CN109631805A - 渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置 - Google Patents

渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置。包含具有拍频信号输出的双频激光器和直线度及位移同时测量单元，其中半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组成测量镜，该测量镜移动时，产生含有不同多普勒频差的三路测量光束，经三个光电探测器接收输出三路测量信号，与双频激光器输出的参考信号一起经信号处理板和计算机处理后，得到被测对象的直线度误差及位移。本发明通过半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜的组合，在一套激光干涉装置中实现了直线度及位移的同时测量，同时利用渥拉斯顿棱镜作为测量镜对转角误差不敏感的特点，降低了被测对象转角误差对直线度误差测量结果的影响，提高了直线度误差测量精度和稳定性。

Description

渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置
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，尤其是涉及一种渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置。
背景技术
直线度是表征各类精密导轨或运动平台性能的一项重要几何参数。激光干涉直线度干涉仪具有测量精度高、测量范围大及可溯源性等优点，但一般仅给出了被测直线度误差的大小信息，却没有给出相应的具体位置信息，这在实际精密导轨或运动平台性能检测时，无法确定直线度误差的具体位置，给导轨加工维修或运动平台校准带来极大的不便。
本课题组在前期研究中以双直角反射棱镜作为测量镜，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相应装置，实现了对被测对象的直线度误差及其位置的同时测量。但移动双直角反射棱镜进行直线度误差测量时，被测对象的转角误差会影响直线度误差的测量结果，限制了直线度误差测量精度的提高。
发明内容
本发明公开了一种渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置，将半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组合作为测量镜，移动该测量镜，以实现对被测对象的直线度误差及其位置的同时测量。
本发明通过半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜的组合，在一套激光干涉装置中实现了直线度及位移的同时测量，同时利用渥拉斯顿棱镜作为测量镜对转角误差不敏感的特点，降低了被测对象转角误差对直线度误差测量结果的影响，提高了直线度误差测量精度和稳定性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明包括具有拍频信号输出的双频激光器和直线度及位移同时测量单元，直线度及位移同时测量单元包括第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、参考半透射半反射平面镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二四分之一波片、测量半透射半反射平面镜、渥拉斯顿棱镜、双直角反射棱镜、第二偏振分光棱镜、第一偏振片、第一光电探测器、第二偏振片、第二光电探测器、第三偏振片和第三光电探测器。
双频激光器、第一偏振分光棱镜、第二四分之一波片和测量半透射半反射平面镜依次同光轴布置，第一光电探测器、第一偏振片、第一偏振分光棱镜、第一四分之一波片、参考半透射半反射平面镜和第一平面反射镜依次同光轴布置，第二偏振分光棱镜、第二偏振片和第二光电探测器依次同光轴布置，渥拉斯顿棱镜布置于测量半透射半反射平面镜侧方，渥拉斯顿棱镜两端分别位于双频激光器和第二光电探测器所在光轴上。
所述的直线度及位移同时测量单元中，双频激光器输出两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束到第一偏振分光棱镜分光发生反射和透射，发生反射和透射分别为f1频率s偏振光束和f2频率p偏振光束的两束正交线偏振光束；经第一偏振分光棱镜反射的f1频率s偏振光束作为参考光束，经过第一四分之一波片变为f1频率圆偏振光，再经过参考半透射半反射平面镜后一部分被反射作为位移测量的参考光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的参考光束；位移测量的参考光束逆反再次经过第一四分之一波片后变为垂直于原偏振方向的f1频率p偏振光束，然后入射回到第一偏振分光棱镜发生透射，再经第一偏振片被第一光电探测器接收；经第一偏振分光棱镜透射的f2频率p偏振光束作为测量光束，经过第二四分之一波片变为f2频率圆偏振光，经过测量半透射半反射平面镜后一部分被反射作为位移测量的测量光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的测量光束；测量半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组成的测量镜移动时，位移测量的测量光束被测量镜反射后逆反再次经过第二四分之一波片变成垂直于原偏振方向且含有多普勒频差的f2±Δf频率s偏振光束，然后入射回到第一偏振分光棱镜发生反射，再经第一偏振片被第一光电探测器接收；位移测量的参考光束(f1频率p偏振光束)和测量光束(f2±Δf频率s偏振光束)各自逆反回到第一偏振分光棱镜中汇合合束，合束后经过第一偏振片变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第一光电探测器接收，获得用于位移测量的测量信号；同时，直线度误差测量的参考光束(f1频率圆偏振光束)依次经第一平面反射镜和第二平面反射镜后入射到第二偏振分光棱镜；直线度误差测量的测量光束经渥拉斯顿棱镜的一处分成两束发散的含有不同多普勒频差的第一测量光束(f2±Δfp频率p偏振光束)和第二测量光束(f2±Δfs频率s偏振光束)，两束测量光束被固定放置在合适位置的双直角反射棱镜反射，返回到渥拉斯顿棱镜另一处重新汇合合束，合束后的测量光束入射第二偏振分光棱镜；直线度误差测量的参考光束和测量光束(包含第一测量光束和第二测量光束)均被第二偏振分光棱镜分束，其中反射的f1频率s偏振参考光束和透射的第一测量光束经第二偏振片变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第二光电探测器接收，获得用于直线度误差测量的第一路测量信号；被第二偏振分光棱镜透射的f1频率p偏振参考光束和反射的第二测量光束经第三偏振片变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第三光电探测器接收，获得用于直线度误差测量的第二路测量信号。
用于位移测量的测量信号、用于直线度误差测量的第一路测量信号、用于直线度误差测量的第二路测量信号为三路测量信号。
所述的直线度及位移同时测量单元中测量半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组成的测量镜被固定安装在被测对象上，双直角反射棱镜位置固定。
所述的双频激光器输出具有两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束到第一偏振分光棱镜。
所述的第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一偏振片、第二偏振片和第三偏振片的光轴被调整成相对于光路成45°。
所述的直线度及位移同时测量单元中第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器输出的三路测量信号和双频激光器输出的参考信号一起经信号处理板和计算机处理后，得到被测对象的直线度误差及位移。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明测量装置利用半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜的组合，在一套激光干涉装置中实现了直线度及位移的同时测量；
2)本发明测量装置以渥拉斯顿棱镜为移动测量镜，利用渥拉斯顿棱镜作为测量镜对转角误差不敏感的特点，降低了被测对象转角误差对直线度误差测量结果的影响，提高了直线度误差测量精度和稳定性；
3)本发明测量装置采用激光干涉测量技术，直线度及位移测量具有米溯源性、测量分辨率高以及测量范围大等优点。
本发明适用于超精密加工、微电子制造、微机电系统等领域所涉及的精密导轨、精密运动工作台的直线度误差及位移的同时测量。
附图说明
图1是本发明装置的光路图。
图2是直线度及位移测量光程变化示意图。
图中：1、双频激光器，2、第一偏振分光棱镜，3、第一四分之一波片，4、参考半透射半反射平面镜，5、第一平面反射镜，6、第二平面反射镜，7、第二四分之一波片，8、测量半透射半反射平面镜，9、渥拉斯顿棱镜，10、双直角反射棱镜，11、第二偏振分光棱镜，12、第一偏振片，13、第一光电探测器，14、第二偏振片，15、第二光电探测器，16、第三偏振片，17、第三光电探测器。
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，以激光外差干涉方法为例，本发明选择能够输出拍频信号的双频激光器1，输出具有两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束，其中f1频率线偏振光的偏振方向垂直于图1中的纸面，f2频率线偏振光的偏振方向平行于图1中的纸面，正交线偏振光束进入直线度及位移同时测量单元。
直线度及位移同时测量单元包括第一偏振分光棱镜2、第一四分之一波片3、参考半透射半反射平面镜4、第一平面反射镜5、第二平面反射镜6、第二四分之一波片7、测量半透射半反射平面镜8、渥拉斯顿棱镜9、双直角反射棱镜10、第二偏振分光棱镜11、第一偏振片12、第一光电探测器13、第二偏振片14、第二光电探测器15、第三偏振片16和第三光电探测器17，其中第一四分之一波片3、第二四分之一波片7、第一偏振片12、第二偏振片14和第三偏振片16的光轴被调整成相对于纸面成45°，测量半透射半反射平面镜8和渥拉斯顿棱镜9组成的测量镜被安装在被测对象上，双直角反射棱镜10被固定放置在合适位置。
直线度及位移同时测量单元中，具有两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束被第一偏振分光棱镜2分光，发生反射和透射分别分为f1频率s偏振光束和f2频率p偏振光束的两束正交线偏振光束；经第一偏振分光棱镜2反射的f1频率s偏振光束作为参考光束，经过第一四分之一波片3变为f1频率圆偏振光，经过参考半透射半反射平面镜4后一部分光束被反射作为位移测量的参考光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的参考光束；作为位移测量的参考光束被参考半透射半反射平面镜4反射后逆反再次经过第一四分之一波片3后变为垂直于原偏振方向的f1频率p偏振光束，然后入射回到第一偏振分光棱镜2发生透射；
经第一偏振分光棱镜2透射的f2频率p偏振光束作为测量光束，经过第二四分之一波片7变为f2频率圆偏振光，经过测量半透射半反射平面镜8后一部分光束被反射作为位移测量的测量光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的测量光束；测量半透射半反射平面镜8和渥拉斯顿棱镜9组成的测量镜移动时，作为位移测量的测量光束被反射后逆反再次经过第二四分之一波片7变成垂直于原偏振方向且含有多普勒频差的f2±Δf频率s偏振光束，然后入射回到第一偏振分光棱镜2发生反射；作为位移测量的参考光束(f1频率p偏振光束)和测量光束(f2±Δf频率s偏振光束)各自逆反回到第一偏振分光棱镜2中汇合，形成合束后经过第一偏振片12变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第一光电探测器13接收，获得用于位移测量的测量信号。
同时，作为直线度误差测量的测量光束通过移动的测量半透射半反射平面镜8和渥拉斯顿棱镜9，分成两束含有不同多普勒频差的第一测量光束(f2±Δfp频率p偏振光束)和第二测量光束(f2±Δfs频率s偏振光束)，两束发散的测量光束被固定放置在合适位置的双直角反射棱镜10反射，返回到渥拉斯顿棱镜9并在另一点重新组合，重组的测量光束入射到第二偏振分光棱镜11，与被参考半透射半反射平面镜4透射、第一平面反射镜5和第二平面反射镜6反射的参考光束(f1频率圆偏振光束)汇合；
作为直线度误差测量的参考光束和测量光束(包含第一测量光束和第二测量光束)均被第二偏振分光棱镜11分束，其中反射的f1频率s偏振参考光束和透射的第一测量光束经第二偏振片14变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第二光电探测器15接收，获得用于直线度误差测量的第一路测量信号；被第二偏振分光棱镜11透射的f1频率p偏振参考光束和反射的第二测量光束经第三偏振片16变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第三光电探测器17接收，获得用于直线度误差测量的第二路测量信号。
直线度及位移同时测量单元的第一光电探测器13、第二光电探测器15和第三光电探测器17输出的三路测量信号和双频激光器1输出的参考信号一起经信号处理板和计算机处理后，得到被测对象的直线度误差及位移。
具体的双频激光器采用安捷伦公司生产的5517A双纵模稳频He-Ne激光器，信号处理板采用Altera公司生产的FPGA(现场可编程门阵列)芯片EP2C20Q240C8的高速信号处理板，计算机采用联想公司生产的ThinkStation P410台式机。
在图1中，光路中的双短线和空心椭圆表示f1频率的线偏振光和圆偏振光，粗短线和实心椭圆表示f2频率的线偏振光和圆偏振光，带空心三角形的粗短线和实心椭圆表示含有多普勒频差的f2±Δf频率的线偏振光和圆偏振光，带实心三角形的水平和垂直粗短线分别表示含有不同多普勒频差的f2±Δfp频率p偏振光束和f2±Δfs频率s偏振光束。
结合图2，渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置的具体实现如下：
1)测量前，将测量半透射半反射平面镜8和渥拉斯顿棱镜9组成的测量镜固定安装在被测对象上，将双直角反射棱镜10固定放置在另一侧合适位置。
2)测量时，将测量半透射半反射平面镜8和渥拉斯顿棱镜9组成的测量镜从初始位置移动到当前位置，时间为t，移动的距离为L，且当前位置存在Δh的直线度误差。根据图2所示几何关系，由多普勒效应引起的三路测量光束的频率变化可以分别表示为：
式中：△f、△fp、△fs分别表示用于位移测量的测量光束、用于直线度误差测量的第一测量光束、用于直线度误差测量的第二测量光束为三路测量光束的频率变化；λ2为f2频率的激光波长，θ为渥拉斯顿棱镜分束角的一半，v1为沿测量基准轴线方向的速度，v2为垂直于测量基准轴线方向的速度。当测量镜和激光器相背运动时速度v1为正，反之为负；测量镜相对于测量基准线向上运动时，速度v2为正，反之为负。
3)含有不同多普勒频差的三束测量光束，分别与参考光束发生干涉后被三个光电探测器接收，则第一光电探测器13、第二光电探测器15和第三光电探测器17输出的三路测量信号的频率分别为f1-f2±Δf、f1-f2±Δfp和f1-f2±Δfs，三者分别与双频激光器1输出的参考信号(频率为f1-f2)进行频差计算后可得三路测量光束的频率变化Δf、Δfp和Δfs，则对应的三路测量光束的位移测量值可以分别表示为：
式中，L、L1、L2分别表示用于位移测量的测量信号、用于直线度误差测量的第一路测量信号、用于直线度误差测量的第二路测量信号为三路测量信号的位移测量值。
根据图2所示的几何关系，被测对象的直线度误差及位移可以分别表示为：
直线度误差：
位移：
当测量镜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。
具体的信号处理是由基于FPGA的高速信号处理板完成，其过程分为模拟处理部分和数字处理部分，其中模拟处理部分对测量信号和参考信号进行预处理，包括探测器到信号处理板的差分接收、信号的锁相环跟踪、混频、滤波以及整形，数字处理部分对测量信号和参考信号进行脉冲计数，包括整周期计数和非整周期计数，由FPGA内部的数字逻辑门负责。FPGA完成数据处理后传输送到计算机进行软件处理及显示。当双频激光器输出双纵模的频差为1.7MHz、激光中心波长为632.8nm时，测量信号与参考信号经混频处理后，信号中心频率降频为14KHz，采用400MHz高频填脉冲信号进行非整周期计数，则相位细分系数达到28571，相位测量分辨率可达0.0126°。当渥拉斯顿棱镜分束角为1.5°时，位移测量分辨率可达0.04nm，测量范围为0.1-4.0m，直线度误差测量分辨率可达1.53nm，测量范围为±2.5mm。
通过以上步骤实现了直线度误差及位移的同时测量，同时利用渥拉斯顿棱镜作为测量镜对转角误差不敏感的特点，降低了被测对象转角误差对直线度误差测量结果的影响，提高了直线度误差测量精度和稳定性。
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，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：包括具有拍频信号输出的双频激光器(1)和直线度及位移同时测量单元，直线度及位移同时测量单元包括第一偏振分光棱镜(2)、第一四分之一波片(3)、参考半透射半反射平面镜(4)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(6)、第二四分之一波片(7)、测量半透射半反射平面镜(8)、渥拉斯顿棱镜(9)、双直角反射棱镜(10)、第二偏振分光棱镜(11)、第一偏振片(12)、第一光电探测器(13)、第二偏振片(14)、第二光电探测器(15)、第三偏振片(16)和第三光电探测器(17)；所述的直线度及位移同时测量单元中，两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束到第一偏振分光棱镜(2)分光发生反射和透射，发生反射和透射分别为f1频率s偏振光束和f2频率p偏振光束的两束正交线偏振光束；经第一偏振分光棱镜(2)反射的f1频率s偏振光束作为参考光束，经过第一四分之一波片(3)变为f1频率圆偏振光，再经过参考半透射半反射平面镜(4)后一部分被反射作为位移测量的参考光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的参考光束；位移测量的参考光束逆反再次经过第一四分之一波片(3)后变为垂直于原偏振方向的f1频率p偏振光束，然后入射回到第一偏振分光棱镜(2)发生透射，再经第一偏振片(12)被第一光电探测器(13)接收；经第一偏振分光棱镜(2)透射的f2频率p偏振光束作为测量光束，经过第二四分之一波片(7)变为f2频率圆偏振光，经过测量半透射半反射平面镜(8)后一部分被反射作为位移测量的测量光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的测量光束；
测量半透射半反射平面镜(8)和渥拉斯顿棱镜(9)组成的测量镜移动时，位移测量的测量光束被测量镜反射后逆反再次经过第二四分之一波片(7)变成垂直于原偏振方向且含有多普勒频差的f2±Δf频率s偏振光束，然后入射回到第一偏振分光棱镜(2)发生反射，再经第一偏振片(12)被第一光电探测器(13)接收；
位移测量的参考光束(f1频率p偏振光束)和测量光束(f2±Δf频率s偏振光束)各自逆反回到第一偏振分光棱镜(2)中汇合合束，合束后经过第一偏振片(12)变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第一光电探测器(13)接收，获得用于位移测量的测量信号；
同时，直线度误差测量的参考光束(f1频率圆偏振光束)依次经第一平面反射镜(5)和第二平面反射镜(6)后入射到第二偏振分光棱镜(11)；直线度误差测量的测量光束经渥拉斯顿棱镜(9)分成两束发散的含有不同多普勒频差的第一测量光束(f2±Δfp频率p偏振光束)和第二测量光束(f2±Δfs频率s偏振光束)，两束测量光束被双直角反射棱镜(10)反射，返回到渥拉斯顿棱镜(9)重新汇合合束，合束后的测量光束入射第二偏振分光棱镜(11)；直线度误差测量的参考光束和测量光束(包含第一测量光束和第二测量光束)均被第二偏振分光棱镜(11)分束，其中反射的f1频率s偏振参考光束和透射的第一测量光束经第二偏振片(14)变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第二光电探测器(15)接收，获得用于直线度误差测量的第一路测量信号；被第二偏振分光棱镜(11)透射的f1频率p偏振参考光束和反射的第二测量光束经第三偏振片(16)变成两个偏振方向相同的线偏振光束并发生干涉，被第三光电探测器(17)接收，获得用于直线度误差测量的第二路测量信号。
2.根据权利要求1所述的渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的直线度及位移同时测量单元中测量半透射半反射平面镜(8)和渥拉斯顿棱镜(9)组成的测量镜被固定安装在被测对象上，双直角反射棱镜(10)位置固定。
3.根据权利要求1所述的渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的双频激光器(1)输出具有两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束到第一偏振分光棱镜(2)。
4.根据权利要求1所述的渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的第一四分之一波片(3)、第二四分之一波片(7)、第一偏振片(12)、第二偏振片(14)和第三偏振片(16)的光轴被调整成相对于光路成45°。
5.根据权利要求1所述的渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的直线度及位移同时测量单元中第一光电探测器(13)、第二光电探测器(15)和第三光电探测器(17)输出的三路测量信号和双频激光器(1)输出的参考信号一起经信号处理板和计算机处理后，得到被测对象的直线度误差及位移。
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