CN103791858B - 用于小角度测量的共光路激光干涉装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小角度测量的共光路激光干涉装置及测量方法。装置包括玻璃平板、角锥棱镜、发射准直光束的干涉仪的内部光路系统、内部光路系统直线滑移座和与目标固定的目标直线滑移座，所述内部光路系统装设于内部光路系统直线滑移座上，所述玻璃平板和角锥棱镜组装于目标直线滑移座上，所述玻璃平板的前后两个表面具有楔角α，所述玻璃平板的前表面与内部光路系统发出的准直光束垂直，所述角锥棱镜的对称轴与所述玻璃平板的光轴重合。测量方法包括用上述的装置同时测量直线运动目标的偏摆角和俯仰角的方法，以及用上述的装置同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角的方法。本发明具有结构简单、分辨率高、精度高、抗干扰能力强的优点。

Description

用于小角度测量的共光路激光干涉装置及测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其涉及一种用于小角度测量的共光路激光干涉装置及测量方法。

背景技术

小角度测量在精密、超精密加工机床与测量设备中具有非常重要的意义和作用，是机床设备的几何精度测定、补偿以及校准的重要内容之一。角度测量有机械式、光电式等多种方法，其中光学测量方法以其高分辨率和高精度在小角度测量方面获得了越来越广泛的应用，尤以光学自准直法和激光干涉法为代表。

光学自准直法主要由自准直仪和平面反射镜组成，反射镜通常安装在被测物体如机床运动部件上，当存在小角度扰动时，反射镜反射准直光进入自准直仪后的像点位置发生偏离，偏离量与自准直仪的两倍焦距之比就是被测的小角度值。自准直法的测角分辨率取决于焦距和CCD的分辨率，测量不确定度已经突破0.1″。

激光干涉法是根据迈克尔逊（Michelson）干涉仪原理，将被测角度转化为测试光束与参考光束的光程差变化来测量。其中参考光束所在的参考臂通常在干涉仪内部，而测试光束所在的测试臂则由安装在被测运动物体上的反射光学元件构成。由于采用激光干涉原理，角度测量的分辨率和精度都很高，但是测试臂易受到环境干扰，影响测量稳定性。Renishaw（雷尼绍）公司和Agilent（安捷伦）公司的角度干涉仪均采用潜望镜结构，将准直光束分为两束平行的参考光和测试光，利用双角锥反射镜上的两个角锥分别反射回来后发生干涉，当双角锥反射镜受到小角度扰动时，两束光的光程差将发生变化，据此测得角度值。由于两束光具有共光路特点，可以显著提高激光干涉法的抗干扰性能。该方法的缺点是只能测得一个方向的倾斜角度值，即绕两束平行光轴线所在平面法向旋转的方向。若需测量另一个方向的倾斜角度值，还需将双角锥反射镜反转90°后重新测量。

上述方法只适用于反射镜在垂直于光轴的平面内的两维倾斜角度测量，通常反射镜安装在被测物体上作直线运动，运动方向与自准直仪或干涉仪的光轴一致，因而测得的是物体运动时的偏摆与俯仰角度，而滚转角度无法测量。

公告号为CN102654392A的中国专利文献公开了“一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法”，采用双频激光器、1/2波片、两个角锥棱镜阵列等构成检测系统，通过探测滚转引起的测量信号相对参考信号的相位变化计算滚转角度值。公告号为CN101339012A的中国专利文献公开了“一种基于光栅的滚转角测量方法与装置”，利用光栅的衍射产生两束聚焦光，通过检测滚转引起的两束光的光点位置变化来获得滚转角度值，因测量具有非线性而影响精度提高。公告号为CN101846506A的中国专利文献公开了一种“基于共路平行光线的滚转角测量方法”，利用两个角锥棱镜探测滚转引起的光束位置变化，并且具有共路特点，提高抗干扰性。公告号为CN101650166A的中国专利文献公开了一种“用于测量微滚转角的激光干涉系统”，利用两个1/4波片、角隅棱镜、双楔形棱镜和双楔形反射镜构成探测滚转一起的光线位置变化的系统，分辨率和精度较高。上述方法可达到亚角秒级滚转角度的测量分辨率，但是主要缺点是光学测量系统过于复杂，对准困难，精度也因此易受影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种分辨率高、精度高、结构简单、抗干扰能力强的用于小角度测量的共光路激光干涉装置及测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于小角度测量的共光路激光干涉装置，包括玻璃平板、角锥棱镜、发射准直光束的干涉仪的内部光路系统、内部光路系统直线滑移座和与目标固定的目标直线滑移座，所述内部光路系统装设于内部光路系统直线滑移座上，所述玻璃平板和角锥棱镜组装于目标直线滑移座上，所述玻璃平板的前后两个表面具有楔角α，所述玻璃平板的前表面与内部光路系统发出的准直光束垂直，所述角锥棱镜的对称轴与所述玻璃平板的光轴重合。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述玻璃平板前表面的面形误差要求峰谷值小于λ/10，λ为激光光源的波长，且楔角α取值范围为，10′≤α≤20′。

所述角锥棱镜的三个正交表面之间的角度误差小于2″。

所述角锥棱镜与玻璃平板之间的间隙10mm～100mm。

所述干涉仪为斐索型激光干涉仪，所述内部光路系统将干涉图成像到CCD像面上。

一种用上述的用于小角度测量的共光路激光干涉装置同时测量直线运动目标的偏摆角和俯仰角的方法，包括以下步骤：

S1：调整所述目标直线滑移座使其上的玻璃平板和角锥棱镜与目标同步运动，调整所述内部光路系统，使发出的准直光束与目标的直线运动方向一致；

S2：调整所述玻璃平板与角锥棱镜的位置和姿态，使得所述玻璃平板的前表面与准直光束垂直，干涉图为零条纹或对称条纹；

S3：所述目标直线滑移座带动玻璃平板与角锥棱镜跟随目标沿准直光束方向作直线运动，到达下一个位置后，目标的偏摆或俯仰引起所述玻璃平板前表面相对准直光束倾斜，对应干涉图呈现横条纹或竖条纹；

S4：根据光程差计算得到相应的偏摆角和俯仰角；

S5：重复S2、S3、S4，直到目标已经到达整个运动行程的终点，得到整个运动行程上目标相对初始位置的偏摆角和俯仰角。

一种用上述的用于小角度测量的共光路激光干涉装置同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角的方法，包括以下步骤：

S1：调整所述目标直线滑移座使其上的玻璃平板和角锥棱镜与目标同步运动，调整内部光路系统直线滑移座使其能以与目标直线滑移座相等的运动步距平行运动，使内部光路系统发出的准直光束与目标的直线运动方向垂直，且准直光束的口径不小于玻璃平板的口径与测量步距之和；

S2：调整所述玻璃平板与角锥棱镜的位置和姿态，使得所述玻璃平板的前表面与准直光束垂直，干涉图为零条纹或对称条纹，且位于内部光路系统的CCD像面上偏与目标运动方向反向的位置；

S3：所述目标直线滑移座带动玻璃平板与角锥棱镜跟随目标沿准直光束方向作直线运动，经过一个步距后到达下一个位置，目标的偏摆或俯仰引起所述玻璃平板前表面相对准直光束倾斜，对应干涉图呈现横条纹或竖条纹，且位于内部光路系统的CCD像面上偏与目标运动方向同向的位置；

S4：根据光程差计算得到目标相对准直光束的滚转角和偏摆角；

S5：所述内部光路系统直线滑移座沿目标的运动方向作直线运动，运动步距等于目标直线滑移座的运动步距；

S6：重复S2、S3、S4和S5，直到目标已经到达整个运动行程的终点，根据相对值代数相加的原理，得到整个运动行程上目标相对初始位置的滚转角和偏摆角。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的用于小角度测量的共光路激光干涉装置，结构简单，光路容易对准；基于激光波面干涉原理，角度测量的分辨率和精度都很高，并且采用测试光束与参考光束对称共光路的结构形式，可显著减小振动或气流扰动等环境因素的影响，特别是光轴方向的振动没有影响；可以灵活应用，既能用于同时测量目标直线运动时的偏摆角和俯仰角，也能用于同时测量目标直线运动时的滚转角和偏摆角。本发明的用上述装置同时测量直线运动目标的偏摆角和俯仰角的方法以及同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角的方法，流程简单，容易操作，有助于提高测量精度。

附图说明

图1是本发明用于小角度测量的共光路激光干涉装置的结构示意图。

图2是本发明的共光路示意图。

图3是本发明的入射准直光束与玻璃平板垂直的状态示意图。

图4是本发明的入射准直光束与玻璃平板垂直时的成像图。

图5是本发明的入射准直光束相对玻璃平板倾斜的状态示意图。

图6是本发明的入射准直光束相对玻璃平板倾斜时的成像图。

图7是本发明同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角时装置的布置结构示意图。

图8是本发明同时测量直线运动目标的偏摆角和俯仰角的方法流程图。

图9是本发明同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角的方法流程图。

图10是本发明同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角时的成像示意图。

图中各标号表示：

1、玻璃平板；2、角锥棱镜；3、内部光路系统；4、目标直线滑移座；5、内部光路系统直线滑移座；11、前表面；12、后表面；13、距离；21、棱镜前表面；61、第一测试光线；62、第二测试光线。

具体实施方式

图1至图7示出了本发明的一种用于小角度测量的共光路激光干涉装置的实施例，该装置包括玻璃平板1、角锥棱镜2、发射准直光束的干涉仪的内部光路系统3、内部光路系统直线滑移座5和与目标固定的目标直线滑移座4，内部光路系统3装设于内部光路系统直线滑移座5上，玻璃平板1和角锥棱镜2组装于目标直线滑移座4上，玻璃平板1的前表面11和后表面12之间具有楔角α，玻璃平板1的前表面与内部光路系统3发出的准直光束垂直，角锥棱镜2的对称轴与玻璃平板1的光轴重合，或角锥棱镜2的棱镜前表面21与玻璃平板1的后表面12平行。本发明的用于小角度测量的共光路激光干涉装置，结构简单，光路容易对准；基于激光波面干涉原理，角度测量的分辨率和精度都很高，并且采用测试光束与参考光束对称共光路的结构形式，可显著减小振动或气流扰动等环境因素的影响，特别是光轴方向的振动没有影响；可以灵活应用，既能用于同时测量目标直线运动时的偏摆角和俯仰角（如图1所示），也能用于同时测量目标直线运动时的滚转角和偏摆角（如图7所示）。

本实施例中，玻璃平板1前表面的面形误差要求峰谷值小于λ/10，λ为激光光源的波长。且楔角α取值范围为，10′≤α≤20′，本实施例中取15′，以确保准直光束分别被前后两个表面反射并经过内部光路系统3后在CCD像面上形成的光斑能够被充分分开。角锥棱镜2的三个正交表面之间的角度误差小于2″，本实施例中为1″。角锥棱镜2与玻璃平板1之间的间隙通常取10mm～100mm，本实施例中为80mm，角锥棱镜2与玻璃平板1之间的间隙尽量小以提高抗干扰能力。干涉仪为斐索（Fizeau）型激光干涉仪，内部光路系统3能够发射准直激光束，并将参考光束与测试光束形成的干涉图成像到CCD像面上，利用斐索型激光干涉仪的干涉图采集与处理方法，获得测试光束与参考光束的光程差。

如图3和图5所示，干涉仪的内部光路系统3发出准直光束，其中一条光线的一部分被玻璃平板1的前表面11反射形成第一参考光线，另一部分透过玻璃平板1后被角锥棱镜2反射形成第一测试光线61，第一测试光线61在玻璃平板前表面11上的出射位置与其入射位置关于角锥棱镜的中心轴线对称。另一条光线则由第一测试光线61的出射位置入射到玻璃平板1的前表面11上，一部分被玻璃平板1的前表面11反射形成第二参考光线，另一部分透过玻璃平板1后被角锥棱镜2反射形成第二测试光线62，第二测试光线62在玻璃平板1的前表面11上的出射位置与第一参考光线的位置重合。第一测试光线61与第二参考光线、第二测试光线62与第一参考光线在玻璃平板1的前表面11处相遇发生干涉。

如图3所示，当测试光束垂直入射到玻璃平板前表面11上时，第一测试光线61与第二参考光线的光程差等于第二测试光线62与第一参考光线的光程差，并且在任意位置，测试光线与对应的参考光线的光程差都相等，因此干涉图将呈现零条纹（如图4所示），实际应用时如果角锥棱镜2本身存在误差，则会呈现对称分布的条纹。

如图5所示，当测试光束倾斜入射到玻璃平板前表面11上时，入射光线相对玻璃平板1的前表面11的入射角度为θ，记第一测试光线61与第二参考光线的光程差为OPD1，第二测试光线62与第一参考光线的光程差为OPD2，则OPD1-OPD2=lsinθ，其中l为两条光线61、62的入射点的距离13。此时干涉图将呈现水平直条纹（如图6所示）。内部光路系统3将干涉图成像到CCD像面上进行采集和分析，利用斐索型激光干涉仪的干涉图采集与处理方法，获得测试光束与参考光束的光程差OPD，从而计算得到准直光束相对玻璃平板1的倾斜角度值θ=OPD/l。

为了提高测量精度，可引入移相干涉测量技术，例如将玻璃平板1安装在压电陶器驱动器上，而角锥棱镜2与之分离，通过压电陶瓷输出微位移，可沿光轴实现机械移相。

图8示出了本发明的一种用上述实施例的用于小角度测量的共光路激光干涉装置同时测量直线运动目标的偏摆角和俯仰角的方法实施例，包括以下步骤：

S1：调整目标直线滑移座4使其上的玻璃平板1和角锥棱镜2与目标同步运动，调整内部光路系统3，使发出的准直光束与目标的直线运动方向一致；

S2：调整玻璃平板1与角锥棱镜2的位置和姿态，使得玻璃平板1的前表面与准直光束垂直，干涉图为零条纹或对称条纹；

S3：目标直线滑移座4带动玻璃平板1与角锥棱镜2跟随目标沿准直光束方向作直线运动，到达下一个位置后，目标的偏摆或俯仰引起玻璃平板1前表面相对准直光束倾斜，对应干涉图呈现横条纹或竖条纹；

S4：根据光程差计算得到相应的偏摆角和俯仰角；

S5：重复S2、S3、S4，直到目标已经到达整个运动行程的终点，得到整个运动行程上目标相对初始位置的偏摆角和俯仰角。

图9示出了本发明的一种用上述实施例的用于小角度测量的共光路激光干涉装置同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角的方法实施例，包括以下步骤：

S1：调整目标直线滑移座4使其上的玻璃平板1和角锥棱镜2与目标同步运动，调整内部光路系统直线滑移座5使其能以与目标直线滑移座4相等的运动步距平行运动，使内部光路系统3发出的准直光束与目标的直线运动方向垂直，且准直光束的口径不小于玻璃平板1的口径与测量步距之和；

S2：调整玻璃平板1与角锥棱镜2的位置和姿态，使得玻璃平板1的前表面与准直光束垂直，干涉图为零条纹或对称条纹，且位于内部光路系统3的CCD像面上偏与目标运动方向反向的位置（如图10中实线所示）；

S3：目标直线滑移座4带动玻璃平板1与角锥棱镜2跟随目标沿准直光束方向作直线运动，经过一个步距后到达下一个位置，目标的偏摆或俯仰引起玻璃平板1前表面相对准直光束倾斜，对应干涉图呈现横条纹或竖条纹，且位于内部光路系统3的CCD像面上偏与目标运动方向同向的位置（如图10中虚线所示）；

S4：根据光程差计算得到目标相对准直光束的滚转角和偏摆角；

S5：内部光路系统直线滑移座5沿目标的运动方向作直线运动，运动步距等于目标直线滑移座4的运动步距；

S6：重复S2、S3、S4和S5，直到目标已经到达整个运动行程的终点，根据相对值代数相加的原理，得到整个运动行程上目标相对初始位置的滚转角和偏摆角。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种用于小角度测量的共光路激光干涉装置，其特征在于：包括玻璃平板（1）、角锥棱镜（2）、发射准直光束的干涉仪的内部光路系统（3）、内部光路系统直线滑移座（5）和与目标固定的目标直线滑移座（4），所述内部光路系统（3）装设于内部光路系统直线滑移座（5）上，所述玻璃平板（1）和角锥棱镜（2）组装于目标直线滑移座（4）上，所述玻璃平板（1）的前后两个表面具有楔角α，所述玻璃平板（1）的前表面与内部光路系统（3）发出的准直光束垂直，所述角锥棱镜（2）的对称轴与所述玻璃平板（1）的光轴重合；

所述玻璃平板（1）前表面的面形误差要求峰谷值小于λ/10，λ为激光光源的波长，且楔角α取值范围为，10′≤α≤20′。

2.根据权利要求1所述的用于小角度测量的共光路激光干涉装置，其特征在于：所述角锥棱镜（2）的三个正交表面之间的角度误差小于2″。

3.根据权利要求1所述的用于小角度测量的共光路激光干涉装置，其特征在于：所述角锥棱镜（2）与玻璃平板（1）之间的间隙为10mm～100mm。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于小角度测量的共光路激光干涉装置，其特征在于：所述干涉仪为斐索型激光干涉仪，所述内部光路系统（3）将干涉图成像到CCD像面上。

5.一种用如权利要求1至4中任一项所述的用于小角度测量的共光路激光干涉装置同时测量直线运动目标的偏摆角和俯仰角的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：调整所述目标直线滑移座（4）使其上的玻璃平板（1）和角锥棱镜（2）与目标同步运动，调整所述内部光路系统（3），使发出的准直光束与目标的直线运动方向一致；

S2：调整所述玻璃平板（1）与角锥棱镜（2）的位置和姿态，使得所述玻璃平板（1）的前表面与准直光束垂直，干涉图为零条纹或对称条纹；

S3：所述目标直线滑移座（4）带动玻璃平板（1）与角锥棱镜（2）跟随目标沿准直光束方向作直线运动，到达下一个位置后，目标的偏摆或俯仰引起所述玻璃平板（1）前表面相对准直光束倾斜，对应干涉图呈现横条纹或竖条纹；

S4：根据光程差计算得到相应的偏摆角和俯仰角；

S5：重复S2、S3、S4，直到目标已经到达整个运动行程的终点，得到整个运动行程上目标相对初始位置的偏摆角和俯仰角。

6.一种用如权利要求1至4中任一项所述的用于小角度测量的共光路激光干涉装置同时测量直线运动目标的滚转角和偏摆角的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：调整所述目标直线滑移座（4）使其上的玻璃平板（1）和角锥棱镜（2）与目标同步运动，调整内部光路系统直线滑移座（5）使其能以与目标直线滑移座（4）相等的运动步距平行运动，使内部光路系统（3）发出的准直光束与目标的直线运动方向垂直，且准直光束的口径不小于玻璃平板（1）的口径与测量步距之和；

S2：调整所述玻璃平板（1）与角锥棱镜（2）的位置和姿态，使得所述玻璃平板（1）的前表面与准直光束垂直，干涉图为零条纹或对称条纹，且位于内部光路系统（3）的CCD像面上偏与目标运动方向反向的位置；

S3：所述目标直线滑移座（4）带动玻璃平板（1）与角锥棱镜（2）跟随目标沿准直光束方向作直线运动，经过一个步距后到达下一个位置，目标的偏摆或俯仰引起所述玻璃平板（1）前表面相对准直光束倾斜，对应干涉图呈现横条纹或竖条纹，且位于内部光路系统（3）的CCD像面上偏与目标运动方向同向的位置；

S4：根据光程差计算得到目标相对准直光束的滚转角和偏摆角；

S5：所述内部光路系统直线滑移座（5）沿目标的运动方向作直线运动，运动步距等于目标直线滑移座（4）的运动步距；

S6：重复S2、S3、S4和S5，直到目标已经到达整个运动行程的终点，根据相对值代数相加的原理，得到整个运动行程上目标相对初始位置的滚转角和偏摆角。