CN102003939A - 基于双频激光干涉的二维测量装置 - Google Patents

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王昭
汤善治
高建民
蒋志雄
郭俊杰
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Abstract

基于双频激光干涉的二维测量装置，包括反射率为50％的分光镜、x向测量模块、y向测量模块，x向平面反射镜和y向平面反射镜。激光束通过50％分光镜分成两束，对x、y两个方向的位移进行测量。每束光会通过偏振分光棱镜分为P光和S光，P光作为参考光，由角锥棱镜返回；S光做为测量光，由被测量平面镜反射，经1/4波片，其偏振方向转90°，因而会透过偏振分光棱镜的分光面，而被角锥棱镜反射并再次透过偏振分光棱镜的分光面，由被测量平面镜反射，经1/4波片，其偏振方向再次转90°，经偏振分光棱镜的分光面反射返回，测量光与参考光产生干涉，干涉信号被光电接收器所接收，从而得到x、y方向的被测位移。

Description

基于双频激光干涉的二维测量装置
技术领域
本发明属于测量领域，具体涉及一种基于双频激光干涉的二维测量装置。
背景技术
现代高精密加工、高档数控装备等领域的发展，需要高效、高精度、大范围的测量技术作为支撑，如高档数控机床的加工精度的保证，首先需要对机床本身的精度进行检测，而其检测的方法有诸多，与单项误差(如线性度、垂直度等)检测相比，综合误差(如圆误差、对角线等)检测具有高效、易操作的优点，为当前机床精度检测发展的主要方向。这就要求一种先进的二维测量技术。目前，检测机床圆误差的主要有英国雷尼绍公司的QC10球杆仪和美国光动公司的MCV-5004激光干涉仪，前者主要是机械接触式测量，使用需要激光干涉仪标定，且由于原理结构限制，其最小测量半径受到限制，球杆仪最小长度为100mm，而标准规定数控机床最小检测半径为40mm；后者实质上是采用两套激光干涉仪测量二维位移，从成本上讲是比较高的。国内公开号为101096073专利发明了用激光干涉法测量数控机床圆轨迹的方法，此方法主要限于测圆轨迹的x、y分量从而实现测量圆轨迹，对于具体光路和通常采用激光干涉法带来难调光路问题并未做解决。
另外，现有的激光干涉产品多数为国外厂商生产，价格较昂贵，且主要为一维精度测量，其被测量镜多为角锥棱镜，易于光路调节和工业应用操作；若将角锥棱镜作为二维测量中的被测量镜，受角锥棱镜加工尺寸的局限，其测量范围很小，若用于平面反射镜作为被测量镜，现有的方法组成环节较多，则会出现难以调节光路的问题，且结构较复杂。从而影响了激光干涉法在二维精度测量的应用和推广，如高档数控机床的圆检验等二维轨迹测量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种既解决测量范围小的问题，又解决调节光路难的问题，同时，保持结构简单、成本低的优势的基于双频激光干涉的二维测量装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括双频激光头以及位于双频激光头出射光光路中的反射率为50％的分光镜，在该分光镜的反射光路及透射光路中分别设置有x向测量模块和y向测量模块，在x向测量模块和y向测量模块的测量光路中分别设置有x向平面反射镜和y向平面反射镜；
所说的y向测量模块包括y向偏振分光棱镜，在y向偏振分光棱镜透射光路中设置有y向透射角锥棱镜，在y向偏振分光棱镜反射光路的后端设置有y向角锥棱镜，在y向偏振分光棱镜的反射光路中依次设置有y向1/4波片和y向平面反射镜，在y向偏振分光棱镜与y向透射角锥棱镜相对的一侧设置有y向光电接收器；
所说的x向测量模块包括x向偏振分光棱镜，在x向偏振分光棱镜透射光路中设置有x向透射角锥棱镜，在x向偏振分光棱镜反射光路的后端设置有x向角锥棱镜，在x向偏振分光棱镜的反射光路中依次设置有x向1/4波片和x向平面反射镜，在x向偏振分光棱镜与x向透射角锥棱镜相对的一侧设置有x向光电接收器。
本发明采用平面反射镜作为被测量镜，其它反射镜为角锥棱镜，使测量光束两次到达被测量镜并被反射后与参考光束达到干涉的效果。它既可以实现测量范围大又容易调光路，且光路结构简单，易于模块化和产品化，同时还提高了测量精度。为精密测量仪器，适用于高精度的工业测量领域，尤其适用于高档数控机床的精度测量，其广泛应用可较大的推动先进制造等工业的发展。
附图说明
图1为本发明的主要光路结构图及其组成。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括双频激光头6以及位于双频激光头6出射光光路中的反射率为50％的分光镜1，在该分光镜1的反射光路及透射光路中分别设置有x向测量模块和y向测量模块，在x向测量模块和y向测量模块的测量光路中分别设置有x向平面反射镜5和y向平面反射镜3；
所说的y向测量模块包括y向偏振分光棱镜2c，在y向偏振分光棱镜2c透射光路中设置有y向透射角锥棱镜2d，在y向偏振分光棱镜2c反射光路的后端设置有y向角锥棱镜2b，在y向偏振分光棱镜2c的反射光路中依次设置有y向1/4波片2e和y向平面反射镜3，在y向偏振分光棱镜2c与y向透射角锥棱镜2d相对的一侧设置有y向光电接收器2a；
所说的x向测量模块包括x向偏振分光棱镜4c，在x向偏振分光棱镜4c透射光路中设置有x向透射角锥棱镜4d，在x向偏振分光棱镜4c反射光路的后端设置有x向角锥棱镜4b，在x向偏振分光棱镜4c的反射光路中依次设置有x向1/4波片4e和x向平面反射镜5，在x向偏振分光棱镜4c与x向透射角锥棱镜4d相对的一侧设置有x向光电接收器4a。
本发明在二维测量中，采用平面反射镜作为被测量镜，满足二维测量大范围的要求。平面反射镜较角锥棱镜更容易加工，成本较低。适用于高档数控机床的圆轨迹测量。
采用平面反射镜作为被测量镜的同时，光路中使用角锥棱角作为其他反射镜，使测量光束两次达到被测量平面反射镜并返回，实现测量光与参考光干涉，同时提高了测量精度。使调节光路变得简易，容易操作和利于应用。
激光束被反射角为50％的分光镜分成的两束光，其中一束用于x方向测量，另一束用于y方向测量，但对于每束光而言，均是经过偏振分光棱镜把它分成S光与P光，本发明采用S光作为测量光，与现有产品采用P光不同，这样的设计达到测量目的的同时，减少了使光折90°的元件，如90°五角棱镜等，达到精减结构的效果。
参见图1，本发明的工作过程如下：双频激光头6发出双频激光，经反射角为50％的分光镜1分成两束光，一束光用于测量x方向的位移，另一束光用于测量y方向的位移。对于y方向的位移测量，其过程为：当y向的光束经过y向偏振分光棱镜2c后分成S光和P光，P光透过y向偏振分光棱镜2c，经y向透射角锥棱镜2d平行返回，为参考光束；S光透过y向1/4波片2e到达y向平面反射镜3并被反射，再次透过y向1/4波片2e，其偏振方向转90°，从而透过y向偏振分光棱镜2c达到y向角锥棱镜2b并被平行反射回来，再次透过y向偏振分光棱镜2c和y向1/4波片2e，第二次被y向平面反射镜3反射，由于透过y向1/4波片2e其偏振方向再转90°，因而到达y向偏振分光棱镜2c被反射，与参考光束重合，此光束为测量光束。当测量光束与参考光束重合并发生干涉，其拍频信号被y向光电接收器2a所接收，并与激光头里的参考信号进行混频等信号处理，计算得出y向被测位移。同理，通过x向测量模块和x向平面反射镜5实现对x向位移的测量。最终，实现对x、y平面二维位移测量。

Claims (1)

1.基于双频激光干涉的二维测量装置，其特征在于：包括双频激光头(6)以及位于双频激光头(6)出射光光路中反射率为50％的分光镜(1)，在该分光镜(1)的反射光路及透射光路中分别设置有x向测量模块和y向测量模块，在x向测量模块和y向测量模块的测量光路中分别设置有x向平面反射镜(5)和y向平面反射镜(3)；
所说的y向测量模块包括y向偏振分光棱镜(2c)，在y向偏振分光棱镜(2c)透射光路中设置有y向透射角锥棱镜(2d)，在y向偏振分光棱镜(2c)反射光路的后端设置有y向角锥棱镜(2b)，在y向偏振分光棱镜(2c)的反射光路中依次设置有y向1/4波片(2e)和y向平面反射镜(3)，在y向偏振分光棱镜(2c)与y向透射角锥棱镜(2d)相对的一侧设置有y向光电接收器(2a)；
所说的x向测量模块包括x向偏振分光棱镜(4c)，在x向偏振分光棱镜(4c)透射光路中设置有x向透射角锥棱镜(4d)，在x向偏振分光棱镜(4c)反射光路的后端设置有x向角锥棱镜(4b)，在x向偏振分光棱镜(4c)的反射光路中依次设置有x向1/4波片(4e)和x向平面反射镜(5)，在x向偏振分光棱镜(4c)与x向透射角锥棱镜(4d)相对的一侧设置有x向光电接收器(4a)。
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