CN107345787A - 一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，包括光栅干涉仪位移测量光路、位姿偏转检测光路、光电检测模块、干涉仪信号处理与误差补偿模块。光栅干涉仪位移测量光路主要由激光光源、光栅、非偏振分光镜、偏振分光镜、四分之一波片组成；位姿偏转检测光路主要由半透半反镜和聚焦透镜组成；干涉仪信号处理与误差补偿处理光栅干涉仪信号位移解调与光栅测量误差补偿。本发明利用对称光路以及四象限探测器来测量光学读数头相对于光栅尺空间位姿绕x轴、y轴和z轴偏转量，通过误差补偿模型对位移测值实时进行实时校正，最终达到提高光栅干涉仪测量精度的目的，测量简单，误差小。

Description

一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法。

背景技术

光栅干涉仪是精密测量技术中的一种有效方法与技术，与传统的单频、双频激光干涉仪相比，光栅干涉仪的位移测量基准是光栅栅距，激光干涉仪的测量基准是激光波长，光栅干涉仪可使用半导体激光二极管作为激光光源，对激光光源的要求较激光干涉仪相比较低，降低了光源成本，同时光栅干涉仪采用光栅栅距作为测量基准，减少了环境因素(如空气扰动、湿度、温度)对测量精度的影响。

在光栅干涉仪测量系统中，光学读数头与光栅安装的对准误差以及导轨直线度误差导致光学读数头与光栅尺的对准误差是测量结果最重要的误差源，光栅与光学读数头之间的对应空间位姿关系如图1所示，光学读数头与光栅尺的相对位姿对输出信号的测量精度影响较大。在实际使用中，由于安装对准误差以及导轨直线度误差，光学读数头相对于光栅尺的x轴、y轴和z轴偏转误差导致读数头根据干涉信号计算的位移测量值与光栅尺对应的位移值不一致，对测量结果精度影响较大。因此在测量过程中，如何测量并补偿光栅光学读数头相对光栅尺相对位姿的x轴、y轴和z轴偏转误差是提高光栅干涉仪测量精度的关键。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，包括有光栅干涉仪位移测量光路、位姿偏转检测光路、光电检测模块、干涉信号处理与误差补偿模块，所述的光栅干涉仪位移测量光路包括有激光器、偏振分光镜一、四分之一波片一、光栅尺、偏振分光镜二、四分之一波片二、偏振分光镜三、四分之一波片三、偏振分光镜四、电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四；所述的位姿偏转检测光路包括有半透半反镜一、半透半反镜二、聚焦透镜一和聚焦透镜二、四象限探测器一、四象限探测器二；所述的激光器发出准直光束经偏振分光镜一和四分之一波片一组成的隔离器后，垂直照射到光栅尺表面发生衍射，±1级衍射光分别经过半透半反镜一和半透半反透镜二后分成两束透射光和两束反射光，两束反射光相互垂直并入射到偏振分光镜二后，分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，两束光分别经过四分之一波片二和四分之一波片三后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三和偏振分光镜四后进行偏振干涉，产生四路光分别进入电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；经过半透半反镜一和半透半反透镜二后的两束透射光分别经过聚焦透镜一和聚焦透镜二后聚焦到四象限探测器一、四象限探测器二，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；所述的干涉信号处理与误差补偿模块接收到光电检测模块传送的信号后，对光栅干涉仪位移信号解调与光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差补偿。

所述的位姿偏转检测光路左右对称布置，四象限探测器一和二四个象限的位置对称分布，在光学读数头与光栅尺对准情况下，准直激光束垂直照射到光栅尺衍射，其±1级衍射光经半透半反镜的透射光，聚焦透镜将透射光聚焦在四象限探测器检测面中心位置，四象限探测器四个象限输出电流相同；当存在光栅传感器安装对准误差和导轨直线度误差，四象限探测器四个象限输出电流不平衡，建立绕x轴、y轴和z轴偏转误差角度与对称布置的两个四象限探测器输出电压信号的对应关系，在光栅干涉仪信号处理与误差补偿模块中通过对x轴、y轴和z轴偏转误差实时补偿来提高光栅干涉仪的测量精度。

所述的光电检测模块包括有I/V转换模块和前置放大滤波模块，将带有位移相位信息的光干涉周期信号转换为正交电信号，四象限探测器信号光电转换将四象限光照强度信号转换为电流信号，经过I/V转换、放大滤波后转换为电压信号。

所述的干涉信号处理与误差补偿模块包括对正交信号进行位移解调、对光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差进行测量并进行补偿；正交信号解调通过对整周期信号计数与非正周期相位细分的方式实现读数头读取信号的位移计算，通过光栅尺与光学读数头相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转实验标定的方法建立偏转角度与两个四象限探测器输出信号之间的误差测量模型，通过误差补偿模型对测量结果进行补偿。

两个四象限探测器输出信号与绕x轴、y轴和z轴偏转量之间误差测量模型通过实验标定的方法进行，光学读数头相对光栅尺位姿绕x轴、y轴和z轴偏转量分别通过6自由度精密定位工作台给定基准偏转量，检测两个四象限探测器输出电压值，通过归一化建立偏转误差检测模型。实际测量中，根据两个四象限探测器输出电压值，通过误差测量模型计算绕x轴、y轴和z轴偏转量，带入误差修正模型对光栅干涉仪读数头输出信号位移测量值进行实时修正。

本发明的优点是：本发明利用对称光路以及四象限探测器来测量光学读数头相对于光栅尺空间位姿绕x轴、y轴和z轴偏转量，通过误差补偿模型对位移测值实时进行实时校正，最终达到提高光栅干涉仪测量精度的目的，测量简单，误差小。

附图说明

图1是本发明光栅光学读数头与光栅尺空间位姿对准关系图。

图2是本发明检测光路结构图。

图3是本发明四象限探测器结构示意图。

图4是光学读数头相对光栅尺位姿与两四象限探测器接收光斑位置示意图。

图5是本发明光栅干涉仪对准误差校正方法信号处理流程图。

具体实施方式

如图2、3、4、5所示，一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，包括有光栅干涉仪位移测量光路20、位姿偏转检测光路21、光电检测模块22、干涉信号处理与误差补偿模块23，所述的光栅干涉仪位移测量光路20包括有激光器1、偏振分光镜一2、四分之一波片一3、光栅尺4、偏振分光镜二9、四分之一波片二10、偏振分光镜三11、四分之一波片三12、偏振分光镜四13、电探测器一14、电探测器二15、电探测器三16、电探测器四17；所述的位姿偏转检测光路21包括有半透半反镜一5、半透半反镜二6、聚焦透镜一7和聚焦透镜二8、四象限探测器一18、四象限探测器二19；所述的激光器1发出准直光束经偏振分光镜一2和四分之一波片一3组成的隔离器后，垂直照射到光栅尺4表面发生衍射，±1级衍射光分别经过半透半反镜一5和半透半反透镜二6后分成两束透射光和两束反射光，两束反射光相互垂直并入射到偏振分光镜二9后，分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，两束光分别经过四分之一波片二10和四分之一波片三11后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三11和偏振分光镜四12后进行偏振干涉，产生四路光分别进入电探测器一14、电探测器二15、电探测器三16、电探测器四17，再通过光电检测模块22进行光电转换、放大滤波；经过半透半反镜一5和半透半反透镜二6后的两束透射光分别经过聚焦透镜一7和聚焦透镜二8后聚焦到四象限探测器一18、四象限探测器二19，再通过光电检测模块22进行光电转换、放大滤波；所述的干涉信号处理与误差补偿模块23接收到光电检测模块22传送的信号后，对光栅干涉仪位移信号解调与光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差补偿。

所述的位姿偏转检测光路左右对称布置，四象限探测器一18和二19四个象限的位置对称分布，在光学读数头与光栅尺对准情况下，准直激光束垂直照射到光栅尺衍射，其±1级衍射光经半透半反镜的透射光，聚焦透镜将透射光聚焦在四象限探测器检测面中心位置，四象限探测器四个象限输出电流相同；当存在光栅传感器安装对准误差和导轨直线度误差，四象限探测器四个象限输出电流不平衡，建立绕x轴、y轴和z轴偏转误差角度与对称布置的两个四象限探测器输出电压信号的对应关系，在光栅干涉仪信号处理与误差补偿模块中通过对x轴、y轴和z轴偏转误差实时补偿来提高光栅干涉仪的测量精度。

所述的光电检测模块包括有I/V转换模块和前置放大滤波模块，将带有位移相位信息的光干涉周期信号转换为正交电信号，四象限探测器信号光电转换将四象限光照强度信号转换为电流信号，经过I/V转换、放大滤波后转换为电压信号。

所述的干涉信号处理与误差补偿模块包括对正交信号进行位移解调、对光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差进行测量并进行补偿；正交信号解调通过对整周期信号计数与非正周期相位细分的方式实现读数头读取信号的位移计算，通过光栅尺与光学读数头相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转实验标定的方法建立偏转角度与两个四象限探测器输出信号之间的误差测量模型，通过误差补偿模型对测量结果进行补偿。

光栅光学读数头与光栅尺之间的空间位姿对准关系如图1所示，光栅尺坐标系和光学读数头坐标系分别为XYZ和xyz，理想状况下，两个坐标系的三轴方向相互平行，光学读数头测量的x方向位移即为光栅尺坐标系下X方向的位移，但由于光学读数头与光栅尺安装对准误差以及导轨直线度误差导致光学读数头与光栅尺在实际测量中存在位姿偏转误差，光学读数头相对于理想位姿状态存在绕x轴、y轴和z轴的偏转，导致光学读数头测量值x与在光栅尺XYZ坐标下的位移值不一致，从而直接影响位移测量精度。本发明在光栅干涉仪光路中嵌入对称的空间位姿偏转检测光路，利用两个四象限探测器对绕x轴、y轴和z轴偏转误差进行检测，通过误差补偿模型实现光栅干涉仪测量结果误差的实时修正。

激光器1发射的准直光束经过偏振分光镜一2和四分之一波片一3组成的隔离器后变为圆偏振光后垂直射入光栅尺4，光栅尺4衍射产生±1级衍射光与入射光束左右对称分布，半透半反镜一5和二6为透射和反射参数性能相同，±1级衍射光分别经过对称放置的半透半反镜一5和二6后分为透射和反射光束，调整半透半反镜一5和二6使其左右两束反射光束相互垂直并入射到偏振分光镜二9，左右两束反射光经偏振分光镜二9分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，这两束光分别经过四分之一波片二10和三12后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三11和四13后进行偏振干涉，产生四路相位相差90°的干涉信号，分别被光电探测器14、15、16和17接收，经过光电转换后转变为四路相位相差90°的电流信号I₁₄、I₁₅、I₁₆和I₁₇：

其中d为光栅尺栅距，x为光学读数头相对光栅尺的位移，由正交信号整周期计数和相位细分可获得高分辨率光学读数头输出位移值x。

半透半反镜一5和二6的透射光由聚焦透镜一7和二8后聚焦到四象限光电探测器一18和二19上，为光学读数头与光栅尺相对位姿对准误差检测光路，光学读数头与光栅尺相对空间位姿误差包括绕读数头x轴、y轴和z轴的偏转，通过四象限光电探测器来检测光栅尺与光学读数头相对位姿误差，对光学读数头读数值补偿后来提高光栅干涉仪的测量精度。四象限探测器结构如图3所示，由于光栅传感器安装对准或导轨直线度误差，当光学读数头相对光栅尺存在空间偏转角度时，衍射光束的方向也会发生改变，从光栅尺衍射的±1级衍射光经半透半反镜一5和二6以及聚焦透镜一7和二8聚焦于四象限探测器一18和二19上，聚焦光斑在四象限探测器与光栅尺平行和垂直方向存在位置偏移量，由于四象限探测器具有相同光电转换参数的四个光电探测器拼接而成，当聚焦光斑照射在四象限探测器的中心四象限对称分布时，每个象限的光电流相等，当光斑偏离中心照射时，则每个象限的感应电流不同，进而可以通过不同象限之间光电流差异来检测光斑偏离中心的位置。

在进行光学读数头与光栅尺相对位姿对准误差检测前，首先建立光学读数头与光栅尺相对位姿对准误差检测模型。使用6自由度精密定位工作台，精确调整光栅尺与光学读数头相对位置处于理想位置，调整四象限探测器位置使其输出电压差值为零，通过6自由度精密定位工作台，使光学读数头相对光栅尺绕x、y和z轴在光学读数头与光栅尺安装极限偏差的范围偏转，利用数据采集卡同时采集6自由度精密定位工作台绕x、y和z轴的旋转角度与两个四象限探测器输出检测电压值，建立光学读数头与光栅尺绕x、y和z轴的旋转角度与两个四象限探测器输出检测电压值之间的归一化对应关系，即建立光学读数头与光栅尺相对位姿对准误差检测模型。

两个四象限探测器输出检测电压采用如下方法：光学读数头相对光栅尺位姿与两四象限探测器接收光斑位置示意图如图4所示，当光学读数头相对光栅尺理想对准时，四象限探测器输出电压差值为零，当存在y轴偏转时，左右四象限探测器的输出电压差值分别为ΔU_Lx和ΔU_Rx，当存在x轴偏转时，左右四象限探测器的输出电压差值分别为ΔU_Ly和ΔU_Ry，当存在z轴偏转时，左右四象限探测器的输出电压差值分别为ΔU_Lz和ΔU_Rz，分别求出x轴、y轴和z轴两个四象限探测器输出的均值作为最终偏转量对应检测电压输出，三轴偏转对应检测电压输出分别为：

在获得x轴、y轴和z轴方向旋转角度与四象限输出检测电压的对准误差检测检测模型后，便可在实际工程应用中，通过上述建立的误差检测模型，根据两个四象限探测器输出检测电压，分别求出光学读数头相对光栅尺在x轴、y轴和z轴方向的偏转量，带入误差修正模型对光栅干涉仪位移测量值实时修正。具体光栅尺坐标系XYZ与光学读数头坐标系xyz之间的对准误差修正模型如下：

其中，θ_x、θ_x、θ_x分别是光学读数头相对光栅尺绕x轴、y轴和z轴方向的偏转量。在光栅干涉仪工程应用中，通过上述补偿模型补偿光学读数头读出位移值x与光栅尺对应实际位移值X。

图5所示为光栅干涉仪对准误差校正方法信号处理流程图，位移测量干涉光路产生干涉信号，干涉信号经过光电转换、I/V转换、放大滤波电路后将该电信号采集到FPGA中，对其进行整周期计数和相位细分后得到位移信号。位姿偏转检测光路产生的检测光束经过四象限探测器、I/V转换、放大滤波电路后将该电信号采集到FPGA中，通过对准误差检测模型计算出绕x轴、y轴和z轴的偏转角度，再通过误差补偿模型求出实际位移量X。

本发明在光栅干涉仪光路中嵌入光栅光学读数头相对光栅尺的偏转检测光路，通过建立光学读数头相对光栅尺位姿绕x轴、y轴和z轴偏转量与四象限光电探测器输出检测电压之间的误差检测模型，检测光学读数头相对光栅尺位姿偏转量，利用误差补偿模型对光学读数头位移测值进行实时校正，最终达到提高光栅干涉仪测量精度的目的。

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 (4)

1.一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，其特征在于：包括有光栅干涉仪位移测量光路、位姿偏转检测光路、光电检测模块、干涉信号处理与误差补偿模块，所述的光栅干涉仪位移测量光路包括有激光器、偏振分光镜一、四分之一波片一、光栅尺、偏振分光镜二、四分之一波片二、偏振分光镜三、四分之一波片三、偏振分光镜四、电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四；所述的位姿偏转检测光路包括有半透半反镜一、半透半反镜二、聚焦透镜一和聚焦透镜二、四象限探测器一、四象限探测器二；所述的激光器发出准直光束经偏振分光镜一和四分之一波片一组成的隔离器后，垂直照射到光栅尺表面发生衍射，±1级衍射光分别经过半透半反镜一和半透半反透镜二后分成两束透射光和两束反射光，两束反射光相互垂直并入射到偏振分光镜二后，分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，两束光分别经过四分之一波片二和四分之一波片三后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三和偏振分光镜四后进行偏振干涉，产生四路光分别进入电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；经过半透半反镜一和半透半反透镜二后的两束透射光分别经过聚焦透镜一和聚焦透镜二后聚焦到四象限探测器一、四象限探测器二，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；所述的干涉信号处理与误差补偿模块接收到光电检测模块传送的信号后，对光栅干涉仪位移信号解调与光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差补偿。

2.根据权利要求1所述的一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，其特征在于：所述的位姿偏转检测光路左右对称布置，四象限探测器一和二四个象限的位置对称分布，在光学读数头与光栅尺对准情况下，准直激光束垂直照射到光栅尺衍射，其±1级衍射光经半透半反镜的透射光，聚焦透镜将透射光聚焦在四象限探测器检测面中心位置，四象限探测器四个象限输出电流相同；当存在光栅传感器安装对准误差和导轨直线度误差，四象限探测器四个象限输出电流不平衡，建立绕x轴、y轴和z轴偏转误差角度与对称布置的两个四象限探测器输出电压信号的对应关系，在光栅干涉仪信号处理与误差补偿模块中通过对x轴、y轴和z轴偏转误差实时补偿来提高光栅干涉仪的测量精度。

3.根据权利要求1所述的一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，其特征在于：所述的光电检测模块包括有I/V转换模块和前置放大滤波模块，将带有位移相位信息的光干涉周期信号转换为正交电信号，四象限探测器信号光电转换将四象限光照强度信号转换为电流信号，经过I/V转换、放大滤波后转换为电压信号。

4.根据权利要求1所述的一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，其特征在于：所述的干涉信号处理与误差补偿模块包括对正交信号进行位移解调、对光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差进行测量并进行补偿；正交信号解调通过对整周期信号计数与非正周期相位细分的方式实现读数头读取信号的位移计算，通过光栅尺与光学读数头相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转实验标定的方法建立偏转角度与两个四象限探测器输出信号之间的误差测量模型，通过误差补偿模型对测量结果进行补偿。