CN103308004B - 一种激光直线度和位移的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光直线度和位移的测量装置，包括双频激光器光源和普通分光镜，在普通分光镜的测量光路上设置有第一光路折回反射镜，在第一光路折回反射镜的第一反射光路上依次设置有第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜和基准反射镜，第二渥拉斯顿棱镜、第一渥拉斯顿棱镜和第一光路折回反射镜还依次位于从基准反射镜反射后返回光的光路上，在第一光路折回反射镜的第二反射光路上设置有偏振分光镜，偏振分光镜还位于普通分光镜的参考光路上，偏振分光镜的两个出光方向上分别依次设置检偏器和光电接收器，两个光电接收器连接信号处理单元。本发明能同时完成直线度和位移的测量，降低了设备成本，简化了调节过程，提高了测试效率，保证了测量精度。

Description

一种激光直线度和位移的测量装置

技术领域

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及一种应用激光进行直线度测量和位移测量的装置。

背景技术

位移测量和直线度测量都是几何计量领域中最基本的计量项目，在运动导轨、坐标测量机、机床等设备的精度检定和误差补偿等方面有着广泛的应用。

激光干涉直线度测量方案中，最早是美国Agilent公司采用的单渥拉斯顿棱镜方案，目前依然做为商品化的器件销售，缺点是0－30米工作距离上需要2套装置分别测量，渥拉斯顿棱镜和大角度平面反射镜的角度需要配对加工，加工难度大，成本高，调节困难。有近程测量死区；远距离时光束完全分离，容易受到空气扰动干扰。

国内专利号为01134379.6、名称为横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置的发明专利提出了一种双渥拉斯顿棱镜的直线度测量方案，采用双渥拉斯顿代替了单渥拉斯顿棱镜，直角棱镜代替大角度平面反射镜，在30米远距离上光束基本不分离，因此具有抗干扰能力强，0－30米工作距离上仅需一套装置，器件加工较容易等优点，缺点是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。故在水平方向上激光直线度测量后，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，使其对垂直方向上的平漂和角漂具有自适应特性，使得漂移不会引起测量误差。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。

为克服上述缺点，本申请人申请了专利号为201010218507.6、名称为激光直线度/同轴度测量装置的发明专利，提出一种新的光路方案进行激光直线度测量，采用了双渥拉斯顿棱镜和一个特殊结构的平移反射镜，平移反射镜的特性是可同时做为水平方向和垂直方向直线度的测量基准，因此在测量两个方向的直线度时光路不需要重新调整，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，而且可以方便地扩展成二维测量直线度系统。

在位移测量方面，迈克尔逊干涉仪是一种典型的双频激光干涉位移测量的实现装置。

激光干涉直线度测量装置和激光干涉位移测量装置只能对直线度和位移分别进行测量，耗费时间多、需要多次调整光路，而且由于直线度测量结果中不包含测量点处的位置信息，给应用带来了很大不便。

国内专利号为200910100068.6、名称为基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置的发明专利设计了一种可以同时测量直线度和位移的干涉测量装置。采用了单渥拉斯顿结构，由两个直角棱镜组成的大角度的测量反射镜做为基准靶镜和测量对象。该装置可以同时得到被测对象的直线度和测量点的位移，对于提高测量效率和使用直线度误差数据进行导轨修正提供了很大方便。但是由于大角度的测量反射镜既是直线度的测量基准，又是被测靶镜，在测量过程中需要移动。测量垂直方向直线度时，靶镜的俯仰角变化会直接造成直线度基准直线的转动，产生额外的测量误差；测量水平方向直线度时，靶镜的偏摆角变化会直接造成直线度基准直线的转动，产生额外的测量误差。而靶镜的俯仰、偏摆和滚转还会造成返回光的偏移，使得光束无法重合或者离开光电接收器的接收窗口，造成信号幅值和对比度的下降，严重时会导致测量中断。因此在实际应用中，特别是长距离使用时存在问题。另外，该装置还同时存在单渥拉斯顿测量系统中的器件配对加工要求高，难度大，调节困难等缺陷。

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和位移的测量装置，采用光路折回反射镜、双渥拉斯顿棱镜和基准反射镜，设置新型的光路结构并进行一次光路调整，即可同时完成位移测量以及水平或垂直方向上的直线度测量，使得光学器件数目减少，这样就大大减小了设备体积，降低了设备成本，简化了调节过程，缩减了调节时间，提高了测试效率；本发明的光路对空气扰动和环境温度变化等干扰因素具备很好的抵抗能力，测量器件在移动过程中的角度变化和其他方向上的位置变化不引起测量误差，基准反射镜作为直线度基准在测量过程中保持固定不动，在远距离上光束也基本不分开，从而提高了测量结果的稳定性，减小了测量误差，保证了测量精度。

本发明的技术方案如下：

一种激光直线度和位移的测量装置，包括双频激光器光源和设置在所述双频激光器光源发射端的光路轴线上的普通分光镜，所述普通分光镜透射或反射后形成测量光路或参考光路，其特征在于，在普通分光镜的测量光路上设置有第一光路折回反射镜，在第一光路折回反射镜的第一反射光路上依次设置有第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜和基准反射镜，所述第二渥拉斯顿棱镜、第一渥拉斯顿棱镜和第一光路折回反射镜还依次位于从基准反射镜反射后返回光的光路上，所述第一光路折回反射镜为沿任意角度入射的入射光与第一光路折回反射镜反射后的光路折回光方向相反且相互平行的器件，所述基准反射镜反射后返回光与沿基准反射镜的特征方向入射的入射光方向相反、相互平行且间隔一段距离；在第一光路折回反射镜的第二反射光路上设置有偏振分光镜，所述偏振分光镜还位于所述普通分光镜的参考光路上，所述偏振分光镜的两个出光方向上分别依次设置检偏器和光电接收器，所述两个光电接收器连接信号处理单元。

所述普通分光镜和偏振分光镜为两个独立部件或由双功能分光镜一个部件的不同部分镀膜而成；当是双功能分光镜时，所述双功能分光镜一部分镀膜形成普通分光镜，另一部分形成偏振分光镜，所述普通分光镜的参考光路上设置有第二光路折回反射镜，所述第二光路折回反射镜为沿任意角度入射的入射光与第二光路折回反射镜反射后的光路折回光方向相反且相互平行的器件，所述普通分光镜还设置在从第二光路折回反射镜反射后返回的光路上。

所述第一光路折回反射镜为猫眼反射镜或具有三个法线相互垂直的反射面的器件；所述猫眼反射镜具有一个会聚透镜和一个设置在该透镜焦平面上的反射镜。

当所述第一光路折回反射镜为具有三个法线相互垂直的反射面的器件时，所述第一光路折回反射镜为角锥棱镜或空心角锥棱镜。

所述基准反射镜为平移反射镜，所述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之间距离恒定，所述距离不随入射光平移而改变。

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；或所述平移反射镜包括一个平面反射镜和一个五角棱镜。

所述基准反射镜为分离反射镜，所述分离反射镜为具有一个反射面和两个折射面且入射光和反射光相互分开一定的距离的器件，当入射光沿分离反射镜的特征方向入射时，分离反射镜反射后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。

所述基准反射镜为直角棱镜。

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和位移的测量装置，在双频激光器光源和普通分光镜之后采用第一光路折回反射镜、双渥拉斯顿棱镜和基准反射镜，以及偏振分光镜，普通分光镜将双频激光器光源发出的包含两个正交线偏振分量的入射光经过透射和反射后分成两束，其中一束光作为参考光进入参考光路，另一束作为测量光进入测量光路；参考光进入偏振分光镜，其中的两个正交线偏振分量被该偏振分光镜分开，形成第一参考光和第二参考光；测量光进入第一光路折回反射镜，反射光依次经过第一渥拉斯顿棱镜和第二渥拉斯顿棱镜变成两束平行光，这两束光被基准反射镜反射后的返回光与入射光方向相反、相互平行、相互间隔一段距离，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜又合成一束光，再次被第一光路折回反射镜反射后的返回光进入偏振分光镜，其中的两个正交线偏振分量被该偏振分光镜分开，形成第一测量光和第二测量光；第一参考光和第一测量光合成一束光，第二参考光和第二测量光合成另一束光，分别依次进入检偏器和光电接收器形成第一测量信号和第二测量信号。本发明所述装置是通过第一渥拉斯顿棱镜垂直于光路方向的移动来得到该方向上的直线度，将光路中的渥拉斯顿棱镜等器件旋转调整即可得到垂直的另一个方向的直线度，并通过第一光路折回反射镜平行于光路方向的移动来得到激光光束方向的位移。第一渥拉斯顿棱镜和第一光路折回反射镜同时沿导轨移动，即可同时测量出直线度和位移。本发明所述装置能够同时完成位移测量以及水平或垂直方向上的直线度测量，并使得光学器件数目减少，大大减小了设备体积，降低了设备成本，简化了调节过程，缩减了调节时间，提高了测试效率；本发明的光路对空气扰动和环境温度变化等干扰因素具备很好的抵抗能力，第一渥拉斯顿棱镜和第一光路折回反射镜在垂直于被测直线度方向和光束方向上的移动和二者的角度变化均不会引起测量误差，基准反射镜作为直线度基准在测量过程中保持固定不动，在远距离上光束也基本不分开，避免了现有技术通常无法同时完成激光直线度和位移测量或即便能够同时测量也由于直线度两个方向测量时由于测量基准转动导致产生额外的测量误差的问题，提高了测量结果的稳定性，减小了测量误差，保证了测量精度。

附图说明

图1为本发明激光直线度和位移的测量装置的优选结构示意图。

图2a和2b均为本发明所述装置的位移测量的光路原理示意图。

图3a和3b均为本发明所述装置的直线度测量的光路原理示意图。

图4为本发明激光直线度和位移的测量装置的另一优选结构示意图。

图5a、5b、5c、5d、5e和5f均为本发明的基准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1为本发明激光直线度和位移的测量装置的优选结构示意图，包括双频激光器光源101、依次设置在该双频激光器光源101发射端的光路轴线上的普通分光镜105、第一光路折回反射镜106、第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108、基准反射镜109和偏振分光镜104，分别设置在偏振分光镜104的反射光路和透射光路上的第一检偏器103和第一光电接收器102、第二检偏器110和第二光电接收器111，与双频激光器光源101、第一光电接收器102和第二光电接收器111相连的相位器113，以及计算机112。

具体地，普通分光镜105透射或反射后形成测量光路或参考光路，该实施例是普通分光镜105透射形成测量光路，反射形成参考光路，在普通分光镜105的测量光路上设置有第一光路折回反射镜106，在第一光路折回反射镜106的第一反射光路上依次设置有第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108和基准反射镜109，该第二渥拉斯顿棱镜108、第一渥拉斯顿棱镜107和第一光路折回反射镜106还依次位于从基准反射镜109反射后返回光的光路上，第一光路折回反射镜106为沿任意角度入射的入射光与第一光路折回反射镜106反射后的光路折回光方向相反且相互平行的器件，基准反射镜109反射后返回光与沿基准反射镜109的特征方向入射的入射光方向相反、相互平行且间隔一段距离；在第一光路折回反射镜106的第二反射光路上设置有偏振分光镜104，该偏振分光镜104还位于普通分光镜105的参考光路上，偏振分光镜104的两个出光方向上分别依次设置检偏器和光电接收器，即第一检偏器103和第一光电接收器102，以及第二检偏器110和第二光电接收器111，第一光电接收器102和第二光电接收器111连接信号处理单元，该信号处理单元包括相位器113和计算机112，第一光电接收器102和第二光电接收器111通过相位器113与计算机112相连。

其中，双频激光器光源101直接出射两个频率不同、偏振方向相互正交的线偏振光，这两个偏振分量的光学频率稳定，长距离漂移的偏差小，该双频激光器光源101同时提供一个参考信号，该参考信号的频率等于两个偏振分量的光频率之差。还可以设置普通分光镜105反射形成测量光路，透射形成参考光路，此时的光路结构可以理解为是将图1所示的双频激光器光源101绕普通分光镜105顺时针旋转90度，即双频激光器光源101在普通分光镜105的上方向普通分光镜105出射两个频率不同的正交线偏振光。优选第二渥拉斯顿棱镜108的结构和参数与第一渥拉斯顿棱镜107的结构和参数完全相同，从而把入射光中的两个正交的线偏振光分别出射到不同的方向。此外，可以在第一渥拉斯顿棱镜107的两个端面上均设置玻璃光楔，通过调节这一对玻璃光楔可以校正从该第一渥拉斯顿棱镜107出射的两束光相对于原入射光的不对称。可以将双频激光器光源101、普通分光镜105、偏振分光镜104、两个检偏器103和110、两个光电接收器102和111、第二渥拉斯顿棱镜108和基准反射镜109都安装在一个底座上，构成激光头。第一渥拉斯顿棱镜107和第一光路折回反射镜106都安装在一个底座上，构成测量头。这样本发明所述装置只需要设置一个移动装置和设置在导轨一端的一个固定装置并调整一次光路便可以同时完成位移测量以及水平或垂直方向上的直线度测量。

第一光路折回反射镜106使得测量光路方向发生转折，第一光路折回反射镜106是一种保证沿任意角度入射的入射光与第一光路折回反射镜106反射后的光路折回光方向相反且相互平行的光学器件，优选可以是比如角锥棱镜或空心角锥棱镜这种具有三个法线相互垂直的反射面的光学器件，还可以是猫眼反射镜或其它光学器件，该猫眼反射镜具有一个会聚透镜和一个设置在该透镜焦平面上的反射镜。

基准反射镜109作为测量基准其反射后返回光与沿基准反射镜109的特征方向入射的入射光方向相反、相互平行且间隔一段距离。基准反射镜109可以是平移反射镜、分离反射镜或直角棱镜等。其中，平移反射镜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。具体而言，平移反射镜可以是具有三个或三个以上的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5a、5b和5c为平面反射镜的优选结构示意图，这三种结构的平移反射镜都包括三个平面反射镜或者说都具有三个反射面，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5d所示的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。本发明的基准反射镜109还可以是如图5e所示的分离反射镜，该分离反射镜为具有一个反射面和两个折射面且入射光和反射光相互平行并分开一定的距离的器件，图5e所示的分离反射镜在相互垂直的两个方向上也都具有光路漂移自适应功能，当入射光沿分离反射镜的特征方向入射时，分离反射镜反射后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。本发明的基准反射镜109还可以是如图5f所示的直角棱镜。

图1所示的本发明装置的具体工作过程为：双频激光器光源101发出的两个频率不同的正交线偏振光，并提供一个频率等于二者频率之差的参考信号。普通分光镜105把入射光分为反射和透射两束，这两束光中均包含两个正交的线偏振分量，其中一束作为参考光进入参考光路，另一束作为测量光进入测量光路；参考光进入偏振分光镜104，其中包含的两个正交线偏振光被该偏振分光镜104分开成两束，分别成为第一参考光和第二参考光；测量光被第一光路折回反射镜106反射后，反射光先通过第一渥拉斯顿棱镜107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，这两束平行光经基准反射镜109反射后，返回光与入射光方向相反、相互平行、相互间隔一段距离，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜108和第一渥拉斯顿棱镜107，又变成一束光，再次被第一光路折回反射镜106反射后，进入偏振分光镜104，其中包含的两个正交线偏振光被分开成两束，分别成为第一测量光和第二测量光；第一参考光与第一测量光合成一束，通过第一检偏器103进行合成，由第一光电接收器102接收，转换成交流电信号，形成第一测量信号；第二参考光与第二测量光合成一束，通过第二检偏器110进行合成，由第二光电接收器111接收，转换成交流电信号，形成第二测量信号。

第一光路折回反射镜106平行于光路方向的移动会使第一测量信号和第二测量信号相对于参考信号间的相位发生相反的变化，除此之外，该第一光路折回反射镜106在另外两个方向上的移动和俯仰、偏摆等角度变化都不会引起相位变化。用相位器113将参考信号分别和第一测量信号、第二测量信号进行相位比较，将结果送到计算机112进行数据处理，就可得到第一光路折回反射镜106的移动量，即得到测量头的位移。

第一渥拉斯顿棱镜107平行于分光平面、垂直于光路方向上的移动会使第一测量信号和第二测量信号相对于参考信号间的相位发生相同的变化，除此之外，该第一渥拉斯顿棱镜107在另外两个方向上的移动和俯仰、偏摆等角度变化都不会引起相位变化。用相位器113将参考信号分别和第一测量信号、第二测量信号进行相位比较，将结果送到计算机112进行数据处理，就可得到第一渥拉斯顿棱镜107的移动量，即导轨的直线度偏差。

若将激光头放于导轨（图中未示出）的一端，调整光路使之平行于导轨，使测量头沿导轨移动，即可同时测得沿导轨方向的位移和导轨的水平或垂直方向上的直线度偏差。

图2a和2b为依据图1所示的本发明装置的位移测量光路原理示意图，包括普通分光镜105、第一光路折回反射镜106、第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108、基准反射镜109、偏振分光镜104、第一检偏器103和第二检偏器110，图中所有光束都在y-z平面内展开。

入射光束包含两个频率不同的正交线偏振分量，分别为光束1和光束2，两个偏振方向分别用线段和圆圈标示；光束1和光束2进入普通分光镜105，光束1被分成反射光束3和透射光束7，光束2被分成反射光束4和透射光束8；光束3和光束4的偏振方向相互正交，二者进入偏振分光镜104，光束4反射形成第一参考光6，光束3透射形成第二参考光5；光束7和光束8被第一光路折回反射镜106反射后形成光束9和光束10，依次通过第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108，被基准反射镜109反射后再经两渥拉斯顿棱镜形成光束11和光束12，再次进入第一光路折回反射镜106并再次被反射后形成光束13和光束14；光束13和光束14的偏振方向相互正交，二者进入偏振分光镜104，光束13透射形成第一测量光15，光束14反射形成第二测量光16；第一参考光6和第一测量光15合成一束光，经第一检偏器103合成，由第一光电接收器转换成交流电信号，形成第一测量信号；第二参考光5和第二测量光16合成一束光，经第二检偏器110合成，由第二光电接收器转换成交流电信号，形成第二测量信号。

当由第一光路折回反射镜106和第一渥拉斯顿棱镜107组成的测量头沿平行于光路方向的移动量为Z时，第一渥拉斯顿棱镜107沿着平行于光束方向的移动，不引起任何光程变化，光束7和光束8、光束9和光束10、光束11和光束12、光束13和光束14的光程变化均等于第一渥拉斯顿棱镜107的移动量Z，所以光束15和光束16的光程变化大小相等、符号相同，都是4Z。

由于光束15和光束16的频率分别高于和低于光束6和光束5，或者分别低于和高于光束6和光束5，所以在光程差大小相等、符号相同的情况下，光束6和光束15形成的第一测量信号的相位变化与光束5和光束16形成的第二测量信号的相位变化大小相等、符号相反。两个测量信号的相位变化为：

式中：Z：位移

λ：激光波长

C₁、C₂：第一测量信号、第二测量信号的相位器测量值

用相位器112将参考信号分别和第一测量信号、第二测量信号进行相位比较等信号处理，可以得到C₁和C₂，由此可以得出位移测量的计算公式为：

式中：Z：位移

λ：激光波长

C₁、C₂：第一测量信号、第二测量信号的相位器测量值

此外，由上得出本发明所述装置还具有位移测量的光学倍频数为8倍频的优点。

图3a和3b为依据图1所示的本发明装置的直线度测量的光路原理示意图，同样包括普通分光镜105、第一光路折回反射镜106、第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108、基准反射镜109、偏振分光镜104、第一检偏器103和第二检偏器110。图3a所示光路在y-z平面内展开，图3b所示光路在x-z平面内展开。

当由第一光路折回反射镜106和第一渥拉斯顿棱镜107组成的测量头沿平行于分束平面、垂直于光路方向的移动量为X时，即直线度偏差为X，第一光路折回反射镜106在这个方向上的移动不引起任何光程变化，光束7和光束8、光束13和光束14的光程变化均不发生变化；光束9和光束10、光束11和光束12的光程变化只与两个渥拉斯顿棱镜之间的相对位置有关，而且二者光程变化的大小相等、符号相反，计算过程如下：

当第二渥拉斯顿棱镜108不动、第一渥拉斯顿棱镜107该方向的移动量为X时，光束9和光束11在两个渥拉斯顿棱镜中作为非寻常光的总光程增加tanβ·X，作为寻常光的总光程减少tanβ·X，其总光程变化为：

(n_e-n_o)tanβ·X

式中：X：直线度偏差

β：渥拉斯顿棱镜的顶角

n_e、n_o：非寻常光和寻常光的折射率

同样，光束10和光束12在两个渥拉斯顿棱镜中作为非寻常光的总光程减少tanβ·X，作为寻常光的总光程增加tanβ·X，其总光程变化为：

-(n_e-n_o)tanβ·X

因此，光束15和光束16的总光程变化大小相等、符号相反，分别是：

2(n_e-n_o)tanβ·X、-2(n_e-n_o)tanβ·X

由于光束15和光束16的频率分别高于和低于光束6和光束5，或者分别低于和高于光束6和光束5，所以在光程差大小相等、符号相反的情况下，光束6和光束15形成的第一测量信号的相位变化与光束5和光束16形成的第二测量信号的相位变化大小相等、符号相同。两个测量信号的相位变化为：

式中：X：直线度偏差

λ：激光波长

β：渥拉斯顿棱镜的顶角

n_e、n_o：非寻常光和寻常光的折射率

C₁、C₂：第一测量信号、第二测量信号的相位器测量值

用相位器112将参考信号分别和第一测量信号、第二测量信号进行相位比较等信号处理，可以得到C₁和C₂，由此可以得出直线度偏差的计算公式为：

式中：X：直线度偏差

λ：激光波长

β：渥拉斯顿棱镜的顶角

n_e、n_o：非寻常光和寻常光的折射率

C₁、C₂：第一测量信号、第二测量信号的相位器计数值

本发明所述的激光直线度和位移的测量装置也可以称作是同时测量位移和直线度的双频激光干涉仪。其另一种优选结构如图4所示，包括双频激光器光源101、设置在该双频激光器光源101发射端的光路轴线上的双功能分光镜204，设置在该双功能分光镜204的反射方向的第二光路折回反射镜205，依次设置在该双功能分光镜204的透射方向的第一光路折回反射镜106、第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108和基准反射镜109，分别设置在双功能分光镜204的反射光路和透射光路上的第一检偏器103和第一光电接收器102、第二检偏器110和第二光电接收器111，与双频激光器光源101、第一光电接收器102和第二光电接收器111相连的相位器113，以及计算机112。

图4所示结构与图1所示实施例的结构相比，区别在于图1采用普通分光镜105和偏振分光镜104这两个独立部件；而图4采用双功能分光镜204和第二光路折回反射镜205，该双功能分光镜204将自身的分光平面的不同部分进行镀膜，其中一部分镀膜形成普通分光镜，另一部分形成偏振分光镜，普通分光镜的参考光路上设置有第二光路折回反射镜205，该第二光路折回反射镜205为沿任意角度入射的入射光与第二光路折回反射镜205反射后的光路折回光方向相反且相互平行的器件，普通分光镜还设置在从第二光路折回反射镜205反射后返回的光路上。双功能分光镜204位于第一光路折回反射镜106的第二反射光路上，实质上是偏振分光镜设置在第一光路折回反射镜106的第二反射光路上，该偏振分光镜的两个出光方向上分别依次连接检偏器和光电接收器。该实施例是双功能分光镜204反射形成参考光路，透射形成测量光路；当然，还可以设置双功能分光镜204反射形成测量光路，透射形成参考光路，即第二光路折回反射镜205设置在双功能分光镜204的透射方向，而第一光路折回反射镜106、第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108和基准反射镜109均设置在双功能分光镜204的反射方向。

图4所示的本发明装置的具体工作过程为：双功能分光镜204的分光平面被镀膜分为普通分光镜和偏振分光镜这两部分，双频激光器光源101发出的两个频率不同的正交线偏振光先投射到普通分光镜上，被分为反射和透射两束，这两束光中均包含两个正交的线偏振分量，其中一束作为参考光，另一束作为测量光；参考光被第二光路折回反射镜205反射后，进入偏振分光镜，其中包含的两个正交线偏振光被分开成两束，分别成为第一参考光和第二参考光；测量光被第一光路折回反射镜106反射后，依次通过第一渥拉斯顿棱镜107和第二渥拉斯顿棱镜108，变成两束平行光，这两束平行光经基准反射镜109反射后，返回光与入射光方向相反、相互平行、相互间隔一段距离，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜108和第一渥拉斯顿棱镜107，又变成一束光，再次被第一光路折回反射镜106反射后，进入偏振分光镜，其中包含的两个正交线偏振光被分开成两束，分别成为第一测量光和第二测量光；第一参考光与第一测量光合成一束，通过第一检偏器103进行合成，由第一光电接收器102接收，转换成交流电信号，形成第一测量信号；第二参考光与第二测量光合成一束，通过第二检偏器110进行合成，由第二光电接收器111接收，转换成交流电信号，形成第二测量信号。

第一光路折回反射镜106平行于光路方向的移动会使第一测量信号和第二测量信号相对于参考信号间的相位发生相反的变化，用相位器113将参考信号分别和第一测量信号、第二测量信号进行相位比较，将结果送到计算机112进行数据处理，就可得到第一光路折回反射镜106的移动量，即测量头的位移。位移测量的计算公式为：

式中：Z：位移

λ：激光波长

C₁、C₂：第一测量信号、第二测量信号的相位器测量值

第一渥拉斯顿棱镜107平行于分光平面、垂直于光路方向上的移动会使第一测量信号和第二测量信号相对于参考信号间的相位发生相同的变化，用相位器113将参考信号分别和第一测量信号、第二测量信号进行相位比较，将结果送到计算机112进行数据处理，就可得到第一渥拉斯顿棱镜107的移动量，即导轨的直线度偏差。直线度偏差的计算公式为：

式中：X：直线度偏差

λ：激光波长

β：渥拉斯顿棱镜的顶角

n_e、n_o：非寻常光和寻常光的折射率

C₁、C₂：第一测量信号、第二测量信号的相位器计数值

采用本发明所述装置进行位移和直线度测量包括以下步骤（以图1为例）：

1、采用双频激光器光源101作光源，该双频激光器光源101输出两个频率不同、光频稳定、相互正交的线偏振光，同时输出频率等于二者频率之差的参考信号；

2、从该光源出射的正交线偏振光通过普通分光镜105后分成反射光和透射光两部分光，每部分光中均包含两个正交的线偏振分量；

3、第一部分光（可以是反射光或透射光）作为参考光进入偏振分光棱镜104，两个正交的线偏振光被分成为反射光和透射光两部分，分别成为第一参考光和第二参考光；

4、第二部分光（可以是反射光或透射光）作为测量光经第一光路折回反射镜106反射后，通过第一渥拉斯顿棱镜107，其中的两个偏振分量被分成为夹有一小角度的两束光，再通过第二渥拉斯顿棱镜108，变成两束平行光；

5、该两束平行光被基准反射镜109反射后，此时的反射光仍为两束平行光，并且与入射光间隔一段距离，该反射光再依次通过第二渥拉斯顿棱镜108和第一渥拉斯顿棱镜107后又变成一束光；

6、该束光经第一光路折回反射镜106反射后，进入偏振分光棱镜104，两个正交的线偏振光被分成为透射光和反射光两部分，分别成为第一测量光和第二测量光；

7、第3步骤所述的第一参考光与第6步骤所述的第一测量光合成一束光，经过第一检偏器103进行合成，由第一光电接收器102接收，形成第一测量信号；

8、第3步骤所述的第二参考光与第6步骤所述的第二测量光合成一束光，经过第二检偏器110进行合成，由第二光电接收器111接收，形成第二测量信号；

9、将第1步骤所述的双频激光器光源101输出的参考信号、第7步骤所述的第一测量信号和第8步骤所述的第二测量信号送入相位器113进行相位比较，得到第一测量信号和第二测量信号相对于参考信号的相位变化。当第一光路折回反射镜106沿着平行于光线传播方向有移动时，二者的相位变化之差就反映了该移动量，即测量头的位移；

10、将第1步骤所述的双频激光器光源101输出的参考信号、第7步骤所说的第一测量信号和第8步骤所说的第二测量信号送入相位器113进行相位比较，得到第一测量信号和第二测量信号相对于参考信号的相位变化。当第一渥拉斯顿棱镜107在沿着平行于分束平面、垂直于光线传播方向移动时，二者的相位变化之和就反映了该移动量，即该方向上的直线度偏差；

11、同时实施第9步骤和第10步骤，就可以同时测量位移和直线度。也就是说测量头在沿着平行于光线传播方向移动时移动量Z，通常为远距离移动，在移动过程中会产生平行于分束平面、垂直于光线传播方向移动分量，故在测量位移的同时也可以测得在导轨的水平方向X或垂直方向Y上的直线度。

若要得到两个方向上的激光直线度，则在得到水平方向或垂直方向的直线度后，将光路进行一次调整，再进行测量即可得到垂直方向或水平方向的直线度。当基准反射镜109采用如图5f所示的直角棱镜时，直角棱镜只在一个方向上具有光路漂移自适应特性，而在垂直的另一个方向上不具备自适应性。例如，对于棱线水平放置的直角棱镜来说，当入射光光束因外界空气扰动等因素发生水平面内的角度漂移时，经直角棱镜反射后的返回光在水平面内的出射角将在相反的方向上偏移同样的角度，这样入射光和出射光由于角度漂移引起的额外相位变化大小相等，方向相反，相互抵消，因此该直角棱镜在水平方向上即具有角漂自适应特性。而对于垂直平面内的角度漂移，出射光将在垂直面内往相同的方向偏移同样的角度，因此该角度漂移造成的额外相位变化不能相互抵消，即在垂直方向上不具备角漂自适应特性。所以对于垂直方向的直线度测量，需要把直角棱镜旋转90度，即使其棱线沿竖直面放置。直角棱镜旋转后光路上的两个渥拉斯顿棱镜、两个检偏器和两个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。即在完成某方向的直线度测量后，需调整光路，将第一渥拉斯顿棱镜107、第二渥拉斯顿棱镜108、基准反射镜109（直角棱镜）、偏振分光镜104、第一检偏器103和第一光电接收器102、第二检偏器110和第二光电接收器111均进行90度旋转，再进行垂直的另一方向的直线度测量。当基准反射镜109采用如图5a-5d所示的平移反射镜时，由于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，也无需旋转偏振分光镜、两检偏器和两光电接收器这些器件，只需要旋转两个渥拉斯顿棱镜即可，第一渥拉斯顿棱镜107可以通过螺纹旋转部件安装在测量头上，第二渥拉斯顿棱镜108也可以通过另一螺纹旋转部件安装在激光头上，这样，在完成某方向的直线度测量后，需调整光路，将第一渥拉斯顿棱镜107和第二渥拉斯顿棱镜108进行90度旋转，而其它部件不动，即可再进行垂直的另一方向的直线度测量，从而完成位移测量以及水平和垂直方向上的直线度测量。当基准反射镜109采用如图5e所示的分离反射镜时，由于分离反射镜在相互垂直的两个方向上也都具有光路漂移自适应功能，故与采用平移反射镜相同，在测量垂直的另一方向的直线度时也只需旋转第一渥拉斯顿棱镜107和第二渥拉斯顿棱镜108即可。本发明所述装置大大简化了调节过程，缩减了调节时间，提高了调节效率，并提高了测量结果的稳定性，减小了测量误差，保证了测量精度。

Claims (10)

1.一种激光直线度和位移的测量装置，包括双频激光器光源和设置在所述双频激光器光源发射端的光路轴线上的普通分光镜，所述普通分光镜透射后形成测量光路且反射后形成参考光路，或所述普通分光镜反射后形成测量光路且透射后形成参考光路，其特征在于，在普通分光镜的测量光路上设置有第一光路折回反射镜，在第一光路折回反射镜的第一反射光路上依次设置有第一渥拉斯顿棱镜、第二渥拉斯顿棱镜和基准反射镜，所述第二渥拉斯顿棱镜、第一渥拉斯顿棱镜和第一光路折回反射镜还依次位于从基准反射镜反射后返回光的光路上，所述第一光路折回反射镜为沿任意角度入射的入射光与第一光路折回反射镜反射后的光路折回光方向相反且相互平行的器件，所述基准反射镜反射后返回光与沿基准反射镜的特征方向入射的入射光方向相反、相互平行且间隔一段距离；在第一光路折回反射镜的第二反射光路上设置有偏振分光镜，所述偏振分光镜还位于所述普通分光镜的参考光路上，所述偏振分光镜的两个出光方向的每个出光方向上均依次设置检偏器和光电接收器，所述两个光电接收器连接信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的激光直线度和位移的测量装置，其特征在于，所述普通分光镜和偏振分光镜为两个独立部件或由双功能分光镜一个部件的不同部分镀膜而成；当是双功能分光镜时，所述双功能分光镜一部分镀膜形成普通分光镜，另一部分形成偏振分光镜，所述普通分光镜的参考光路上设置有第二光路折回反射镜，所述第二光路折回反射镜为沿任意角度入射的入射光与第二光路折回反射镜反射后的光路折回光方向相反且相互平行的器件，所述普通分光镜还设置在从第二光路折回反射镜反射后返回的光路上。

3.根据权利要求1或2所述的激光直线度和位移的测量装置，其特征在于，所述第一光路折回反射镜为猫眼反射镜或具有三个法线相互垂直的反射面的器件；所述猫眼反射镜具有一个会聚透镜和一个设置在该透镜焦平面上的反射镜。

4.根据权利要求3所述的激光直线度和位移的测量装置，其特征在于，当所述第一光路折回反射镜为具有三个法线相互垂直的反射面的器件时，所述第一光路折回反射镜为角锥棱镜。

5.根据权利要求1或2所述的激光直线度和位移的测量装置，其特征在于，所述基准反射镜为平移反射镜，所述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之间距离恒定，所述距离不随入射光平移而改变。

6.根据权利要求5所述的激光直线度和位移的测量装置，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。

7.根据权利要求6所述的激光直线度和位移的测量装置，其特征在于，所述平移反射镜包括三个平面反射镜；或所述平移反射镜包括一个平面反射镜和一个五角棱镜。

8.根据权利要求1或2所述的激光直线度和位移的测量装置，其特征在于，所述基准反射镜为分离反射镜，所述分离反射镜为具有一个反射面和两个折射面且入射光和反射光相互分开一定的距离的器件，当入射光沿分离反射镜的特征方向入射时，分离反射镜反射后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。

9.根据权利要求1或2所述的激光直线度和位移的测量装置，其特征在于，所述基准反射镜为直角棱镜。

10.根据权利要求1或2所述的激光直线度和位移的测量装置，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，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。