本发明中的光线平行调整的方法为由匡翠方等发明人提出的名称为“一种光线平行调整的装置与方法”的中国专利申请(申请号为CN200810057053.1，公开日为2008年8月6日)所公开的平行光线调整的方法；

(2)用挡光纸板遮住第三束平行光线，在第一束和第二束平行光线的光路中，放置带有二维微调装置的第一平面反射镜和带有二维微调装置的第二平面反射镜，使得第一束平行光线经第一和第二平面反射镜两次反射后沿第二束平行光线的出射光路逆向返回，并经过第一偏振分光器90°反射，透过透镜入射到角度探测器上，同样，也使得第二束平行光线经第一和第二平面反射镜两次反射后沿第一束平行光线的出射光路逆向返回，并透过至第一偏振分光器和透镜入射到角度探测器上；其中，所述的第一和第二平面反射镜的夹角粗调为近似90°(90°±3°)；

(3)细调第一和第二平面反射镜的夹角，记录下第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数；重复细调操作若干次，直至第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数相同，此时，第一和第二平面反射镜呈90°拼接；

(4)将第一和第二平面反射镜固定后整体旋转，增加带有二维微调装置的第三平面反射镜，使第三和第一平面反射镜取代步骤(2)中的第一和第二平面反射镜，置于第一束和第二束平行光线的光路中，细调第三和第一平面反射镜的夹角，记录下第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数；重复细调操作若干次，直至第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数相同，此时，第三和第一平面反射镜呈90°拼接；将第三平面反射镜与第一和第二平面反射镜固定在一起；

(5)将固定好的第一、第二和第三平面反射镜整体旋转，使第三平面反射镜和第二平面反射镜取代步骤(2)中的第一和第二平面反射镜，置于第一束和第二束平行光线的光路中，微调第三和第二平面反射镜的夹角，记录下第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数；重复细调操作若干次，直至第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数相同，此时，第二和第三平面反射镜呈90°拼接；

至此，第一、第二和第三平面反射镜两两相互垂直构成一空心角锥棱镜；

(6)撤走遮住第三束平行光线的挡光纸板，用挡光纸板遮住第一束和第二束平行光线，旋转调整所述空心角锥棱镜的位置，使得第三束平行光线直接入射到所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜上，第三束平行光线与其入射的平面反射镜的夹角粗调为近似90°(90°±3°)；整体旋转微调所述空心角锥棱镜的位置，使得第三束平行光线被所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜反射后，再次被第一二维可调小平面反射镜反射，透射经过第二偏振分光器和第二λ/4波片后，再经第一偏振分光镜反射，经透镜汇聚后，在角度探测器上的读数为0；

(7)撤走遮住第二束平行光线的挡光纸板，用挡光纸板遮住第一束和第三束平行光线，在第二束平行光线的光路上增加第二二维可调小平面反射镜，第二束平行光线经过第二二维可调小平面反射镜反射后的光线为第四束光线，其中第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角近似为90°(90°±3°)，第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第二平面反射镜的夹角近似为45°(45°±2°)；细调第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角以及第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第二平面反射镜的夹角，使得第四束光线经过所述空心角锥棱镜的第二平面反射镜逆向反射，再通过第二二维可调小平面反射镜反射后的光线经第二偏振分光器反射，透过第二λ/4波片，再经第一偏振分光器反射后的光线，经透镜汇聚在角度探测器上的读数也为0；

(8)撤走遮住第一束平行光线的挡光纸板，用挡光纸板遮住第二束和第三束平行光线，在第二束平行光线的光路上增加第三二维可调小平面反射镜，第一束平行光线经过第三二维可调小平面反射镜反射后的光线为第五束光线，其中第三二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角近似为45°(45°±2°)，第三二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜的夹角近似为45°(45°±2°)；细调第三二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角以及第三二维可调平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜的夹角，使得第五束光线入射到所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜上，第五束光线被第三二维可调小平面反射镜反射后的光线经过第一λ/4波片后，经第一偏振分光器透射后的光线，经透镜汇聚在角度探测器上的读数也为0；

(9)撤去空心角锥棱镜和挡光纸板，第四束光线、第三束平行光线和第五束光线两两相互垂直。

所述的第一、第二和第三平面反射镜为高精度平面反射镜，所述的第一、第二和第三平面反射镜的面形精度的均方根值(RMS)为0.011λ，PV值为0.071λ，λ＝632.8nm，表面粗糙度均方根值(RMS)达0.75nm。

在本发明的三束光线两两垂直的调整方法中，所述的角度探测器由正透镜和位于其焦点上的探测器组成。其中，所述的正透镜也可以是透镜组，此时探测器应该位于透镜组的有效焦平面上，所述的探测器可以是四象限探测器(QPD：Quadrant Photoelectric Detector)、位置敏感探测器(PSD：Position Sensitive Detector)或电荷耦合器件(CCD：Charge Couple Device)。

本发明的三束光线两两垂直的调整方法，不需通过精确的角度调整至90°，而是通过判断这三束光线在角度探测器上的读数的异同，从而避免角度测量误差。

利用本发明的调整方法得到的三束两两垂直的光线，再结合激光多自由度同时测量技术可以用来测量三轴数控机床的18或者21项误差，不但能保证调整精度在1弧秒以下，而且调整方便。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

1)调整方法简单，成本较低；

2)调整精度高，采取三束平行误差在0.2弧秒以下的平行光线，可调整出垂直度误差在0.2弧秒以下的三束两两垂直光线。

附图说明

图1为本发明中空心角锥棱镜装置调整的原理示意图；

图2为本发明中调整得到的空心角锥棱镜的形状；

图3为本发明的三束光线两两垂直的调整方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

图1为本发明中空心角锥棱镜装置调整的原理示意图。

利用匡翠方等发明人提出的名称为“一种光线平行调整的装置与方法”的中国专利申请(申请号为CN200810057053.1，公开日为2008年8月6日)所公开的平行光线调整的方法，产生两束平行误差在0.2弧秒以下的平行光线R1、R2。具体过程简述如下：准直激光器1发出的准直激光通过第一偏振分光器2分为两束偏振方向相互垂直的光线S波(反射光线R1’)和P波(透射光线R2’)。反射光线R1’通过第一λ/4波片5变成 圆偏振光R1，透射光线R2’经过第二λ/4波片6后变成圆偏光，再经过第一二维可调小平面反射镜7转折光路后为光线R2，通过调整第一二维可调小平面反射镜7的位置，使得平行光线R1、R2的平行误差在0.2弧秒以下。其中第一λ/4波片5的快轴与S波的偏振方向的夹角为45°，第二λ/4 波片6的快轴与P波的偏振方向的夹角也为45°。

在平行光线R1、R2的光路中，放置带有二维微调装置14的第一高精度平面反射镜8和带有二维微调装置15的第二高精度平面反射镜9，粗调第一高精度平面反射镜8和第二高精度平面反射镜9的夹角近似为90°(±3°)，使得光线R1经过第一高精度平面反射镜8反射，再经过第二高精度平面反射镜9转折光路后，通过二维可调小平面反射镜7反射，再经过第二λ/4波片6后，圆偏光变成线偏振光，偏振方向不改变。平行光线R2经过第二高精度平面反射镜9反射，再通过第一高精度平面反射镜8反射后，经过第一λ/4波片5后，圆偏振光变成线偏振光，偏振方向不变。因此，原来经过第一偏振分光器2反射的光线再次通过第一偏振分光器2时依然被反射，原来经过第一偏振分光器2透射的光线再次通过第一偏振分光器2时依然透射，记下两路光线经过透镜3汇聚后在角度探测器4上的读数。通过调节第一高精度平面反射镜8上的二维微调装置14和第二高精度平面反射镜9上的二维微调装置15来微调第一高精度平面反射镜8和第二高精度平面反射镜9的夹角，直至两束光线经透镜3汇聚后，在角度探测器4上的读数相同时，认为第一高精度平面反射镜8和第二高精度平面反射镜9垂直，并将这两块高精度平面反射镜拼接固定。

增加带有二维微调装置16的第三高精度平面反射镜10，其中第三高精度平面反射镜10和第一高精度平面反射镜8的夹角粗调为近似90°(±3°)后固定。整体旋转第一、第二和第三高精度平面反射镜8、9、10，使第三和第一高精度平面反射镜10、8放置在前述的第一和第二高精度平面反射镜8和9的位置，利用前述方法再次进行调整，直至两束光线经透镜3汇聚后，在角度探测器4上的读数相同时，认为第一高精度平面反射镜8和第三高精度平面反射镜10垂直。

为提高精度，可重复进行调整，如可再将第三和第二高精度平面反射镜10、9放置在前述的第一和第二高精度平面反射镜8、9的位置，利用前述方法再次进行调整，直至两束光线经透镜3汇聚后，在角度探测器4上的读数相同时，认为第二高精度平面反射镜9和第三高精度平面反射镜10垂直。

至此，第一、第二和第三高精度平面反射镜8、9、10两两相互垂直，构成如图2所示的空心角锥棱镜，完成空心角锥棱镜的调整。

图3为本发明的三束光线两两垂直的调整方法的原理示意图。

如图3所示，一种三束光线两两垂直的调整方法，包括：

第一步：利用匡翠方等发明人提出的名称为“一种光线平行调整的装置与方法”的中国专利申请(申请号为CN200810057053.1，公开日为2008年8月6日)所公开的平行光线调整的方法，产生三束平行误差在0.2弧秒以下的平行光线r1、r2、r3。该三束平行光线产生的过程简述如下：

准直激光器1发出的准直激光经过第一偏振分光器2分为两束偏振方向相互垂直的光线S波和P波，即第一垂直线偏振光(反射光线)和第一平行线偏振光(透射光线)，第一垂直线偏振光透过第一λ/4波片5变成第一圆偏振光(第一束平行光线r1)，第一λ/4波片5的快轴与第一垂直线偏振光的偏振方向的夹角为45°；第一平行线偏振光透过第二λ/4波片6变成第二圆偏振光，第二λ/4波片6的快轴与第一平行线偏振光的偏振方向的夹角为45°；

第二圆偏振光经过第二偏振分光器13得到第二垂直线偏振光(第二束平行光线r2)和第二平行线偏振光，第二平行线偏振光经第一二维可调小平面反射镜7反射后得到第三出射光束(第三束平行光线r3)，调整第一二维可调小平面反射镜7的位置，使得第一圆偏振光(第一束平行光线r1)、第二垂直线偏振光(第二束平行光线r2)和第三出射光束(第三束平行光线r3)为三束平行误差在0.2弧秒以下的相互平行的光线。

第二步：利用如图1所示方法调整得到的如图2所示的空心角锥棱镜实现三束平行光线两两垂直的调整，具体过程如下：

撤走遮住第三束平行光线r3的挡光纸板，用挡光纸板遮住第一束和第二束平行光线r1、r2，旋转调整所述空心角锥棱镜的位置，使得第三束平行光线r3入射到前面调整的空心角锥棱镜的第一高精度平面反射镜8上，其中第一高精度平面反射镜8与第三束平行光线r3的夹角粗调近似为90°(90°±3°)；整体旋转微调空心角锥棱镜的位置，使得第三束平行光线r3被第一高精度平面反射镜8反射后，再次被第一二维可调小平面反射镜7反射，透射经过第二偏振分光器13和第二λ/4波片6后，变成线偏振光S波，再经第一偏振分光器2反射，经凸透镜3汇聚后，在角度探测器4上的读数为0。

撤走遮住第二束平行光线r2的挡光纸板，用挡光纸板挡住光线第一束和第三束平行光线r1和r3，在第二束平行光线r2的光路上放置第二二维可调小平面反射镜11，第二束平行光线r2经过第二二维可调小平面反射镜11反射后的光线为第四束光线r4，其中第二二维可调小平面反射镜11与第三高精度平面反射镜10的夹角近似为90°(±3°)，第二二维可调小平面反射镜11与第二高精度平面反射镜9的夹角近似为45°(±2°)；细调第二二维可调小平面反射镜11与第三高精度平面反射镜10的夹角以及第二二维可调小平面反射镜11与与第二高精度平面反射镜9的夹角，使得第四束光线r4经过第二高精度平面反射镜9反射，再通过第二二维可调小平面反射镜11反射后的光线经第二偏振分光器13反射，透过第二λ/4波片6，再经第一偏振分光器2反射后的光线，经透镜3汇聚在角度探测器4上的读数也为0，则认为第二束平行光线r2经第二二维可调小平面反射镜11反射后的第四束光线r4和第三束平行光线r3相互垂直。

撤走遮住第一束平行光线r1的挡光纸板，用挡光纸板挡住第二束和第三束平行光线r2和r3，在第一束平行光线r1的光路上放置第三二维可调小平面反射镜12，第一束平行光线r1经过第三二维可调小平面反射镜12反射后的光线为第五束光线r5，其中第三二维可调小平面反射镜12与第三高精度平面反射镜10的夹角近似为45°(±2°)，第三二维可调小平面反射镜12与第一高精度平面反射镜8的夹角近似为45°(±2°)。细调第三二维可调小平面反射镜12与第三高精度平面反射镜10的夹角以及第三二维可调小平面反射镜12与第一高精度平面反射镜8的夹角，使得第五束光线入射到第三高精度平面反射镜10上，第五束光线r5被第三二维可调小平面反射镜12反射后的光线经过第一λ/4波片5后，经第一偏振分光器2透射后的光线，经透镜3汇聚在角度探测器4上的读数也为0，则认为第一束平行光线r1经过第三二维可调小平面反射镜12反射后的第五束光线r5和r3相互垂直。

撤去空心角锥棱镜和挡光纸板，由于第四束光线r4和第三束平行光线r3垂直，第五束光线r5和第三束平行光线r3垂直，此时可认为三束光线r3、r4、r5两两相互垂直。

利用该调整方法得到的三束两两垂直的光线，再结合激光多自由度同时测量技术可以用来测量三轴数控机床的18或者21项误差，不但能保证调整精度在1弧秒以下，而且调整方便。

其中，第一、第二和第三高精度平面反射镜8、9、10的面形精度的均方根值为0.011λ，PV值为0.071λ，λ＝632.8nm，表面粗糙度均方根值达0.75nm。角度探测器4由透镜组和位于其有效焦平面焦点上的探测器组成，探测器为四象限探测器。

Claims (6)

1.一种三束光线两两垂直的调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由激光器发出的准直激光，经过第一偏振分光器得到第一垂直线偏振光和第一平行线偏振光，所述的第一垂直线偏振光透过第一λ/4波片变成第一圆偏振光，第一λ/4波片的快轴与第一垂直线偏振光的偏振方向的夹角为45°；所述的第一平行线偏振光透过第二λ/4波片变成第二圆偏振光，第二λ/4波片的快轴与第一平行线偏振光的偏振方向的夹角为45°；所述第二圆偏振光经过第二偏振分光器得到第二垂直线偏振光和第二平行线偏振光，所述第二平行线偏振光经第一二维可调小平面反射镜反射后得到第三出射光束，采用光线平行调整的方法进行调整，使得第一圆偏振光、第二垂直线偏振光和第三出射光束为三束平行误差在0.2弧秒以下的相互平行的光线；其中，第一圆偏振光为第一束平行光线，第二垂直线偏振光为第二束平行光线，第三出射光束为第三束平行光线；

(2)用挡光纸板遮住第三束平行光线，在第一束和第二束平行光线的光路中，放置带有二维微调装置的第一平面反射镜和带有二维微调装置的第二平面反射镜，使得第一束平行光线经第一和第二平面反射镜两次反射后沿第二束平行光线的出射光路逆向返回，并经过第一偏振分光器90°反射，透过透镜入射到角度探测器上；同样，也使得第二束平行光线经第二和第一平面反射镜两次反射后沿第一束平行光线的出射光路逆向返回，并透过第一偏振分光器和透镜入射到角度探测器上；其中，所述的第一和第二平面反射镜的夹角粗调为近似90°；

(3)细调第一和第二平面反射镜的夹角，记录下第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数；重复细调操作若干次，直至第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数相同，此时，第一和第二平面反射镜呈90°拼接；

(4)将第一和第二平面反射镜固定后整体旋转，增加带有二维微调装置的第三平面反射镜，使第三和第一平面反射镜取代步骤(2)中的第一和第二平面反射镜，置于第一束和第二束平行光线的光路中，细调第三和第一平面反射镜的夹角，记录下第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数；重复细调操作若干次，直至第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数相同，此时，第三和第一平面反射镜呈90°拼接；将第三平面反射镜与第一和第二平面反射镜固定在一起；

(5)将固定好的第一、第二和第三平面反射镜整体旋转，使第三平面反射镜和第二平面反射镜取代步骤(2)中的第一和第二平面反射镜，置于第一束和第二束平行光线的光路中，微调第三和第二平面反射镜的夹角，记录下第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数；重复细调操作若干次，直至第一束和第二束平行光线在角度探测器上的读数相同，此时，第二和第三平面反射镜呈90°拼接；

至此，第一、第二和第三平面反射镜两两相互垂直构成一空心角锥棱镜；

(6)撤走遮住第三束平行光线的挡光纸板，用挡光纸板遮住第一束和第二束平行光线，旋转调整所述空心角锥棱镜的位置，使得第三束平行光线直接入射到所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜上，第三束平行光线与其入射的平面反射镜的夹角粗调为近似90°；整体旋转微调所述空心角锥棱镜的位置，使得第三束平行光线被所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜反射后，再次被第一二维可调小平面反射镜反射，透射经过第二偏振分光器和第二λ/4波片后，再经第一偏振分光镜反射，经透镜汇聚后，在角度探测器上的读数为0；

(7)撤走遮住第二束平行光线的挡光纸板，用挡光纸板遮住第一束和第三束平行光线，在第二束平行光线的光路上增加第二二维可调小平面反射镜，第二束平行光线经过第二二维可调小平面反射镜反射后的光线为第四束光线，其中第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角近似为90°，第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第二平面反射镜的夹角近似为45°；细调第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角以及第二二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第二平面反射镜的夹角，使得第四束光线经过所述空心角锥棱镜的第二平面反射镜逆向反射，再通过第二二维可调小平面反射镜反射后的光线经第二偏振分光器反射，透过第二λ/4波片，再经第一偏振分光器反射后的光线，经透镜汇聚在角度探测器上的读数也为0；

(8)撤走遮住第一束平行光线的挡光纸板，用挡光纸板遮住第二束和第三束平行光线，在第一束平行光线的光路上增加第三二维可调小平面反射镜，第一束平行光线经过第三二维可调小平面反射镜反射后的光线为第五束光线，其中第三二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角近似为45°，第三二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜的夹角近似为45°；细调第三二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜的夹角以及第三二维可调小平面反射镜与所述空心角锥棱镜的第一平面反射镜的夹角，使得第五束光线入射到所述空心角锥棱镜的第三平面反射镜上逆向反射后，被第三二维可调小平面反射镜反射后的光线经过第一λ/4波片后，经第一偏振分光器透射后的光线，经透镜汇聚在角度探测器上的读数也为0；

(9)撤去空心角锥棱镜和挡光纸板，第四束光线、第三束平行光线和第五束光线两两相互垂直。

2.如权利要求1所述的三束光线两两垂直的调整方法，其特征在于：所述的第一、第二和第三平面反射镜为高精度平面反射镜。

3.如权利要求1或2所述的三束光线两两垂直的调整方法，其特征在于：所述的第一、第二和第三平面反射镜的面形精度的均方根值为0.011λ，PV值为0.071λ，λ＝632.8nm，表面粗糙度的均方根值为0.75nm。

4.如权利要求1所述的三束光线两两垂直的调整方法，其特征在于：所述的角度探测器由正透镜和位于其焦点上的探测器组成。

5.如权利要求4所述的三束光线两两垂直的调整方法，其特征在于：所述的正透镜为透镜组，所述的探测器位于所述的透镜组的有效焦面上。

6.如权利要求4或5所述的三束光线两两垂直的调整方法，其特征在于：所述的探测器为四象限探测器、位置敏感探测器或电荷耦合器件。

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