CN101915560B - 激光直线度/同轴度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光直线度/同轴度测量装置，包括在测量光路上依次设置的第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜和平移反射镜，第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜依次位于从平移反射镜反射后返回光的光路上；平移反射镜为在相互垂直的两个方向上均具有光路漂移自适应功能的平面镜结构，当入射光沿平移反射镜的特征方向入射时，平移反射镜反射后返回光与入射光方向相反、相互平行且返回光与入射光之间距离恒定。本发明使得水平方向和垂直方向直线度测量时的基准不变，这样就大大简化了调节过程，缩减了调节时间，提高了调节效率。

Description

激光直线度/同轴度测量装置

技术领域

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及应用激光进行直线度/同轴度的高精度测量的装置。

背景技术

直线度的测量是几何计量领域中最基本的计量项目之一，长距离直线度测量在导轨的安装准直、大型仪器的安装定位、精密仪器制造与检测、大尺寸测量、军工产品制造等领域有着广泛的应用。许多工程中要求对多组轴、孔的同轴度测量，要求测量能断续进行，相对于直线度，同轴度测量提出了更高的要求。

清华大学殷纯永等提出一种利用横向赛曼双频激光器测量直线度/同轴度的方法，其特征是利用直线度/同轴度干涉仪分别进行水平方向和垂直方向直线度/同轴度的测量，在进行水2平方向测量和垂直方向测量切换时，需要将构成干涉仪的两个渥拉斯顿棱镜和直角棱镜以及接收器和接收检偏器均旋转90度。该方法的测量范围达到30m。

该方法的实现装置如图1所示，包括：横向赛曼双频激光器光源101、望远镜102、分光镜103、可转动90度的活动套筒106、一对玻璃光楔(图中未示出)、第一、二渥拉斯顿棱镜107、108和直角棱镜109，分别设置在该分光镜103的反射光路和渥拉斯顿棱镜107返回光路上的第一检偏器104和第一光电接收器105、第二检偏器110和第二光电接收器111，以及与两个光电接收器相连的由信号放大电路、相位器112和计算机113构成的信号处理单元。

所说的光源采用横向赛曼双频激光器，直接出射两个相互正交的线偏振光；所说的两个渥拉斯顿棱镜，其分束角完全相同；所说的第二检偏器和第二光电接收器固定在活动套筒106上，和活动套筒可以一同转动，光束通过活动套筒的非中心小孔可以被第二光电接收器接收；所说的激光源101、望远镜102、分光镜103、活动套筒106、检偏器104和110、光电接收器105和111都安装在一个底座上，构成激光头。

上述装置的工作过程为：正交偏振光先经过分光镜，将入射光分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。参考光经过第一检偏器进行合成，由第一光电接收器接收转换成交流电信号-参考信号。测量光先通过第一渥拉斯顿棱镜后，分开一小角度，再通过第二渥拉斯顿棱镜后，变成两束平行光，经直角棱镜反射后，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜，又变成一束光，经过第二检偏器进行合成，由第二光电接收器接收转换成交流电信号-测量信号。第一渥拉斯顿棱镜或第二渥拉斯顿棱镜垂直于光路方向的移动会使测量信号相对于参考信号间的相位发生变化，用相位器将参考信号和测量信号进行相位比较，将结果送到计算机进行数据处理，就可得到第一渥拉斯顿棱镜或第二渥拉斯顿棱镜的移动量。

若将第二渥拉斯顿棱镜和直角棱镜放于导轨一端，激光头放于另一端，调整光路使之平行于导轨，使第一渥拉斯顿棱镜沿导轨移动，即可测得导轨的水平或垂直方向上的直线度偏差，将第一渥拉斯顿棱镜装在特定的靶子上即可用于同轴度测量。

该装置的测量原理为：为了实现断续测量，在量程范围内产生的光程差变化不能超过一个波长，信号相位的变化必须在±180°内，这样就必须对测量范围和分辨率作统一考虑。取测量信号和参考信号相位变化0.1°对应渥拉斯顿棱镜107或108横向移动1μm，这样对渥拉斯顿棱镜107和108来说：

式中：λ：激光波长

θ：渥拉斯顿棱镜的两出射光之间的夹角

C：相位卡计数器的累加数

根据设计，有S＝1μm，λ＝0.6328μm，C＝0.1°得：θ/2＝0.0025°

再根据    sin(θ/2)＝(N₀-n_e)tgβ

得渥拉斯顿棱镜的楔角：β＝0.28°

信号相位每变化0.1°对应渥拉斯顿棱镜107或108横向移动1μm，信号一个周期±180°就代表移动±1.8mm，这个测量范围在通常的直线度/同轴度测量中是足够的。在测量相位时，由于信号不会跨越一个周期，保证了读数的单值性，而且相位测量是状态测量，渥拉斯顿棱镜移出光路，再放回光路中，测量还能继续进行，因而可用于同轴度的测量。

按上述参数，两光束分开角度θ≈0.005°，可计算得在30m处两光束中心分开约2.6mm，光斑本身直径约为8mm左右，因而在30m内两光束中心间距小于光斑半径，此时两光束波前倾斜相关性大于0.9，对空气扰动有较强的抵抗力。对于更长距离的测量要求，可以重新设计渥拉斯顿棱镜的楔角，减小两光束的分开角度，这样增大了位移当量，降低了灵敏度，可获得更好的测量效果。

采用上述装置进行直线度/同轴度测量方法包括以下步骤：

1、采用低频差稳频横向赛曼激光器做光源，该激光器输出两个正交的线偏振光，它们的频差很低，约为240KHz；

2、该相互正交的线偏振光通过望远镜102准直扩束后，通过一个分光镜103后分成两部分光；

3、第一部分光经过第一检偏器104进行合成，由第一光电接收器105接收形成参考信号；

4、第二部分光经过活动套筒106的中心小孔射出，通过第一渥拉斯顿棱镜107后，这束含有两种频率、偏振方向正交的光分成夹有一小角度的两束光，再通过第二渥拉斯顿棱镜108后，变成两束平行光，这两束光没有完全分开；

5、该两束平行光被直角棱镜109反射后，反射光束和入射光束平行，再依次通过渥拉斯顿棱镜108、107后又变成一束光；

6、该束光经过经过活动套筒106的非中心小孔射出，经过第二检偏器110进行合成，由第二光电接收器111接收形成测量信号；

7、该测量信号和第3步骤所说的参考信号被送入相位器进行相位比较，得到该测量信号和参考信号的相位差。当渥拉斯顿棱镜107或108在水平面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即水平方向的直线度；

8、将直角棱镜绕入射光路轴线旋转90度，此时被直角棱镜反射的光束也相对于原位置转过了90度，接着再将渥拉斯顿棱镜108、107也旋转90度，使反射光束通过它们射出，然后将固定有第二检偏器和第二光电接收器的活动套筒旋转90度，使反射光仍能通过活动套筒的非中心小孔，被第二光电接收器接收。此时当渥拉斯顿棱镜107或108在竖直面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即垂直方向的直线度；

9、将渥拉斯顿棱镜107或108装在测量同轴度的靶子上，将靶子装在被测孔中，按前述方法分别测出各点的水平方向和垂直方向上的偏差，最后将其合成起来，即得到孔的同轴度偏差测量结果。

由于上述方法是以直角棱镜的特征方向(即直角棱镜的反射面的法线合成方向，也可称为角平分线)作为基准直线的，所测得的水平或者垂直方向的直线度是靶子运动轨迹相对于基准直线的偏差，而步骤8要求将直角棱镜、渥拉斯顿棱镜、活动套筒(包括固定其上的第二检偏器和第二光电接收器)都绕入射光路轴线手动旋转90度，手动旋转后直角棱镜的角平分线与旋转前的角平分线不能保证重合，而根据直线度/同轴度测量的激光干涉仪的工作原理的要求，需要保证激光束方向与直角棱镜的特征方向一致，这就需再次对直角棱镜的俯仰和偏摆角度进行微调，调节过程繁琐，工作量大，测量时间长；另外，由于市场上通用的激光干涉仪中的第二检偏器、第二光电接收器及活动套筒都是集成在激光头中的，旋转第二检偏器、第二光电接收器和活动套筒就意味着还需要旋转激光头，于是激光头中的横向赛曼双频激光器光源、望远镜和分光镜也就跟着旋转，这样光路调节的工作量很大。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新型的激光直线度/同轴度测量装置，采用一个特殊结构的平移反射镜代替直角棱镜。采用该平移反射镜代替直角棱镜后，水平和垂直方向的直线度测量时的基准是不变的，在前述的步骤8中只需要旋转渥拉斯顿棱镜即可，而不需要旋转该平移反射镜、第二检偏器和第二光电接收器等器件。这样就大大简化了调节过程，缩减了调节时间，提高了调节效率。

本发明的技术方案如下：

一种激光直线度或同轴度测量装置，包括在测量光路上依次设置的第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜，其特征在于，在测量光路上所述第二渥拉斯顿棱镜之后设置有平移反射镜，所述第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜依次位于从平移反射镜反射后返回光的光路上；所述平移反射镜为测量时在旋转两个渥拉斯顿棱镜前后所述平移反射镜不旋转即在相互垂直的两个测量方向上均具有光路漂移自适应功能的平面镜结构，当入射光沿平移反射镜的特征方向入射时，平移反射镜反射后返回光与入射光方向相反、相互平行且返回光与入射光之间距离恒定，所述距离不随入射光平移而改变。

所述入射光经过平移反射镜中的奇数个反射面，所述奇数个反射面在空间共面且其法线合成方向与入射光平行。

所述平移反射镜具有三个反射面，所述三个反射面的法线在空间共面且三个反射面的法线合成方向与入射光平行。

所述平移反射镜包括三个平面反射镜。

所述第一渥拉斯顿棱镜内的两个端面上均设置有玻璃光楔。

所述第二渥拉斯顿棱镜的结构和参数与第一渥拉斯顿棱镜的完全相同。

本发明的技术效果如下：

本发明的激光直线度/同轴度测量装置，通过在测量光路上的第二渥拉斯顿棱镜之后设置平移反射镜，测量光路上的光经过第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜后变成两束平行光，这两束光被平移反射镜反射后的返回光与入射光方向相反、相互平行且返回光和入射光之间保持恒定的距离，即平移反射镜反射后的返回光相对入射光平移一个固定的距离，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜又变成一束光，该装置是通过第二渥拉斯顿棱镜或第一渥拉斯顿棱镜垂直于光路方向的移动来得到激光水平方向和垂直方向的直线度/同轴度。本发明采用一个特殊结构的平移反射镜代替现有技术中使用的直角棱镜，高效率完成激光直线度/同轴度测量。该平移反射镜与直角棱镜作为回光元件的特性不同：从图2a、2b、2c和2d依次所示的平面镜、直角棱镜、角锥棱镜、平移反射镜的光学特性示意图可看出：R为图像，图2a中平面镜成像水平和垂直方向均不变；图2b中直角棱镜成像水平方向不变，垂直方向颠倒；图2c中角锥棱镜成像水平和垂直方向均颠倒；图2d中平移反射镜成像水平和垂直方向均不变。可以得出，棱线水平放置的直角棱镜，对于水平方向的入射光其光学特性表现为平面镜特性，而对于垂直方向的入射光其光学特性类似于角锥棱镜，由于平面镜作为回光元件时对于激光干涉仪而言具有光路漂移(平漂和角漂)自适应性，而角锥棱镜作为回光元件时对于激光干涉仪而言不具备角漂自适应性，因此棱线水平放置的直角棱镜只在水平方向上具有光路漂移自适应特性，进一步讲，直角棱镜只在一个方向上具有光路漂移自适应特性，而在垂直的另一方向上不具备角漂自适应性。当入射光光束因外界空气扰动等因素发生角度漂移时，经直角棱镜反射后返回光的角度也就随之改变，若直角棱镜在水平方向上具有自适应特性，则直角棱镜会将光束在水平方向上发生的角度漂移进行自适应调节，使得反射后返回光进行反方向漂移，保证光束在水平方向上的特征方向不发生改变，而光束在垂直方向上发生的角度漂移并不会影响水平方向上激光直线度的测量，但是会影响垂直方向上激光直线度的测量，故测量垂直方向上的直线度时，为避免光路漂移造成的误差，需要将直角棱镜绕入射光路轴线旋转90度使其棱线沿垂直方向放置，使其对竖直方向上的平漂和角漂具有自适应特性，这样才可以将光束在垂直方向上发生的角度漂移进行调节，光束在水平方向上发生的角度漂移不会影响垂直方向上激光直线度的测量。直角棱镜旋转后光路上的两个渥拉斯顿棱镜、活动套筒、第二检偏器和第二光电接收器都需要绕入射光路轴线手动旋转90度，才能保证反射光的接收，由于手动旋转直角棱镜后的特征方向与其旋转前的特征方向不能保证重合，而直线度/同轴度的测量是以直角棱镜的特征方向作为基准直线的，故测量基准就发生了改变，这就需再次对直角棱镜的俯仰和偏摆角度进行微调，调节过程繁琐，工作量大，测量时间长。而本发明采用的平移反射镜是一种特定的在相互垂直的两个方向上均具有光路漂移自适应功能的平面镜结构，这样，当光束发生漂移时，平移反射镜能够将光束在水平方向上和垂直方向上发生的角度漂移分别进行调节，使得平移反射镜反射后返回光在水平方向和垂直方向上分别实现反方向漂移，保证光束在水平方向和垂直方向上的特征方向均不发生改变，从而保证整个测量的基准不发生改变，故在测量完成水平或者垂直方向的直线度后再测量另外一个方向的的直线度时无需将平移反射镜进行90度旋转，也无需旋转活动套筒、第二检偏器和第二光电接收器这些器件，只需要旋转两个渥拉斯顿棱镜即可，因此大大简化了调节过程，缩减了调节时间，提高了调节效率。

附图说明

图1为已有的横向塞曼激光直线度/同轴度测量装置结构示意图。

图2a、2b、2c和2d分别为平面镜、直角棱镜、角锥棱镜、平移反射镜的光学特性示意图。

图3为本发明的优选的激光直线度/同轴度测量装置结构示意图。

图4a、4b、4c、4d和4e均为本发明的平移反射镜的优选结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

图3为本发明优选的激光直线度/同轴度测量装置结构示意图。包括横向赛曼双频激光器光源201、依次设置在该激光器光源发射端的光路轴线上的望远镜202、分光镜203、可转动90度的活动套筒206、第一渥拉斯顿棱镜207、第二渥拉斯顿棱镜208和平移反射镜209，第二渥拉斯顿棱镜208、第一渥拉斯顿棱镜207和活动套筒206依次位于从平移反射镜209反射后返回光的光路上，在该返回光的光路上在活动套筒206之后还依次设置有第二检偏器210和第二光电接收器211，用来接收返回光，设置在分光镜203的反射光路上的第一检偏器204和第一光电接收器205，以及与两个光电接收器相连的由信号放大电路、相位器212和计算机213构成的信号处理单元。

其中，横向赛曼双频激光器光源201直接出射两个正交的线偏振光，该光源也可以是单频激光器，直接出射圆偏振光或通过拨片等光学器件将线偏振光转化为圆偏振光，激光光源的稳频精度高，长距离漂移的偏差小。第二渥拉斯顿棱镜208的结构和参数与第一渥拉斯顿棱镜207的结构和参数完全相同，此外，在第一渥拉斯顿棱镜207内的两个端面上均设置有玻璃光楔，调节这一对玻璃光楔可以校正从第一渥拉斯顿棱镜207出射的两束光相对于原入射光的不对称。活动套筒206上开有一中心小孔和一非中心小孔，第二检偏器210和第二光电接收器211固定在活动套筒206上，便于和活动套筒206一同转动，返回的光束通过活动套筒206的非中心小孔可以被第二光电接收器211接收。横向赛曼双频激光器光源201、望远镜202、分光镜203、活动套筒206、两个检偏器204和210、两个光电接收器205和211都安装在一个底座上，构成激光头，该激光头内部结构简单，仪器尺寸小。

平移反射镜209是一种在相互垂直的两个方向上均具有光路漂移自适应功能的平面镜结构，即在互相垂直的两个方向上均具有平面镜特性，并满足当入射光沿平移反射镜的特征方向入射时，其反射后返回光与入射光方向相反、相互平行且平移一个固定的距离，该距离不随入射光平移而改变。本发明的平移反射镜是具有奇数个有效反射面的平面镜结构，所谓有效反射面就是入射光在平移反射镜中发生反射的面，该有效反射面可以是三个或五个或更多个，这些有效反射面在空间共面且其法线合成方向与入射光平行。图4a、4b和4c为其优选结构示意图，这三种结构的平移反射镜都具有三个反射面，这三个反射面的法线在空间共面且三个反射面的法线合成方向与入射光平行，即入射光入射以后被反射三次再出射，出射光与入射光方向相反、相互平行且平移一个固定的距离，该平移反射镜可以由多个平面镜组合而成或者是一个镀有反射膜的多面体棱镜。此外，平移反射镜还可以由一个平面反射镜和一个五角棱镜组成，如图4d和4e所示，其中，图4d是入射光先入射到平面反射镜，再入射到五角棱镜；图4e是入射光先入射到五角棱镜，再入射到平面反射镜。当然也不仅限于三个反射面的组合，可以是更多的反射面的组合。

本发明装置中的活动套筒206、第一渥拉斯顿棱镜207、第二渥拉斯顿棱镜208、平移反射镜209、第二检偏器210和第二光电接收器211均为测量光路上的各部件，第一检偏器204和第一光电接收器205均为参考光路上的各部件。具体工作过程为：横向赛曼双频激光器光源201发出的两个正交的线偏振光先经过分光镜203，将入射光分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。参考光经过第一检偏器204进行合成，由第一光电接收器205接收转换成交流电信号，即参考信号。测量光由活动套筒206中心小孔先通过第一渥拉斯顿棱镜207后，分开一小角度，再通过第二渥拉斯顿棱镜108后，变成两束平行光，经平移反射镜209反射后，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜208和第一渥拉斯顿棱镜207，又变成一束光，经过活动套筒的非中心小孔可以被第二检偏器210进行合成，由第二光电接收器211接收转换成交流电信号，即测量信号。第一渥拉斯顿棱镜207或第二渥拉斯顿棱镜208垂直于光路方向的移动会使测量信号相对于参考信号间的相位发生变化，用相位器212将参考信号和测量信号进行相位比较，将结果送到计算机213进行数据处理，就可得到第一渥拉斯顿棱镜207或第二渥拉斯顿棱镜208的移动量。

若将第二渥拉斯顿棱镜208和平移反射镜209放于导轨(图中未示出)一端，激光头放于另一端，调整光路使之平行于导轨，使第一渥拉斯顿棱镜207沿导轨移动，即可测得导轨的水平或垂直方向上的直线度偏差。将激光头放于被测长孔的一端，平移反射镜209和第二渥拉斯顿棱镜208放置于被测长孔的另一端，将第一渥拉斯顿棱镜207镶嵌在装在特定的靶子正中，测量此长孔同轴度的靶子外径和长孔的内径相等，靶子放在被测长孔中并能沿长孔移动即可用于同轴度测量。

采用本发明装置进行直线度/同轴度测量方法包括以下步骤：

1、采用横向赛曼双频激光器201做光源，该激光器输出两个正交的线偏振光，也可采用单频激光器，所述的单频激光器输出为圆偏振光；

2、该相互正交的线偏振光通过望远镜202准直扩束后，通过一个分光镜203后分成反射光和透射光两部分光；

3、第一部分光(可以是反射光或透射光)经过第一检偏器204进行合成，由第一光电接收器205接收形成参考信号；

4、第二部分光(可以是透射光或反射光)经过活动套筒206的中心小孔射出(该活动套筒206并非必要器件，也可以省去)，通过第一渥拉斯顿棱镜207后，这束含有两种频率、偏振方向正交的光分成夹有一小角度的两束光，再通过第二渥拉斯顿棱镜208后，变成两束平行光，可以假设为是在同一水平面的两束光，这两束光没有完全分开；

5、该两束平行光被平移反射镜209反射后，平移一段距离后平行反射回来，即反射光束和入射光束平行并平移一个固定的距离，可以假设是在竖直平面上平移固定距离，此时的反射光仍为在同一水平面的两束光，该反射光再依次通过第二渥拉斯顿棱镜208和第一渥拉斯顿棱镜207后又变成一束光；

6、该束光经过经过活动套筒206的非中心小孔射出，经过第二检偏器210进行合成，由第二光电接收器211接收形成测量信号；

7、该测量信号和第3步骤所说的参考信号被送入相位器212进行相位比较，得到该测量信号和参考信号的相位差。当第一渥拉斯顿棱镜207或第二渥拉斯顿棱镜208在水平面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即水平方向的直线度；

8、将第二渥拉斯顿棱镜208和第一渥拉斯顿棱镜207绕入射光路轴线旋转90度，此时到达平移反射镜的入射光为在同一垂直平面的两束光，入射光经平移反射镜反射后仍为在同一垂直平面的两束光，并且反射光相对入射光在竖直平面上平移一个固定距离，反射光束通过第二渥拉斯顿棱镜208和第一渥拉斯顿棱镜207射出后，反射光仍能通过活动套筒的非中心小孔，被第二光电接收器211接收。此时当第一渥拉斯顿棱镜207或第二渥拉斯顿棱镜208在竖直面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即垂直方向的直线度；

9、将第一渥拉斯顿棱镜207或第二渥拉斯顿棱镜208装在测量同轴度的靶子上，将靶子装在被测长孔中移动时，相位差发生变化，其变化就直接反映了长孔的水平和垂直方向同轴度，按前述方法分别测出靶子在各点的水平方向和垂直方向上的偏差，最后将其合成起来，即得到孔的同轴度偏差测量结果。

Claims (6)

1.一种激光直线度或同轴度测量装置，包括在测量光路上依次设置的第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜，其特征在于，在测量光路上所述第二渥拉斯顿棱镜之后设置有平移反射镜，所述第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜依次位于从平移反射镜反射后返回光的光路上；所述平移反射镜为测量时在旋转两个渥拉斯顿棱镜前后所述平移反射镜不旋转即在相互垂直的两个测量方向上均具有光路漂移自适应功能的平面镜结构，当入射光沿平移反射镜的特征方向入射时，平移反射镜反射后返回光与入射光方向相反、相互平行且返回光与入射光之间距离恒定，所述距离不随入射光平移而改变。

2.根据权利要求1所述的激光直线度或同轴度测量装置，其特征在于，所述入射光经过平移反射镜中的奇数个反射面，所述奇数个反射面在空间共面且其法线合成方向与入射光平行。

3.根据权利要求2所述的激光直线度或同轴度测量装置，其特征在于，所述平移反射镜具有三个反射面，所述三个反射面的法线在空间共面且三个反射面的法线合成方向与入射光平行。

4.根据权利要求3所述的激光直线度或同轴度测量装置，其特征在于，所述平移反射镜包括三个平面反射镜。

5.根据权利要求1至4之一所述的激光直线度或同轴度测量装置，其特征在于，所述第一渥拉斯顿棱镜内的两个端面上均设置有玻璃光楔。

6.根据权利要求1至4之一所述的激光直线度或同轴度测量装置，其特征在于，所述第二渥拉斯顿棱镜的结构和参数与第一渥拉斯顿棱镜的完全相同。

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