CN106885535B - 单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置及方法。单频激光器输出的线偏振光束经半波片后，偏振方向被调整成相对于纸面成45°，调制后的线偏振光束被第一消偏振分光棱镜分光，透射光束进入渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪，反射光束进入迈克尔逊型激光单频干涉仪。以渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪为感测单元，分别处理形成的圆偏振和线偏振的干涉信号，实现直线度误差及其位置测量；误差检测及补偿部分以迈克尔逊型激光单频干涉仪为感测单元，分析形成的等厚干涉条纹图像，实现偏摆角和俯仰角的测量，并根据测得的俯仰角对直线度误差及其位置的测量结果进行了补偿，提高了直线度误差及其位置的测量精度。

Description

单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种以采用光学方法为特征的计量设备及方法，尤其是涉及一种单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置及方法。

背景技术

精密线性导轨是计算机数控机床和坐标测量机等精密制造和测量设备的关键运动部件，作为精密线性导轨的主要性能指标，直线度结合其他自由度参数直接影响精密设备的精度，因此对高精度直线度测量仪的需求也日益增长。目前高精度直线度测量方法主要分为激光准直法、激光光栅衍射法和激光干涉法。与激光准直法、激光光栅衍射法等直线度测量方法相比，激光干涉直线度测量方法具有测量精度高、灵敏度高、稳定性好以及测量范围大的优点。但直线度干涉仪一般仅能实现被测对象直线度误差这一个自由度参数的检测。针对这一问题，本课题组的发明专利(专利号：ZL200910100065.2和ZL200910100068.6)公开了一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法及装置，实现了对被测对象的直线度误差及其位置二个自由度参数的同时检测。在此基础上，本课题组公开了发明专利—具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法(申请号：201510067188.6)，实现了被测对象的偏摆角、俯仰角、滚转角、水平直线度、垂直直线度以及直线度误差位置的六自由度同时检测，其中，采用激光外差干涉方法实现直线度误差及其位置的测量，采用激光光斑检测方法实现偏摆角、俯仰角、滚转角和水平直线度误差的测量。然而，由于激光光斑检测方法的测量精度受限于位置敏感探测器或四象限探测器的分辨率，导致被测对象的转动角度的测量精度较低。此外，虽然激光外差干涉仪具有良好的抗环境干扰的能力，但是激光外差干涉仪的周期非线性误差比激光单频干涉仪的周期非线性误差大，这限制了直线度及其位置测量精度的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置及方法，直线度误差及其位置检测部分以渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪为感测单元，分别处理形成的圆偏振和线偏振的干涉信号，实现了直线度误差及其位置的同时测量；误差检测及补偿部分以迈克尔逊型激光单频干涉仪为感测单元，分析形成的等厚干涉条纹图像，实现了偏摆角和俯仰角的测量，并根据测得的俯仰角对直线度误差及其位置的测量结果进行了补偿，提高了直线度误差及其位置的测量精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置：

选择能够输出线偏振光的单频激光器，其输出的线偏振光束经半波片后，偏振方向被调整成相对于纸面成45°；调制后的线偏振光束被第一消偏振分光棱镜分光，透射光束进入由第三消偏振分光棱镜、渥拉斯顿棱镜、由上下直角棱镜组成的测量反射镜、第四消偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第五消偏振分光棱镜、偏振片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片和第三偏振分光棱镜组成的渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪，反射光束进入由第二消偏振分光棱镜、第一平面反射镜和第二平面反射镜组成的迈克尔逊型激光单频干涉仪；

在渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪中，激光光束被第三消偏振分光棱镜分成两束，其中的透射光束通过渥拉斯顿棱镜分成两束正交的线偏振光束即p偏振光束和s偏振光束，两束发散的测量光束由上下直角棱镜组成的测量反射镜反射，返回到渥拉斯顿棱镜并在另一点重新组合，重组的测量光束被第四消偏振分光棱镜分光，反射光束通过第一四分之一波片，被转换为右旋圆偏振光束和左旋圆偏振光束，两束圆偏振光束干涉，合成为一束偏振方向由两束圆偏振光束相位决定的线偏振光束，随后该线偏振光束被第五消偏振分光棱镜分光，反射光束通过通光方向相对于纸面成45°的偏振片到达第一光电探测器，而透射光束被第一偏振分光棱镜分成两束正交的线性偏振光束，分别到达第二探测器与第三光电探测器，所述三个光电探测器产生三个圆偏振干涉信号，用于被测对象的直线度误差测量；同时第四消偏振分光棱镜的透射光束到达第二偏振分光棱镜，并与由第三消偏振分光棱镜反射的参考光束交汇，测量光束的p偏振光与参考光束的s偏振光通过第二偏振分光棱镜，经第二四分之一波片与第三偏振分光棱镜后被转换成两束透射的p偏振光束和两束反射的s偏振光束，两束p偏振光束和两束s偏振光束分别干涉，第四光电探测器、第五光电探测器产生两个线偏振干涉信号，用于直线度误差位置的测量；

在迈克尔逊型激光单频干涉仪中，激光光束被第二消偏振分光棱镜分成参考光束和测量光束，测量光束由安装在测量反射镜上方的第二平面反射镜反射回到第二消偏振分光棱镜，并与由第一平面反射镜反射的参考光束重新组合，重组的光束形成等厚干涉条纹图像，被图像传感器捕获，用于被测对象运动过程中偏摆角和俯仰角的测量；

所述五个光电探测器分别经信号处理板后与图像传感器接计算机。

二、一种单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的方法，该方法的步骤如下：

1)将第二平面反射镜与测量反射镜组合安装在被测对象移动平台上；

2)直线度误差及其位置的测量以渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪为感测单元，两束测量光束被转换为右旋圆偏振光束和左旋圆偏振光束，两束圆偏振光束干涉，通过第一、第二和第三光电探测器产生的三个相互成90°相位差的圆偏振干涉信号，得到两束测量光的相位差进而得到两束测量光的光程差为式中λ是激光波长；p偏振测量光束与参考光束分别被转换成两束正交的线偏振光束，两束p偏振光束和两束s偏振光束分别干涉，通过第四和第五光电探测器产生的两个线偏振干涉信号，经干涉条纹大小数计数得到p偏振测量光与参考光的光程差为L₁＝(N+ε)λ/2，式中N和ε分别是干涉条纹的大小数计数；假设初始位置测量镜到渥拉斯顿棱镜的距离是s₀，测量镜移动s距离后到达具有直线度误差Δh的当前位置，根据几何关系，直线度误差Δh及其相对于初始位置的相对位置s分别表示为

直线度误差：

直线度误差位置：

式中：θ是1/2渥拉斯顿棱镜分束角度；

3)偏摆角和俯仰角的测量以迈克尔逊型激光单频干涉仪为感测单元，测量光束与参考光束形成等厚干涉条纹图像，图像中干涉条纹的间距随着测量光束传播方向变化，该方向由第二平面反射镜的偏转角与俯仰角决定，通过检测第二平面反射镜旋转前后的干涉条纹间距，得到被测对象运动过程中的偏摆角和俯仰角，分别表示为

偏摆角：

俯仰角：

式中Δx_CCD、Δx′_CCD、Δy_CCD与Δy′_CCD分别为旋转前后通过图像处理技术得到的干涉条纹水平与垂直方向上的间距；

4)通过测得的被测对象的俯仰角对直线度误差及其位置的测量结果按以下公式进行补偿：

补偿后直线度误差位置：

补偿后直线度误差：

式中s'和Δh'表示补偿前的测量值。

本发明具有的有益效果是：

1)该测量方法充分利用了高精度激光干涉仪来实现多自由度参数测量，采用单频干涉方法实现了直线度误差、直线度误差的位置、偏摆角和俯仰角四个自由度参数的测量；

2)该测量方法采用共光路结构，通过直接计算两束测量光束的光程差实现直线度的测量，避免了两束测量光束的光程差单独计算误差，提高了直线度的测量精度；

3)该测量方法补偿了激光单频干涉直线度误差及其位置测量过程中被测对象俯仰角串扰效应的影响，提高了直线度误差及其位置的测量精度，完善了激光单频干涉直线度误差及其位置的测量方法。

本发明主要适用于超精密机械加工、微光机电系统、集成电路芯片制造和精密仪器等技术领域所涉及的精密工作台及精密导轨的直线度、位移以及其他多自由度运动参数的同时检测。

附图说明

图1是单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的光路图。

图2是直线度误差及其位置测量的原理图。

图3是偏摆角和俯仰角测量的原理图。

图4是俯仰角对两束测量光束对应光程的影响示意图。

图中：1、单频激光器，2、半波片，3、第一消偏振分光棱镜，4、第二消偏振分光棱镜，5、第一平面反射镜，6、图像传感器，7、第三消偏振分光棱镜，8、渥拉斯顿棱镜，9、测量反射镜，10、第二平面反射镜，11、被测对象移动平台，12、测量镜支架，13、第四消偏振分光棱镜，14、第一四分之一波片，15、第五消偏振分光棱镜，16、偏振片，17、第一偏振分光棱镜，18、第一光电探测器，19、第二光电探测器，20、第三光电探测器，21、第二偏振分光棱镜，22、第二四分之一波片，23、第三偏振分光棱镜，24、第四光电探测器，25、第五光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明选择能够输出线偏振光的单频激光器1，其输出的线偏振光束经半波片2后，偏振方向被调整成相对于纸面成45°；

调制后的线偏振光束被第一消偏振分光棱镜3分光，透射光束进入由第三消偏振分光棱镜7、渥拉斯顿棱镜8、由上下直角棱镜组成的测量反射镜9、第四消偏振分光棱镜13、第一四分之一波片14、第五消偏振分光棱镜15、偏振片16、第一偏振分光棱镜17、第二偏振分光棱镜21、第二四分之一波片22和第三偏振分光棱镜23组成的渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪，反射光束进入由第二消偏振分光棱镜4、第一平面反射镜5和第二平面反射镜10组成的迈克尔逊型激光单频干涉仪。

在渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪中，激光光束被第三消偏振分光棱镜7分成两束，其中的透射光束通过渥拉斯顿棱镜分成两束正交的线偏振光束即p偏振光束和s偏振光束，两束发散的测量光束由上下直角棱镜组成的测量反射镜9反射，返回到渥拉斯顿棱镜8并在另一点重新组合，重组的测量光束被第四消偏振分光棱镜13分光，反射光束通过第一四分之一波片14，被转换为右旋圆偏振光束和左旋圆偏振光束，两束圆偏振光束干涉，合成为一束偏振方向由两束圆偏振光束相位决定的线偏振光束，随后该线偏振光束被第五消偏振分光棱镜15分光，反射光束通过通光方向相对于纸面成45°的偏振片16到达第一光电探测器18，而透射光束被第一偏振分光棱镜17分成两束正交的线性偏振光束，分别到达第二探测器19与第三光电探测器20，所述三个光电探测器产生三个圆偏振干涉信号，用于被测对象的直线度误差测量；同时第四消偏振分光棱镜13的透射光束到达第二偏振分光棱镜21，并与由第三消偏振分光棱镜7反射的参考光束交汇，测量光束的p偏振光与参考光束的s偏振光通过第二偏振分光棱镜21，经第二四分之一波片22与第三偏振分光棱镜23后被转换成两束透射的p偏振光束和两束反射的s偏振光束，两束p偏振光束和两束s偏振光束分别干涉，第四光电探测器24、第五光电探测器25产生两个线偏振干涉信号，用于直线度误差位置的测量的信号来源。

在迈克尔逊型激光单频干涉仪中，激光光束被第二消偏振分光棱镜4分成参考光束和测量光束，测量光束由安装在测量反射镜9上方的第二平面反射镜10反射回到第二消偏振分光棱镜4，并与由第一平面反射镜5反射的参考光束重新组合，重组的光束形成等厚干涉条纹图像，被图像传感器6捕获，作为偏摆角和俯仰角测量的信号来源；以上这些信号被送入信号处理板与计算机进行相关处理和显示，实现被测对象的直线度误差、直线度误差的位置、偏摆角和俯仰角四自由度参数的同时检测，并对直线度误差及其位置的测量结果进行补偿，提高直线度误差及其位置的测量精度。

所述五个光电探测器18、19、20、24和25分别经信号处理板后与图像传感器6接计算机。

具体的单频激光器采用Renishaw公司生产的XL80单频稳频He-Ne激光器，五个光电探测器采用Thorlabs公司生产的PDA36A-EC增益可调硅探测器，图像传感器采用Baumer公司生产的VLG-20M CCD工业相机，信号处理板采用Altera公司生产的EP4CE15F23C8 FPGA芯片的高速信号处理板，计算机采用戴尔公司生产的OptiPlex360台式机。

在图1中，光路中的黑点和短线表示偏振方向正交的相同频率的线偏振光。结合图2、图3以及图4，单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的具体实现如下：

该方法的步骤如下：

1)测量开始前，将测量反射镜9通过测量镜支架12安装在被测对象移动平台11上，将该平台移动至被测对象的一端作为测量初始位置，并测量相关常数，包括测量反射镜9的上下直角棱镜直角棱边交点与被测对象移动平台11之间的距离H，测量镜支架12与测量反射镜9的上下直角棱镜直角棱边交点的距离B，测量反射镜9的上下直角棱镜斜边的宽度W，测量镜支架12与渥拉斯顿棱镜8之间的距离s₀；调节图像传感器6，使激光光斑能入射到传感器的中心；

2)测量开始后，被测对象移动平台11从初始位置以设定的步进位移向另一端运动，各个探测器探测相关的信号经信号处理板，送计算机处理后得到被测对象的四个自由度参数；

3)对于直线度误差及其位置的检测，如图2所示，测量反射镜9从初始位置运动到当前位置，移动的距离为s，引起p偏振测量光束与s偏振测量光束的光程差变化，则对应于两束测量光的光程差为

式中λ是激光波长，为两束测量光的相位差，其由第一光电探测器18、第二光电探测器19与第三光电探测器20产生的三个圆偏振干涉信号经信号处理得到；同时p偏振测量光束与第三消偏振分光棱镜7反射的参考光束的光程差为

式中N和ε分别是干涉条纹的大小数计数，由第四光电探测器24与第五光电探测器25产生的两个线偏振干涉信号经信号处理得到；

根据图2所示的几何关系，求出被测对象的直线度误差及其位置，分别表示为

直线度误差：

直线度误差位置：

式中：θ是1/2渥拉斯顿棱镜分束角度，当上下直角棱镜反射镜9相对于测量基准线向上运动时，即由图2中的虚线位置移动到实线位置，Δh为正，反之为负；

4)对于偏摆角及俯仰角的检测，如图3所示，在当前位置时被测对象存在偏摆角误差α与俯仰角误差β，则测量光束经过第二平面反射镜10反射后的光束方向将产生2α偏摆角与2β俯仰角变化，通过检测测量第二平面反射镜10旋转前后的等厚干涉条纹间距，得到被测对象运动过程中的偏摆角和俯仰角，分别表示为

偏摆角：

俯仰角：

式中Δx_CCD、Δx′_CCD、Δy_CCD与Δy′_CCD分别为旋转前后通过图像处理技术得到的干涉条纹水平与垂直方向上的间距；

5)测量过程中，被测对象的俯仰角会对直线度误差及其位置的测量结果产生串扰效应影响，如图4所示，俯仰角会引起两束测量光束包括渥拉斯顿棱镜8内部光束的光程变化，M₁和M₂是由渥拉斯顿棱镜8的制造参数决定的轮廓平面，轮廓平面和渥拉斯顿棱镜8上的出射点之间的光路等效于对应于测量光束在渥拉斯顿棱镜8内部的光路，与分别是两束测量光束包括渥拉斯顿棱镜8内部光束的光路，当移动台产生俯仰角误差时，p偏振光的往返光路变为与而s偏振光的往返光路变为与则补偿后的直线度误差及其位置分别表示为

补偿后直线度位置：

补偿后直线度误差：

式中：s'和Δh'表示补偿前的测量值；

测量结束后，将相关常数以及测量值代入以上公式，对直线度误差及其位置的测量结果进行补偿，经过计算机处理后，得到消除了被测对象俯仰角串扰效应影响的直线度误差及其位置的准确值。

通过以上步骤实现了直线度误差及其位置的同时测量，并通过检测被测对象运动过程中的俯仰角与偏摆角，消除了被测对象的俯仰角对直线度误差及其位置测量结果的串扰效应影响，提高了直线度误差及其位置的测量精度。

Claims (2)

1.一种单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置，其特征在于：

选择能够输出线偏振光的单频激光器(1)，其输出的线偏振光束经半波片(2)后，偏振方向被调整成相对于纸面成45°；调制后的线偏振光束被第一消偏振分光棱镜(3)分光，透射光束进入由第三消偏振分光棱镜(7)、渥拉斯顿棱镜(8)、由上下直角棱镜组成的测量反射镜(9)、第四消偏振分光棱镜(13)、第一四分之一波片(14)、第五消偏振分光棱镜(15)、偏振片(16)、第一偏振分光棱镜(17)、第二偏振分光棱镜(21)、第二四分之一波片(22)和第三偏振分光棱镜(23)组成的渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪，反射光束进入由第二消偏振分光棱镜(4)、第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(10)组成的迈克尔逊型激光单频干涉仪；

在渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪中，激光光束被第三消偏振分光棱镜(7)分成两束，其中的透射光束通过渥拉斯顿棱镜(8)分成两束正交的线偏振光束即p偏振光束和s偏振光束，两束发散的测量光束由上下直角棱镜组成的测量反射镜(9)反射，返回到渥拉斯顿棱镜(8)并在另一点重新组合，重组的测量光束被第四消偏振分光棱镜(13)分光，反射光束通过第一四分之一波片(14)，被转换为右旋圆偏振光束和左旋圆偏振光束，两束圆偏振光束干涉，合成为一束偏振方向由两束圆偏振光束相位决定的线偏振光束，随后该线偏振光束被第五消偏振分光棱镜(15)分光，反射光束通过通光方向相对于纸面成45°的偏振片(16)到达第一光电探测器(18)，而透射光束被第一偏振分光棱镜(17)分成两束正交的线性偏振光束，分别到达第二探测器(19)与第三光电探测器(20)，三个光电探测器产生三个圆偏振干涉信号，用于被测对象的直线度误差测量；同时第四消偏振分光棱镜(13)的透射光束到达第二偏振分光棱镜(21)，并与由第三消偏振分光棱镜(7)反射的参考光束交汇，测量光束的p偏振光与参考光束的s偏振光通过第二偏振分光棱镜(21)，经第二四分之一波片(22)与第三偏振分光棱镜(23)后被转换成两束透射的p偏振光束和两束反射的s偏振光束，两束p偏振光束和两束s偏振光束分别干涉，第四光电探测器(24)、第五光电探测器(25)产生两个线偏振干涉信号，用于直线度误差位置的测量；

在迈克尔逊型激光单频干涉仪中，激光光束被第二消偏振分光棱镜(4)分成参考光束和测量光束，测量光束由安装在测量反射镜(9)上方的第二平面反射镜(10)反射回到第二消偏振分光棱镜(4)，并与由第一平面反射镜(5)反射的参考光束重新组合，重组的光束形成等厚干涉条纹图像，被图像传感器(6)捕获，用于被测对象运动过程中偏摆角和俯仰角的测量；

五个光电探测器(18、19、20、24和25)分别经信号处理板后与图像传感器(6)接计算机。

2.用于权利要求1所述装置的一种单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的方法，其特征在于，该方法的步骤如下：

1)将第二平面反射镜与测量反射镜组合安装在被测对象移动平台上；

2)直线度误差及其位置的测量以渥拉斯顿棱镜型激光单频干涉仪为感测单元，两束测量光束被转换为右旋圆偏振光束和左旋圆偏振光束，两束圆偏振光束干涉，通过第一、第二和第三光电探测器产生的三个相互成90°相位差的圆偏振干涉信号，得到两束测量光的相位差进而得到两束测量光的光程差为式中λ是激光波长；p偏振测量光束与参考光束分别被转换成两束正交的线偏振光束，两束p偏振光束和两束s偏振光束分别干涉，通过第四和第五光电探测器产生的两个线偏振干涉信号，经干涉条纹大小数计数得到p偏振测量光与参考光的光程差为L₁＝(N+ε)λ/2，式中N和ε分别是干涉条纹的大小数计数；假设初始位置测量镜到渥拉斯顿棱镜的距离是s₀，测量镜移动s距离后到达具有直线度误差Δh的当前位置，根据几何关系，直线度误差Δh及其相对于初始位置的相对位置s分别表示为

直线度误差：

直线度误差位置：

式中：θ是1/2渥拉斯顿棱镜分束角度；

3)偏摆角和俯仰角的测量以迈克尔逊型激光单频干涉仪为感测单元，测量光束与参考光束形成等厚干涉条纹图像，图像中干涉条纹的间距随着测量光束传播方向变化，该方向由第二平面反射镜的偏转角与俯仰角决定，通过检测第二平面反射镜旋转前后的干涉条纹间距，得到被测对象运动过程中的偏摆角和俯仰角，分别表示为

偏摆角：

俯仰角：

式中Δx_CCD、Δx′_CCD、Δy_CCD与Δy′_CCD分别为旋转前后通过图像处理技术得到的干涉条纹水平与垂直方向上的间距；

4)通过测得的被测对象的俯仰角对直线度误差及其位置的测量结果按以下公式进行补偿：

补偿后直线度误差位置：

补偿后直线度误差：

式中：s'和Δh'表示补偿前的测量值，H为测量反射镜的上下直角棱镜直角棱边交点与被测对象移动平台之间的距离，B为测量镜支架与测量反射镜的上下直角棱镜直角棱边交点的距离，W为测量反射镜的上下直角棱镜斜边的宽度。