CN107782256B - 一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置及方法。采用两个法拉第旋光器实现激光外差干涉角度测量光路中线偏振光偏振方向的准确正交转换；包括激光外差干涉角度探测光路部分和角度测量镜，利用法拉第旋光器、偏振分光镜、四分之一波片、平面反射镜共同构建的光路结构使得当测量镜存在大径向位移误差时，测量光束能够有效逆返。本发明解决了传统激光干涉角度测量技术中测量镜存在大径向位移误差导致测量光束偏离探测器上的初始探测孔径，影响干涉信号的正常生成甚至导致干涉测量中断的技术问题，可实现兼顾高分辨率和大测量范围的角度测量，适用于精密加工与制造、机械系统的装调和校准等领域所涉及精密工作台的角度测量与校准中。

Description

一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置及方法

技术领域

本发明涉及以采用光学方法为特征的计量方法，尤其是涉及一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置及方法。

背景技术

空间物体的运动姿态可由六个自由度来描述，包括三个沿轴的平动和三个绕轴的转动。角度测量作为精密几何量计量技术的重要组成部分，实现兼顾高分辨率和大测量范围的角度测量是机械系统的位置校准与装调，先进制造领域的加工与制造，计量领域的精密测量与校准等中实现技术水平的提升及实现科技创新的共同需求。激光干涉技术由于具有测量精度高，动态测量范围大和长度基准的直接溯源性的特点，因此被广泛用于角度的精密测量中。传统的激光角度干涉仪，大致可分为单频激光干涉系统和外差干涉系统，二者除了采用的光源不同，即前者采用的单频激光，后者采用的是双频激光，其角度干涉光路结构基本相同，都由一个角度干涉镜和一个角度测量镜组成。虽然这两种激光角度干涉仪目前均可实现高精度的角度测量，但它们存在一个光路结构固有的共性问题，即当测量镜在沿着轴向运动过程中存在大径向位移误差导致测量光束偏离探测器上的初始探测孔径，影响干涉信号的正常生成甚至导致干涉测量中断的技术问题。因此，对激光干涉角度测量方法进行设计，确保测量光束的有效逆返，实现测量信号的准确生成，进而保证干涉测量过程的顺利实施具有重要的意义。

发明内容

为了解决传统激光干涉角度测量技术中测量镜存在大径向位移误差导致测量光束偏离探测器上的初始探测孔径，影响干涉信号的正常生成甚至导致干涉测量中断的技术问题，本发明的目的在于提供一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置及方法，解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置：

包括激光外差干涉角度探测光路部分和角度测量镜；激光外差干涉角度探测光路部分包括输出正交线偏振光的双频激光器、分光镜、第一光电探测器、第一偏振分光镜、第二光电探测器、第一法拉第旋光器、第一测量偏振分光镜、第一四分之一波片、第一平面反射镜、直角反射镜、第二法拉第旋光器、第二测量偏振分光镜、第二四分之一波片和第二平面反射镜，第一光电探测器和第二光电探测器的探测通光孔集成有偏振片；角度测量镜包括第一角锥棱镜和第二角锥棱镜，第一角锥棱镜和第二角锥棱镜封装固定在一起并连接于被测对象，随着被测对象一起运动；

双频激光器输出正交线偏振光，正交线偏振光入射到分光镜发生透射和反射分成两束光，分光镜反射的光被第一光电探测器接收获得角度测量参考信号；分光镜透射的光入射到第一偏振分光镜发生反射和透射再分成两束光：第一偏振分光镜透射的光作为第一测量光束，第一测量光束经第一法拉第旋光器入射到第一测量偏振分光镜发生透射，经第一四分之一波片后入射到第一角锥棱镜，被第一角锥棱镜正常反射后再经第一四分之一波片回到第一测量偏振分光镜并反射到第一平面反射镜，经第一平面反射镜反射后形成逆反光束，逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜处并经第一偏振分光镜反射后入射到第二光电探测器，作为第一逆返测量光束；第一偏振分光镜反射的光作为第二测量光束，第二测量光束被直角反射镜反射后，经第二法拉第旋光器入射到第二测量偏振分光镜发生透射，经第二四分之一波片后入射到第二角锥棱镜，被第二角锥棱镜正常反射后再经第二四分之一波片回到第二测量偏振分光镜，再经第二测量偏振分光镜反射到第二平面镜，经第二平面镜反射后形成逆反光束，逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜处并经第一偏振分光镜透射后入射到第二光电探测器，作为第二逆返测量光束；第一逆返测量光束和第二逆返测量光束在第二光电探测器的探测通光孔的偏振片处汇合产生拍频干涉，并被第二光电探测器接收获得测量信号。

所述第一测量光束的逆反光束返回到第一偏振分光镜处，具体是：第一测量光束的逆反光束从第一平面反射镜反射后，依次经第一测量偏振分光镜反射、第一四分之一波片透射、第一角锥棱镜反射、第一四分之一波片再次透射、第一测量偏振分光镜透射后，再经第一法拉第旋光器入射到第一偏振分光镜。

所述第二测量光束的逆反光束返回到第一偏振分光镜处，具体是：第二测量光束的逆反光束从第二平面镜反射后，依次经第二测量偏振分光镜反射、第二四分之一波片透射、第二角锥棱镜反射、第二四分之一波片再次透射、第二测量偏振分光镜透射后，再经第二法拉第旋光器和直角反射镜反射后入射到第一偏振分光镜。

角度偏转时测量光路如图2所示，径向位移时测量光路如图3所示。

具体实施中测量时，角度测量镜上第一角锥棱镜和第二角锥棱镜的入射面在同一平面上。

所述第一测量光束与第二测量光束相互平行，且第一测量光束与第二测量光束间的间距距离与第一角锥棱镜和第二角锥棱镜间的间距距离相等。

所述的第一偏振分光镜绕光轴沿着第一测量光束正向传播方向看去顺时针转过45°(即图中从左到右看去顺时针转过45°)，第二偏振分光镜绕光轴沿着第二测量光束正向传播方向看去顺时针转过45°；且第一法拉第旋光器和第二法拉第旋光器的旋光角度均为45°，第一法拉第旋光器的旋光方向沿着第一测量光束正向传播方向看去是顺时针转过45°，第二法拉第旋光器的旋光方向沿着第二测量光束正向传播方向看去是逆时针转过45°。

所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向与通过的线偏振光的偏振方向呈45°布置。

所述光路通过第一法拉第旋光器、第一测量偏振分光镜、第一四分之一波片和第一平面反射镜形成的第一测量光路的设置以及通过直角反射镜、第二法拉第旋光器、第二测量偏振分光镜、第二四分之一波片和第二平面反射镜形成的第二测量光路的设置，能够确保角度测量镜存在大径向位移运动时或大角度转动时第一测量光束和第二测量光束的有效逆返。

本发明所述的大径向是指径向位移裕度在5mm以上。

本发明所述的大角度是指角度测量范围达±15°。

还包括信号采集处理板和计算机，第一光电探测器和第二光电探测器，经信号采集处理板与计算机连接，第一光电探测器和第二光电探测器探测到的参考信号和测量信号经信号采集处理传输至计算机进行数据处理，最终由计算机给出被测对象的角度测量结果。

二、一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量方法，包括以下过程：

1)将角度测量镜安装在被测对象上随被测对象一起运动，选择可以输出正交线偏振光的双频激光器，双频激光器输出的正交线偏振光经过激光外差干涉角度测量光路；

2)根据第一光电探测器和第二光电探测器分别探测到的参考信号和测量信号输入信号采集处理板处理得到被测对象的角度测量数据。

所述步骤2)具体为：

2.1)参考信号和测量信号经电路整形处理均从正弦信号转变为矩形波信号，然后对两路矩形波信号进行信号上升沿计数，并对两个上升沿计数值对减得到整周期计数值N，对两路矩形波信号的相位差区间进行填脉冲计数处理获得非整周期计数值ε；

2.2)利用整周期计数值N和非整周期计数值ε，采用以下公式计算获得被测对象的转动角度值θ：

其中，λ为激光波长，S为角度测量镜上第一角锥棱镜与第二角锥棱镜间的距离，4为光路的光学倍频系数，n为空气折射率。

所述测量方法，角度测量镜上第一角锥棱镜和第二角锥棱镜在固定时确保两个角锥棱镜的入射面在同一平面上。

所述测量方法中，角度测量镜随被测对象一起转动，只要第一测量光束和第二测量光束分别被第一角锥棱镜和第二角锥棱镜捕获，能使得两测量光束有效逆返。

所述测量方法中，角度测量镜随着被测对象一起运动，当存在径向位移运动时，只要分别被第一角锥棱镜和第二角锥棱镜反射的第一测量光束和第二测量光束能通过第一测量偏振分光镜和第二测量偏振分光镜，就能保证两测量光束的有效逆返。

所述测量方法固定第一角锥棱镜和第二角锥棱镜的固定架材料采用温度形变系数小的材料制成。

本发明采用激光外差干涉测量原理实现光路的设计，可实现高精度的角度测量，并且实现了被测对象存在大的径向位移运动时测量光束的有效逆返，保证干涉测量的顺利实施。

本发明具有的有益效果是：

(1)本测量方法利用两个法拉第旋光器实现激光外差干涉角度测量光路的设计，完成偏振光偏振方向准确的正交转换。

本发明的光路结构可确保当角度测量镜运动过程中存在大径向位移运动时，只要测量光束能通过光路的有效通光孔径，就能保证测量光束的有效逆返，保证干涉信号的正常生成，解决传统激光干涉角度测量技术中测量镜存在大径向位移误差导致测量光束偏离探测器上的初始探测孔径，影响干涉信号的正常生成甚至导致干涉测量中断的技术问题，即存在角度测量镜径向位移裕度小的问题，同时实现兼顾高分辨率和大测量范围的角度测量。

(2)该测量方法利用激光外差干涉原理实现光路设计，具有长度量值基准的直接溯源能力，可实现高精度的角度测量。

(3)该测量方法，特有的角度测量光路结构，当角度测量镜存在大角度转动时，只要测量光束能被对应角锥棱镜捕获，就能保证测量光束的有效逆返，保证干涉信号的正常生成，实现大角度的干涉测量。

(4)该测量方法，通过调整两测量光束之间和对应两角锥棱镜之间的距离，可实现对角度测量分辨率的调整，满足不同角度测量或校准分辨率的需求。光路结构实现的测量光束的逆返能力，能兼顾实现大范围和高分辨率的角度测量。

(5)光路结构中，激光外差干涉角度测量光路与角度测量镜之间无线缆连接，易于实现测量装置的封装集成。

本发明适用于超精密加工与制造技术、机械系统的装调和位置校准、集成电路芯片制造技术等领域所涉及的精密工作台的角度测量与校准中。

附图说明

图1是本发明测量装置的光路图。

图中：1、双频激光器，2、分光镜，3、第一光电探测器，4、第一偏振分光镜，5、第二光电探测器，6、第一法拉第旋光器，7、第一测量偏振分光镜，8、第一四分之一波片，9、第一角锥棱镜，10、第一平面反射镜，11、直角反射镜，12、第二法拉第旋光器，13、第二测量偏振分光镜，14、第二四分之一波片，15、第二角锥棱镜，16、第二平面反射镜，17、被测对象。

图2是角度测量原理示意图。

图3是角度测量镜存在径向位移运动时测量光束的有效逆返原理示意图。

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。

本发明的光路结构如图1所示，具体实施过程如下：

包括激光外差干涉角度探测光路部分和角度测量镜。激光外差干涉角度探测光路部分包括输出正交线偏振光的双频激光器1、分光镜2、第一光电探测器3、第一偏振分光镜4、第二光电探测器5、第一法拉第旋光器6、第一测量偏振分光镜7、第一四分之一波片8、第一平面反射镜10、直角反射镜11、第二法拉第旋光器12、第二测量偏振分光镜13、第二四分之一波片14和第二平面反射镜16，其中，第一光电探测器3和第二光电探测器5的探测通光孔中均集成了偏振片。

角度测量镜包括第一角锥棱镜9和第二角锥棱镜15，第一角锥棱镜9和第二角锥棱镜15封装固定在一起并连接于被测对象17，随着被测对象17一起运动。

双频激光器1输出正交线偏振光，正交线偏振光分别为频率为f₁和频率为f₂的线偏振光，如图1光路中细实线和虚线所示光束。双频激光器采用横向塞曼效应的He-Ne稳频激光器，具体选用美国Keysight公司的5517B双纵模He-Ne稳频激光器，其输出的正交线偏振光的偏频差典型值为2.24MHz，波长为632.991372nm。

正交线偏振光入射到分光镜2发生透射和反射分成两束光，分光镜2反射的光被第一光电探测器3接收获得角度测量参考信号。

分光镜2透射的光入射到第一偏振分光镜4发生反射和透射再分成两束光：第一偏振分光镜4透射的光作为第一测量光束，第一测量光束经第一法拉第旋光器6入射到第一测量偏振分光镜7发生透射，经第一四分之一波片8后入射到第一角锥棱镜9，被第一角锥棱镜9正常反射后再经第一四分之一波片8回到第一测量偏振分光镜7并反射到第一平面反射镜10，经第一平面反射镜10反射后形成逆反光束，逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜处4并经第一偏振分光镜4反射后入射到第二光电探测器5，作为第一逆返测量光束。第一测量光束的逆反光束返回到第一偏振分光镜4处，具体是：第一测量光束的逆反光束从第一平面反射镜10反射后，依次经第一测量偏振分光镜7反射、第一四分之一波片8透射、第一角锥棱镜9反射、第一四分之一波片8再次透射、第一测量偏振分光镜7透射后，再经第一法拉第旋光器6入射到第一偏振分光镜4。

第一偏振分光镜4反射的光作为第二测量光束，第二测量光束被直角反射镜11反射后，经第二法拉第旋光器12入射到第二测量偏振分光镜13发生透射，经第二四分之一波片14后入射到第二角锥棱镜15，被第二角锥棱镜15正常反射后再经第二四分之一波片14回到第二测量偏振分光镜13，再经第二测量偏振分光镜13反射到第二平面镜16，经第二平面镜16反射后形成逆反光束，逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜4处并经第一偏振分光镜4透射后入射到第二光电探测器5，作为第二逆返测量光束。第二测量光束的逆反光束返回到第一偏振分光镜4处，具体是：第二测量光束的逆反光束从第二平面镜16反射后，依次经第二测量偏振分光镜13反射、第二四分之一波片14透射、第二角锥棱镜15反射、第二四分之一波片14再次透射、第二测量偏振分光镜13透射后，再经第二法拉第旋光器12和直角反射镜11反射后入射到第一偏振分光镜4。

第一逆返测量光束和第二逆返测量光束在第二光电探测器5的探测通光孔的偏振片处汇合产生拍频干涉，并被第二光电探测器5接收获得测量信号。

参考信号与测量信号经差分信号传输后传输至信号采集处理板，信号采集处理板采用美国Altera公司的FPGA芯片EP2C20Q240C8设计实现，内部最高时钟频率经倍频处理可达到400MHz。信号采集处理板采用上升沿脉冲计数对减的方式实现对整周期大数的测量，采用填脉冲计数法实现对非整周期的小数测量。考虑到所用激光器的频差为2.24MHz，相位测量分辨率可达2°，由角度测量公式可知，当角度测量镜上两角锥棱镜的间距为136mm时，角度测量分辨率可达0.0013″。经信号采集处理板数据采集处理测得角度大小数值数据经串口通讯传输至计算机。

在计算机中，利用Visual Studio软件编程实现的上位机软件，对测得大小数值进行处理，得到最终的角度测量结果θ。

测量完成后，可以得到被测对象17的转角测量结果θ。具体实施中采用德国PhysikInstrumente公司的精密转台作为转动驱动器，利用英国Renishaw公司的XL-80角度激光干涉仪进行角度测量比对实验。

具体实施中的测量结果显示：测量光路的通光孔径为21mm，测量镜两角锥棱镜间距为136mm时，最大角度测量范围达±15°；实验表明角度测量的径向位移裕度优于5mm，径向位移裕度大小由测量光路有效通光孔决定；以0.5°为步进的角度测量比对实验中，角度误差最大值0.00005°；以0.0001°为步进的角度测量比对实验中，角度误差的最大值为0.000012°。具体实施的初步实验结果表明基于本发明方法构建的测量装置可确保角度测量镜在径向的大位移裕度的测量光束的有效逆返，保证干涉测量顺利的实施。可用于实现大范围、高精度的角度测量与校准中。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量方法，方法采用的装置具体是：装置包括激光外差干涉角度探测光路部分和角度测量镜；激光外差干涉角度探测光路部分包括输出正交线偏振光的双频激光器(1)、分光镜(2)、第一光电探测器(3)、第一偏振分光镜(4)、第二光电探测器(5)、第一法拉第旋光器(6)、第一测量偏振分光镜(7)、第一四分之一波片(8)、第一平面反射镜(10)、直角反射镜(11)、第二法拉第旋光器(12)、第二测量偏振分光镜(13)、第二四分之一波片(14)和第二平面反射镜(16)，第一光电探测器(3)和第二光电探测器(5)的探测通光孔集成有偏振片；角度测量镜包括第一角锥棱镜(9)和第二角锥棱镜(15)，第一角锥棱镜(9)和第二角锥棱镜(15)封装固定在一起并连接于被测对象(17)，随着被测对象(17)一起运动；双频激光器(1)输出正交线偏振光，正交线偏振光入射到分光镜(2)发生透射和反射分成两束光，分光镜(2)反射的光被第一光电探测器(3)接收获得角度测量参考信号；分光镜(2)透射的光入射到第一偏振分光镜(4)发生反射和透射再分成两束光：第一偏振分光镜(4)透射的光作为第一测量光束，第一测量光束经第一法拉第旋光器(6)入射到第一测量偏振分光镜(7)发生透射，经第一四分之一波片(8)后入射到第一角锥棱镜(9)，被第一角锥棱镜(9)反射后再经第一四分之一波片(8)回到第一测量偏振分光镜(7)并反射到第一平面反射镜(10)，经第一平面反射镜(10)反射后形成逆反光束，逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜(4)处经第一偏振分光镜(4)反射后入射到第二光电探测器(5)，作为第一逆返测量光束；第一偏振分光镜(4)反射的光作为第二测量光束，第二测量光束被直角反射镜(11)反射后，经第二法拉第旋光器(12)入射到第二测量偏振分光镜(13)发生透射，经第二四分之一波片(14)后入射到第二角锥棱镜(15)，被第二角锥棱镜(15)反射后再经第二四分之一波片(14)回到第二测量偏振分光镜(13)，再经第二测量偏振分光镜(13)反射到第二平面反射镜(16)，经第二平面反射镜(16)反射后形成逆反光束，逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜(4)处并经第一偏振分光镜(4)透射后入射到第二光电探测器(5)，作为第二逆返测量光束；第一逆返测量光束和第二逆返测量光束在第二光电探测器(5)的探测通光孔的偏振片处汇合产生拍频干涉，并被第二光电探测器(5)接收获得测量信号；

其特征在于，方法采用以下过程：

1)将角度测量镜安装在被测对象(17)上随被测对象(17)一起运动，选择可以输出正交线偏振光的双频激光器(1)，双频激光器(1)输出的正交线偏振光经过激光外差干涉角度测量光路；

2)根据第一光电探测器(3)和第二光电探测器(5)分别探测到的参考信号和测量信号输入信号采集处理板处理得到被测对象(17)的角度测量数据。

2.根据权利要求1所述的一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：

2.1)参考信号和测量信号经电路整形处理均从正弦信号转变为矩形波信号，然后对两路矩形波信号进行信号上升沿计数，并对两个上升沿计数值对减得到整周期计数值N，对两路矩形波信号的相位差区间进行填脉冲计数处理获得非整周期计数值ε；

2.2)利用整周期计数值N和非整周期计数值ε，采用以下公式计算获得被测对象(17)的转动角度值θ：

其中，λ为激光波长，S为角度测量镜上第一角锥棱镜(9)与第二角锥棱镜(15)间的距离，4为光路的光学倍频系数，n为空气折射率。

3.根据权利要求1所述的一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量方法，其特征在于：所述测量方法中，角度测量镜随被测对象(17)一起转动，只要第一测量光束和第二测量光束分别被第一角锥棱镜(9)和第二角锥棱镜(15)捕获，能使得两测量光束有效逆返。

4.根据权利要求1所述的一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量方法，其特征在于：所述测量方法中，角度测量镜随着被测对象(17)一起运动，当存在径向位移运动时，只要分别被第一角锥棱镜(9)和第二角锥棱镜(15)反射的第一测量光束和第二测量光束能通过第一测量偏振分光镜(7)和第二测量偏振分光镜(13)，就能保证两测量光束的有效逆返。