CN106403824A - 一种基于光栅干涉仪的精密高度计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅干涉仪的精密高度计，包括传动结构、光栅干涉仪系统和显示装置。传动结构包括测量导轨、配重导轨、测头和配重，光栅干涉仪系统包括标尺光栅、光路干涉系统、光电检测单元以及信号处理单元。本发明可实现对小零件高度的测量，测量分辨率可达到50nm。本发明利用光栅干涉仪代替常用光栅传感器来研发具有纳米级分辨率的精密高度计，是一种能实现高精度、高分辨率的测量系统。

Description

一种基于光栅干涉仪的精密高度计

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，具体是一种基于光栅干涉仪的精密高度计。

背景技术

量具量仪是机械、光学零件计量测试的必备工具，也是产品质量的保证。高度计是测量长度的通用指示类量具，在产品质量检测中广泛应用。通常使用的高度计普遍是利用光栅传感器，光栅传感器的精度取决于光栅尺的栅距和信号的电子细分，光栅尺的栅距通常为20um、40um或者60um，其原始光电信号输出和栅距相同，基于光栅尺的高度计其分辨率取决于电子细分技术，在高精度应用场合如亚微米甚至纳米测量中其精度难以保证，高精度的高度计往往采取繁琐的精度标定来实现高精度测量，如国内标普纳米测控技术有限公司生产的高度计基于光栅传感器，其采用的是严格计算差值补偿的方法，这种方法必须具有高精度的零点和信号一致性，频繁的使用导致零点和信号一致性降低，从而导致精度下降。

针对目前精密工程的不断进步，超精密加工已实现亚微米甚至纳米精度，超精密零件必须使用精度等级更高更稳定的计量器具进行检测，基于光栅传感器的高度计难以可靠实现在纳米精度量级的工件的检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光栅干涉仪的精密高度计，以解决现有技术位移测量技术中传统高度计难以实现高精度测量、分辨率低的技术问题，采用光栅干涉仪作为光学读数头，以光栅栅距作为测量基准，提高了高度计的测量精度与重复性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：包括垂直设置的测量柱，测量柱前侧面垂直安装有测量导轨，测量导轨和配重导轨上滑动装配有滑块，由配重导轨、测量导轨、配重构成传动结构；

测量柱前侧面位于导轨一侧还垂直安装有标尺光栅，所述滑块上固定有内有光路干涉系统的光学读数头，光学读数头前侧面垂直安装有测头，光学读数头与标尺光栅之间光学配合，还包括光电检测单元、信号处理单元，光学读数头中光路干涉系统输出与光电检测单元输入连接，光电检测单元输出与信号处理单元输入连接，由标尺光栅、光学读数头中的光路干涉系统、光电检测单元、信号处理单元构成光栅干涉仪系统；

测量柱外还设有显示装置，信号处理单元的输出与显示装置连接；

高度测量时，光学读数头随测头在垂直方向移动，光学读数头与光栅光学配合，由光路干涉系统产生发生干涉，产生两路相位相差90°的光干涉信号，两路光干涉信号输入到光电检测单元，将光干涉信号转换为电信号并对电信号进行差动放大、滤波，信号处理单元对信号进行非线性误差修正和相位细分后将测量结果传输出至显示装置。

所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱前方有水平设置的测量基准平台。

所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱后侧面垂直安装有配重导轨，配重导轨上通过滑块滑动安装有配重，配重重量与光学读数头、测头总重量匹配，测量柱顶端转动安装有滑轮机构，所述配重与光学读数头之间通过柔性钢丝连接，且柔索绕过测量柱顶端的滑轮机构。

所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，光路干涉系统包括半导体激光器、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第一平面反射镜、第三四分之一波片、第一角锥棱镜、第四四分之一波片、第一透镜、第二平面反射镜、第五四分之一波片、第一非偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器；

半导体激光器发出的一束激光通过第一偏振分光镜、第一四分之一波片后经过第二偏振分光镜分成互相垂直的两束光，一束光通过第二四分之一波片、第一反射镜反射后再次经过第二四分之一波片和第二偏振分光镜并沿激光发出光束垂直方向射出，射出后经过第四四分之一波片、第一透镜后聚焦在标尺光栅上；另一束通过第三四分之一波片、第一角锥棱镜反射后再次经过第三四分之一波片和第二偏振分光镜并沿激光发出光束垂直方向射出，射出后经过第四四分之一波片、第一透镜后聚焦在所述标尺光栅上；两束光在所述标尺光栅上发生反射衍射，经第二平面镜反射后在所述标尺光栅上发生二次衍射；经历二次衍射的两衍射光束按原来入射到所述标尺光栅的光路返回，一束经过第一透镜、第四四分之一波片、第二偏振分光镜、第三四分之一波片、第一角锥棱镜反射后再次经过第三四分之一波片、第二偏振分光镜后沿激光发出光束相反方向射出，另一束经过第一透镜、第四四分之一波片、第二偏振分光镜、第二四分之一波片后经第一反射镜反射后再次经过第二四分之一波片、第二偏振分光镜后沿激光发出光束相反方向射出，此时两束光重合并通过第一非偏振分光镜分为等值的两叠合光，再通过第三、第四偏振分光镜后取其在0度和45度的偏振方向上叠合产生两束相位相差90°的等值干涉光，由第一、第二光电探测器接收后作为测量信号传输至光电检测单元。

所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，光电检测单元包括光电转换单元、I/V转换滤波单元、差动放大单元，光电转换单元接收第一、第二光电探测器的光强信号并将光强信号转换为电信号，I/V转换滤波单元将光电转换电路输出的微弱的电流信号经过放大滤波后转换为电压信号，再由差动放大单元对电压信号进行差动放大，用来消除移动过程中弦波信号的直流飘移以及信号的共模噪声。

所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，信号处理单元包括由FPGA构建的数据采集及处理单元，光电检测单元输出的光电转换后的信号存在不等幅误差、直流电平漂移误差以及信号非正交误差，数据采集及处理单元利用海德曼模型实现信号误差修正。

本发明由于该系统以亚微米的光栅周期为基准，既克服了过分依靠电子细分带来的可靠性问题，又降低了对激光器性能的要求。因此具有分辨高、精度高、灵敏度高、成本低的特点。

在集成化光栅干涉仪的设计方面采用分光系统、圆偏振光干涉仪，有效提高了光学读数头与光栅之间的对位公差，从而提高了信号的稳定性。在光路设计上利用光栅二次衍射，在不进行电子细分的情况下提高了细分精度。信号处理基于FPGA利用海德曼模型对信号细分和误差实时修正。

本发明提出基于传统机械式高度计的机构形式，利用光栅干涉仪代替常用光栅传感器开发具有纳米级分辨率的精密高度计，为目前精度优于微米工件提供基本质量检测工具。光栅干涉仪采用高密度计量光栅为测量基准构建测量结构，测量系统输出信号不经过细分处理即可实现亚微米的精度，与传统光栅传感器主要依靠电子细分实现亚微米测量相比，具有更好的系统重复性。

附图说明

图1是本发明基于衍射光栅的精密高度计传动结构主视图。

图2是本发明基于衍射光栅的精密高度计传动结构侧视图。

图3是是本发明基于衍射光栅的精密高度计中光栅干涉仪系统框图。

图4是本发明基于衍射光栅的精密高度计中光学系统光路设计图。

图5是本发明基于衍射光栅的精密高度计中信号处理流程图。

图6是|T|<π、T>0、周期内正向移动范围图。

图7是|T|<π、T>0、周期内逆向移动范围图。

图8是|T|>π、T>0，反向移动一个周期范围图。

图9是|T|>0π、T<0，正向移动一个周期范围图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种基于光栅干涉仪的精密高度计，整个装置包括传动结构、光栅干涉仪系统和显示装置6。传动结构包括测量导轨2、配重导轨7和配重8。将光学读数头4安装在测量导轨2的滑块上，测头5与光学读数头4相连，因此在测量物体高度时，光学读数头4与标尺光栅3产生相对移动，进而测出物体高度。如图3所示为光栅干涉仪系统框图，光栅干涉仪包括光路干涉系统、光电检测单元以及信号处理单元，光电检测单元包括光电转换单元和I/V转换单元、差动放大单元，信号处理单元包括由FPGA构建的数据采集及处理单元，数据采集及处理单元中进行非线性误差修正和相位细分。如图4所示为光路干涉系统光路图，光学系统包括标尺光栅3、半导体激光器11、第一偏振分光镜12、第二偏振分光镜13、第三偏振分光镜14、第四偏振分光镜15、第一非偏振分光镜16、第一四分之一波片17、第二四分之一波片18、第三四分之一波片19、第四四分之一波片20、第五四分之一波片21、第一平面反射镜22、第二平面反射镜23、第一角锥棱镜24、第一透镜25、第一光电探测器26、第二光电探测器27。光干涉信号输入至光电检测单元，信号处理单元将测量结果传输至显示装置6。

如图1所示，本发明的一种基于光栅干涉仪的精密高度计的传动结构，测量导轨2安装在测量柱1前表面上，光学读数头4安装在测量导轨2的滑块上，测头5用螺丝安装在光学读数头4底部。标尺光栅3与光学读数头4相对放置，显示装置6放置在测量柱1左方。测量导轨2相对于标尺光栅3移动时，滑块带动光学读数头4以及测头5移动，因此，在测量物体高度时，测头5移动，进而使光学读数头4与标尺光栅3发生相对位移，测出物体高度并将高度值显示在显示装置6上。

如图2所示，在测量柱1后侧面与测量导轨2相同的位置上安装配重导轨7，测量导轨2与配重导轨7运行方向平行，在配重导轨7的滑块上安装有与测头5以及光学读数头4重量相匹配的配重8，光学读数头4和配重8通过柔性钢丝9相连，利用滑轮机构10实现光学读数头4和配重8的相对移动。通过控制光学读数头4和配重8的相对重量来保证测头5的测量力小于0.1N。保证了千分尺在使用过程中测头测量力适中。底座安装测量基准平台28来保证测量精度。

如图4所示，本发明光路干涉系统中，由半导体激光器11发出的一束激光通过第一偏振分光镜12后成为P偏振光，经过第一四分之一波片17后成为圆偏振光。经过第二偏振分光镜13后分成两束互相垂直的光(P偏振光和S偏振光)。对于S偏振光，经由第二偏振分光镜13的反射后，并在穿过第三四分之一波片19后变成左旋圆偏振光。这个左旋圆偏振光传递到第一角锥棱镜24，经过了三次完整的反射，再次通过第三四分之一波片19变为P偏振光。该P偏振光通过第二偏振分光镜13沿垂直于入射光束的方向进入。通过第四四分之一波片20后变为右旋圆偏振光。对于P偏振光，经过第二偏振分光镜13沿入射光方向经过第二四分之一波片18并由第一平面反射镜22反射后再次通过第二四分之一波片18变为S偏振光。它沿原光束方向返回后再次经过第二偏振分光镜13后反射，经过第四四分之一波片20后变为左旋圆偏振光。两束出射光经过第一透镜25聚焦至标尺光栅3上，在标尺光栅3上经历反射衍射。出射的右旋圆偏振光先产生-1级的衍射条纹，-1级衍射条纹经过第二平面反射镜23反射后再次在标尺光栅3上经历反射衍射，获得+1级衍射条纹，沿先前出射的右旋圆偏振光的方向经过第四四分之一波片20后变为S偏振光重新进入第二偏振分光镜13。出射的左旋圆偏振先产生+1级的衍射条纹，+1级衍射条纹经过第二平面反射镜23反射后再次在标尺光栅3上经历反射衍射，获得-1级衍射条纹，沿先前出射的左旋圆偏振光的方向经过第四四分之一波片20后变为P偏振光重新进入第二偏振分光镜13。两束光现在分别为S偏振光+1级条纹，P偏振光-1级条纹，S偏振光+1级条纹经第二偏振分光镜13反射经过第二四分之一波片18变为左旋圆偏振光，经过第一平面反射镜22反射后再次经过第二四分之一波片18变为P偏振光+1级条纹。P偏振光-1级条纹经过第三四分之一波片19后变为右旋圆偏振光经第一角锥棱镜24反射后再次经过第三四分之一波片19变为S偏振光-1级条纹。此时这两束光发生重合形成干涉光，干涉光先经过第五四分之一波片21，两束光分别变成右旋圆偏振光+1级衍射条纹和左旋圆偏振光-1级衍射条纹，再进入第一非偏振分光镜16分成两束等值的叠合光束，一束进入第三偏振分光镜14后取其在0度的偏振方向上叠合形成干涉光进入第一光电探测器26进行光强度的检测。而另一束叠合光进入第四偏振分光镜15取其在45度的偏振方向上叠合形成干涉进入第二光电探测器27进行光强度的检测。第一光电探测器与第二光电探测器接收的光干涉信号相位相差90度。

如图3所示，本发明光电检测单元包括两级电路，第一级是光电转换单元、I/V转换滤波单元，第一级将光干涉信号转换的微弱电流信号进行I/V放大并进行电容滤波，第二级是将两路电信号进行差动放大的差动放大单元，，这样可以减少光栅移动过程中弦波信号的直流飘移以及信号的共模噪声。

光电转换后的信号主要存在不等幅误差、直流电平漂移误差以及信号非正交误差，光电转换后的两路干涉信号可以表示为：

其中，为实际信号，R₁、R₂为两路信号的不等幅误差，p和q分别为两路信号的直流电平漂移误差；α为信号非正交误差，令

如图5所示为信号处理流程图，本发明信号处理单元是基于FPGA的信号误差补偿以及基于相位的正交信号细分，包括以下步骤：

步骤1)：FPGA初始化。

步骤2)：采集n组原始的sin、cos信号，创建存储队列存储每个采样点的数据。

步骤3)：数据预处理采用简单的滤波方式：将每10组采样点的数值相加求平均。

步骤4)：对数据进行筛选和存储操作，分为以下四个小步骤：

1)：首先计算相邻采样点对应移动的距离：(其中：a为空气折射率，λ为波长)，与设定的噪声阈值1nm(对应相位变化为0.00632rad)进行比较，当小于阈值时认为两次条纹变化是由噪声引起的，予以剔除；反之则认为是位移变化引起的，暂存数据，继续筛选；

2)：为了避免测头停止移动时重复记入数据，所以要判断测头是否停止移动：首先计算每个采样点的相对位移：其中fringe pause test设定为0，与设定的判断停止阈值2nm(对应相位变化为0.01264rad)进行比较，对暂存的100组数据进行筛选，若100组数据相对位移均小于2nm，则认为测头停止移动，不重复计数，即此100组数据均不计入存储队列；如果在100组数据中相对位移至少有一次大于2nm，则说明测头仍在移动，将相对位移大于2nm的暂存数据计入存储队列；

3)：实时判断存储队列是否满溢，若存储队列数据组数超过设定存储队列容量n，则将最先入队列的一组数据出队列，这里设定队列容量为n＝4000，每组数据包括3个变量：原始sin，原始cos，相位fringe。

4)在测头移动过程中可能会出现往返移动的情况，这时我们要在测头移动过程中实时保存max&min fringe，当测头由向前移动变为向后移动时，相位由大变小，此时将maxfringe之后的数据出列，当测头由向后移动变为向前移动时，相位由小变大，此时将minfringe之后的数据出列，这样可以减少非线性误差修正时的计算量。

步骤5)对采集数据中的原始信号进行最值索引，利用 可初步计算出原始信号的直流漂移，并对采集的每组数据进行直流漂移补偿。然后对采集的n组数据进行如下式计算。

已知海德曼误差修正的椭圆方程为：Ax²+By²+Cxy+Dx+Ey＝1,运用数学方法进行迭代，并求解线性方程，此式符合多元线性回归的形式,通过运算可以求出系数A,B,C,D,E的最佳值,根据计算结果反算出α、r、p、q、R，理想条件下的信号和实测信号之前存在以下关系：

将反算出的误差用作自定义控件输出，注意：直流漂移为初步计算的直流漂移与计算出的p，q的和。

步骤6)将校正后的正余弦信号进行反正切运算可以得到随时间变化的相位角，通过相位角的变化情况可以实现整周期计数和非整周期细分。对于整周期计数，如图a所示为相位随时间变化图像，当相位角出现跳变时整周期进行一次计数，根据测头移动方向不同跳变可分为正向跳变和反向跳变，设A为当前相位值，B为前一组采集数据的相位值，设定跳变判断阈值为π，设T＝A-B,如表1所示根据T值范围可以进行整周期计数。

表1T值范围表

情况1：如图6所示，|T|<π、T>0，相当于周期内正向移动，此时周期计数器N不变；

情况2：如图7所示，|T|<π、T<0，相当于周期内逆向移动，周期计数器N不变；

情况3：如图8所示，|T|>π、T>0，周期计数器N减1，π突变到+π表示反向移动一个周期。

情况4：如图9所示，|T|>0π、T<0，周期计数器N加1，+π突变到π表示正向移动一个周期。

对于非整周期细分，利用移位寄存器存储测量初始相位值θ_ori和测量终点相位值θ_fin，则非整周期细分值

步骤6)：测头移动位移的计算，通过对N和n的计算和存储求出位移

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：包括垂直设置的测量柱，测量柱前侧面垂直安装有测量导轨，测量导轨和配重导轨上滑动装配有滑块，由配重导轨、测量导轨、配重构成传动结构；

测量柱前侧面位于导轨一侧还垂直安装有标尺光栅，所述滑块上固定有内有光路干涉系统的光学读数头，光学读数头前侧面垂直安装有测头，光学读数头与标尺光栅之间光学配合，还包括光电检测单元、信号处理单元，光学读数头中光路干涉系统输出与光电检测单元输入连接，光电检测单元输出与信号处理单元输入连接，由标尺光栅、光学读数头中的光路干涉系统、光电检测单元、信号处理单元构成光栅干涉仪系统；

测量柱外还设有显示装置，信号处理单元的输出与显示装置连接；

高度测量时，光学读数头随测头在垂直方向移动，光学读数头与光栅光学配合，由光路干涉系统产生发生干涉，产生两路相位相差90°的光干涉信号，两路光干涉信号输入到光电检测单元，将光干涉信号转换为电信号并对电信号进行差动放大、滤波，信号处理单元对信号进行非线性误差修正和相位细分后将测量结果传输出至显示装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱前方有水平设置的测量基准平台。

3.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述传动结构中，测量柱后侧面垂直安装有配重导轨，配重导轨上通过滑块滑动安装有配重，配重重量与光学读数头、测头总重量匹配，测量柱顶端转动安装有滑轮机构，所述配重与光学读数头之间通过柔性钢丝连接，且柔索绕过测量柱顶端的滑轮机构。

4.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，光路干涉系统包括半导体激光器、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第一平面反射镜、第三四分之一波片、第一角锥棱镜、第四四分之一波片、第一透镜、第二平面反射镜、第五四分之一波片、第一非偏振分光镜、第三偏振分光镜、第四偏振分光镜、第一光电探测器、第二光电探测器；

半导体激光器发出的一束激光通过第一偏振分光镜、第一四分之一波片后经过第二偏振分光镜分成互相垂直的两束光，一束光通过第二四分之一波片、第一反射镜反射后再次经过第二四分之一波片和第二偏振分光镜并沿激光发出光束垂直方向射出，射出后经过第四四分之一波片、第一透镜后聚焦在标尺光栅上；另一束通过第三四分之一波片、第一角锥棱镜反射后再次经过第三四分之一波片和第二偏振分光镜并沿激光发出光束垂直方向射出，射出后经过第四四分之一波片、第一透镜后聚焦在所述标尺光栅上；两束光在所述标尺光栅上发生反射衍射，经第二平面镜反射后在所述标尺光栅上发生二次衍射；经历二次衍射的两衍射光束按原来入射到所述标尺光栅的光路返回，一束经过第一透镜、第四四分之一波片、第二偏振分光镜、第三四分之一波片、第一角锥棱镜反射后再次经过第三四分之一波片、第二偏振分光镜后沿激光发出光束相反方向射出，另一束经过第一透镜、第四四分之一波片、第二偏振分光镜、第二四分之一波片后经第一反射镜反射后再次经过第二四分之一波片、第二偏振分光镜后沿激光发出光束相反方向射出，此时两束光重合并通过第一非偏振分光镜分为等值的两叠合光，再通过第三、第四偏振分光镜后取其在0度和45度的偏振方向上叠合产生两束相位相差90°的等值干涉光，由第一、第二光电探测器接收后作为测量信号传输至光电检测单元。

5.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，光电检测单元包括光电转换单元、I/V转换滤波单元、差动放大单元，光电转换单元接收第一、第二光电探测器的光强信号并将光强信号转换为电信号，I/V转换滤波单元将光电转换电路输出的微弱的电流信号经过放大滤波后转换为电压信号，再由差动放大单元对电压信号进行差动放大，用来消除移动过程中弦波信号的直流飘移以及信号的共模噪声。

6.根据权利要求1所述的一种基于光栅干涉仪的精密高度计，其特征在于：所述光栅干涉仪系统中，信号处理单元包括由FPGA构建的数据采集及处理单元，光电检测单元输出的光电转换后的信号存在不等幅误差、直流电平漂移误差以及信号非正交误差，数据采集及处理单元利用海德曼模型实现信号误差修正。