CN110068272B - 一种二维直线度误差及其位置同时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维直线度误差及其位置同时测量装置及方法。使用一个角锥棱镜作为三自由度测量光路的测量镜，激光光斑位置检测光路产生的光斑位置信号，经信号采集和数据处理实现水平直线度误差和垂直直线度误差的测量，激光外差干涉位置测量光路产生的干涉信号，经信号采集和数据处理实现直线度误差测量点位置的测量。本发明不仅能实现水平和垂直直线度误差的同时测量，还可同时给出直线度误差测量点的位置，用于大行程精密导轨，精密工作台等的直线度参数测量和校准中，提高检测效率。

Description

一种二维直线度误差及其位置同时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种精密几何量测量领域中多自由度参数同时测量的装置和方法，尤其是涉及一种二维直线度误差及其位置同时测量装置及方法。

背景技术

在超精密加工与制造中，高精度的几何量检测是保证精密加工与制造精度的关键。激光的干涉性、直线性和长度基准的溯源性特点，使得激光技术成为几何量检测中采用的主要技术手段。传统的激光干涉仪利用配套的直线度测量组件，虽然可实现直线度的测量，但是水平直线度和垂直直线度测量需要分时进行，每次仅可实现一维的直线度测量，另外，直线度误差测量点的位置也不能同时给出，这给实际的直线度测量与校准领域带来极大不便。基于激光的直线性特点，利用位置敏感探测器对激光光斑位置变化进行探测是目前实现多自由度参数同时测量直接且有效的技术手段。为此，针对直线度测量领域中直线度误差及其位置不能同时给出的技术问题，本发明融合激光光斑位置测量理论和激光干涉理论，设计了创新的光路结构，以实现二维直线度误差及其位置三个自由度参数的同时测量。本发明的光路结构测量部分与广泛应用的传统激光位移干涉仪一样，仅由一个角锥棱镜实现，且无线缆连接，结构简单。本发明不仅能实现水平和垂直直线度误差的同时测量，还可同时给出直线度误差测量点的位置。本发明可应用于大行程精密运动导轨，精密位移工作台等的多自由度参数测量和校准中，尤其是直线度误差测量点位置的定位应用中，可提高检测或校准效率。

发明内容

为了解决传统的激光直线度测量技术中，直线度误差测量点的位置不能同时给出的技术问题，本发明融合激光光斑位置测量理论和激光干涉理论，给出一种二维直线度误差及其位置同时测量方法，可实现水平直线度误差、垂直直线度误差和直线度误差测量点位置三个自由度参数的同时测量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种二维直线度误差及其位置同时测量装置：

装置包括激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路，激光光斑位置检测光路包括半透半反镜和位置敏感探测器，激光外差干涉位置测量光路包括双频激光器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、平面镜、偏振片、光电探测器、法拉第旋光器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、角锥棱镜和半透半反镜；测量镜为角锥棱镜，角锥棱镜固定于被测物体上，随着被测物体一起运动。

所述的双频激光器输出频率分别为f₁和f₂的正交线偏振光，正交线偏振光入射到第一偏振分光镜发生反射和透射分成反射光和透射光，频率为f₁的反射光到达参考臂，频率为f₂的透射光到达测量臂；在参考臂中，第一偏振分光镜反射的频率为f₁的反射光经第一四分之一波片透射，经平面镜反射后再回到第一四分之一波片透射，再经第一偏振分光镜透射、偏振片透射后，入射到光电探测器上；在测量臂中，第一偏振分光镜透射的频率为f₂的测量光经法拉第旋光器入射到第二偏振分光镜发生透射，经第二四分之一波片后入射到角锥棱镜，被角锥棱镜正常反射后返回经第二四分之一波片透射回到第二偏振分光镜，再经第二偏振分光镜反射到半透半反镜发生透射和反射，经半透半反镜反射后形成逆返光束，逆返光束回到按原光路逆返回到第一偏振分光镜处，逆返光束经第一偏振分光镜反射后再经偏振片透射，入射到光电探测器；由参考臂返回的频率为f₁的参考光和由测量臂返回的频率为f₂的测量光在偏振片汇合产生拍频干涉，拍频干涉信号被光电探测器探测到生成测量信号。

所述的经半透半反镜反射后形成的逆返光束按原光路逆返光路为：逆返光束反射回到第二偏振分光镜发生反射，经第二四分之一波片入射到角锥棱镜反射，角锥棱镜的反射光返回再经第二四分之一波片入射回到第二偏振分光镜透射，第二偏振分光镜透射后经法拉第旋光器回到第一偏振分光镜。

本发明通过法拉第旋光器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片和半透半反镜在光路上的设置，能实现当角锥棱镜沿着水平和垂直直线度方向存在较大直线度误差时测量光束的有效逆返。

双频激光器输出频率分别为f₁和f₂的正交线偏振光，部分光被激光器内部光电探测器探测到生成的信号输出作为参考信号。

激光光斑位置检测光路中，角锥棱镜反射的测量光经第二四分之一波片透射，第二偏振分光镜反射后入射到半透半反镜上发生透射和反射，被半透半反镜反射的部分光用于产生逆返测量光束，被半透半反镜透射的部分光入射到位置敏感探测器上，通过检测入射到位置敏感探测器上的激光光斑位置偏移量，实现被测物体的水平直线度误差和垂直直线度误差的测量。

所述法拉第旋光器的旋光角度为45°，所述第二偏振分光镜绕光轴沿着测量光束正向传播方向看去顺时针旋转45°放置(即图1中从左到右看)。

还包含信号采集处理模块和计算机，位置敏感探测器和光电探测器均经信号采集处理模块与计算机连接，光电探测器探测到的测量信号和双频激光器提供的参考信号以及位置敏感探测器探测到的光斑位置信号均经数据采集处理模块传输至计算机进行处理，最终由计算机给出二维直线度误差及其位置测量结果。

二、一种二维直线度误差及其位置同时测量方法，采用以下过程：

1)角锥棱镜安装在被测物体上随被测物体一起运动，选择能够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光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路；由光路位置敏感探测器和光电探测器探测到的光信号经信号采集处理同时得到被测物体的二维直线度误差及其位置值：

所述测量方法，测量起始位置调整测量光束入射到角锥棱镜的角点中心，并设置位置敏感探测器的探测到的激光光斑位置为零位。

1.1)根据位置敏感探测器探测到的光斑位置信号，获得激光光斑位置的偏移量，经信号采集处理得到被测物体的水平直线度误差和垂直直线度误差；

1.2)根据双频激光器输出提供的参考信号和光电探测器探测到的测量信号，经信号采集处理得到被测物体直线度误差测量点的位置。

所述步骤1.1)具体为：

1.1.1)在直线度测量光路中，沿着激光光束传播的方向看，由于第二偏振分光镜和位置敏感探测器为顺时针旋转45°放置，使得位置敏感探测器的探测平面与水平和垂直直线度误差测量方向成45°角，将位置敏感探测器探测到的激光光斑位置水平偏移量和垂直偏移量转换为旋转45°后坐标系下的水平方向直线度原始误差数据Δx′和垂直方向直线度原始误差数据Δy′，转换公式如下：

其中，Δx_PSD为位置敏感探测器检测到的激光光斑位置水平偏移量，Δy_PSD为位置敏感探测器检测到的激光光斑位置垂直偏移量；

1.1.2)角锥棱镜的逆反特性，角锥棱镜的入射光束与出射光束间的距离变化量为角锥棱镜沿着垂直于入射光束方向运动变化量的两倍，将水平方向直线度原始误差数据Δx′和垂直方向直线度原始误差数据Δy′分别除以系数2，得到实际被测物体的水平方向直线度误差Δx和垂直方向直线度值误差Δy，计算公式如下：

所述步骤1.2)具体为：

1.2.1)经过对参考信号和测量信号处理，获得被测物体的直线度误差位置对应的整周期计数值N和非整周期计数值ε；

1.2.2)采用以下公式计算获得被测物体的直线度误差位置值L：

其中，4为激光外差干涉位置测量光路的光学倍频系数，n为空气折射率，λ为激光波长。

本发明设置了激光光斑位置检测光路，融合激光光斑位置测量和激光外差干涉测量实现了三自由度参数测量，能实现水平直线度误差和垂直直线度误差的同时测量，还可同时给出直线度误差测量点的位置。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明融合激光光斑位置测量理论和激光干涉理论进行光路的创新设计，实现了二维直线度误差及其位置的同时测量，解决了传统的激光直线度测量方法不能同时给出直线度误差测量点位置的技术问题。

(2)本发明可实现被测物体水平直线度误差、垂直直线度误差和直线度误差测量点的位置三个自由度参数同时测量，满足实际应用中对直线度检测与校准的高效率需求。

(3)本发明的激光外差干涉光路结构，可以确保当角锥棱镜沿着水平和垂直直线度方向的存在较大的直线度误差时，测量光束的有效逆返，以确保测量干涉信号的正常生成。

(4)本发明的系统光路结构简单，测量单元仅由一个角锥棱镜实现，且无线缆连接，测量系统易于构建。

本发明适用于超精密加工技术、微光机电系统等领域，适用于其中各领域所涉及的大行程精密运动导轨，精密位移工作台等的多自由度参数测量与校准中，尤其是能用于直线度误差测量点的位置定位的应用中，提高检测效率。

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、第一偏振分光镜，3、第一四分之一波片，4、平面镜，5、偏振片，6、光电探测器，7、法拉第旋光器，8、第二偏振分光镜，9、第二四分之一波片，10、角锥棱镜，11、半透半反镜，12、位置敏感探测器。

图2是激光光斑位置检测直线度原理示意图。

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，包括激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路部分，具体实施过程如下：

A)激光光斑位置检测光路部分

激光光斑位置检测光路部分包括半透半反镜11和位置敏感探测器12。角锥棱镜10反射的光经第二四分之一波片9透射，第二偏振分光镜8反射，入射到半透半反镜11。被半透半反镜11反射的部分光用于产生逆返测量光束，被半透半反镜11透射的光入射到位置敏感探测器12上，通过探测入射到位置敏感探测器12上的光斑位置偏移量，实现水平直线度误差和垂直直线度误差的测量。

位置敏感探测器12探测到的光斑位置信号，经数据采集处理模块传输至计算机进行处理，最终由计算机对位置敏感探测器12上探测到的激光光斑位置变化量进行数据采集处理，得到激光光斑相对于初始零位的位置偏移量。具体实施中位置敏感探测器12采用美国Thorlabs公司的PDP90A位置敏感探测器，对应的信号处理采用Thorlabs公司的KPA101信号处理模块。

经计算机数据处理得到被测物体的水平直线度误差Δx和垂直直线度误差Δy。在计算机中，利用VB.net软件编程研制得上位机软件，可将测得水平直线度误差Δx和垂直直线度误差Δy显示出来。

B)激光外差干涉位置测量光路部分

激光外差干涉位置测量光路包括双频激光器1、第一偏振分光镜2、第一四分之一波片3、平面镜4、偏振片5、光电探测器6、法拉第旋光器7、第二偏振分光镜8、第二四分之一波片9、角锥棱镜10、半透半反镜11。双频激光器1输出频率分别为f₁和f₂的正交线偏振光，正交线偏振光入射到第一偏振分光镜2发生反射和透射分成反射光和透射光，频率为f₁的反射光到达参考臂，频率为f₂的透射光到达测量臂。

双频激光器1输出的正交线偏振光，正交线偏振光是两束频率不同、频率分别为f₁和f₂的正交线偏振光，双频激光器1采用横向塞曼效应的He-Ne稳频激光器，具体选用美国Agilent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频差为2.26MHz，中心波长为632.991372nm。

在参考臂中，第一偏振分光镜2反射的频率为f₁的参考光经第一四分之一波片3透射，平面镜4反射，再依次经第一四分之一波片3透射、第一偏振分光镜2透射、偏振片5透射，入射到光电探测器6。

在测量臂中，第一偏振分光镜2透射的频率为f₂的测量光经法拉第旋光器7入射到第二偏振分光镜8发生透射，经第二四分之一波片9后入射到角锥棱镜10，被角锥棱镜10正常反射后再经第二四分之一波片9回到第二偏振分光镜8，再经第二偏振分光镜8反射到半透半反镜11，经半透半反镜11反射后形成逆返光束，逆返光束按原光路逆反回到第一偏振分光镜2处，逆返光束经第一偏振分光镜2反射后再经偏振片5透射，然后入射到光电探测器6；由参考臂返回的频率为f₁的光和由测量臂返回的频率为f₂光在偏振片5处产生拍频干涉，拍频干涉信号被光电探测器6探测到生成测量信号。参考信号由双频激光器1提供。

参考信号和测量信号由差分信号传输线传输至采用美国Intel公司的FPGA芯片EP2C20Q240I8N设计实现的外差干涉信号采集处理板，经信号采集处理获得干涉信号的整周期计数值和非整周期计数值，并由计算公式得到被测物体直线度误差测量点的位置。

图1中，角锥棱镜10随着被测物体一起运动。其他光路均固定在同一殷刚材料制造的底板上。

图2中，角锥棱镜10存在沿着水平和垂直直线度方向的位移时，法拉第旋光器7、第二偏振分光镜8、第二四分之一波片9和半透半反镜11在光路上的设置，能确保当角锥棱镜10沿着水平和垂直直线度方向存在较大的直线度误差时测量光束的有效逆返。

测量完成后，可以得到与角锥棱镜10一起运动的被测物体的水平直线度误差、垂直直线度误差和直线度误差测量点的位置。

具体实施中采用美国NewPort公司的XML350磁浮导轨作为直线度和线性位移驱动器进行直线度和位移测量比对实验。直线度测量采用Thorlabs公司的PDP90A位置敏感探测器，对应的信号处理采用Thorlabs公司的KPA101信号处理模块。测量角锥棱镜10选用空心角锥棱镜实现。具体实施中的测量结果为：直线度测量光路中，由于PDP90A位置敏感探测器12的有效探测孔径为9mm，实际激光的光斑直径为6mm，以光斑完全照射到位置敏感探测器孔径内为准，则位置敏感探测器可测量的光斑位置变化范围为3mm，对应可测量的水平直线度误差和垂直直线度误差的最大测量范围均为1.5mm。利用Agilent 5529A激光干涉仪作为直线度和位移测量比对实验对象，进行比对实验：在300mm范围的对XML350导轨直线度测量比对实验中，直线度测量最大偏差位1.15μm，标准偏差位0.35μm；在300mm范围内以1mm为步进的位移测量比对实验中，位移最大偏差为39nm，标准偏差为13nm。具体实施表明本发明构建的系统可用于实现水平直线度误差、垂直直线度误差和直线度误差测量点位置三个自由度参数的同时测量，且具有较大的测量范围。

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 (2)

1.一种二维直线度误差及其位置同时测量方法，其特征在于：采用二维直线度误差及其位置同时测量装置，装置包括激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路，激光光斑位置检测光路包括半透半反镜（11）和位置敏感探测器（12），激光外差干涉位置测量光路包括双频激光器（1）、第一偏振分光镜（2）、第一四分之一波片（3）、平面镜（4）、偏振片（5）、光电探测器（6）、法拉第旋光器（7）、第二偏振分光镜（8）、第二四分之一波片（9）、角锥棱镜（10）和半透半反镜（11）；角锥棱镜（10）固定于被测物体上，随着被测物体一起运动；

所述的双频激光器（1）输出频率分别为f ₁和f ₂的正交线偏振光，正交线偏振光入射到第一偏振分光镜（2）发生反射和透射分成反射光和透射光，频率为f ₁的反射光到达参考臂，频率为f ₂的透射光到达测量臂；在参考臂中，第一偏振分光镜（2）反射的频率为f ₁的反射光经第一四分之一波片（3）透射，经平面镜（4）反射后再回到第一四分之一波片（3）透射，再经第一偏振分光镜（2）透射、偏振片（5）透射后，入射到光电探测器（6）上；在测量臂中，第一偏振分光镜（2）透射的频率为f ₂的测量光经法拉第旋光器（7）入射到第二偏振分光镜（8）发生透射，经第二四分之一波片（9）后入射到角锥棱镜（10），被角锥棱镜（10）正常反射后返回经第二四分之一波片（9）透射回到第二偏振分光镜（8），再经第二偏振分光镜（8）反射到半透半反镜（11）发生透射和反射，经半透半反镜（11）反射后形成逆返光束，逆返光束回到按原光路逆返回到第一偏振分光镜（2）处，逆返光束经第一偏振分光镜（2）反射后再经偏振片（5）透射，入射到光电探测器（6）；由参考臂返回的频率为f ₁的参考光和由测量臂返回的频率为f ₂的测量光在偏振片（5）汇合产生拍频干涉，拍频干涉信号被光电探测器（6）探测到生成测量信号；

激光光斑位置检测光路中，角锥棱镜（10）反射的测量光经第二四分之一波片（9）透射，第二偏振分光镜（8）反射后入射到半透半反镜（11）上发生透射和反射，被半透半反镜（11）反射的部分光用于产生逆返测量光束，被半透半反镜（11）透射的部分光入射到位置敏感探测器（12）上，通过检测入射到位置敏感探测器（12）上的激光光斑位置偏移量，实现被测物体的水平直线度误差和垂直直线度误差的测量；

所述法拉第旋光器的旋光角度为45°，所述第二偏振分光镜绕光轴沿着测量光束正向传播方向看去顺时针旋转45°放置；

方法采用以下过程：

1)角锥棱镜（10）安装在被测物体上随被测物体一起运动，选择能够输出正交线偏振光的双频激光器（1），双频光器（1）输出的正交线偏振光经过激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路；由光路位置敏感探测器（12）和光电探测器（6）探测到的光信号经信号采集处理同时得到被测物体的二维直线度误差及其位置值；

1.1)根据位置敏感探测器（12）探测到的光斑位置信号，获得激光光斑位置的偏移量，经信号采集处理得到被测物体的水平直线度误差和垂直直线度误差；

所述步骤1.1)具体为：

1.1.1)将位置敏感探测器（12）探测到的激光光斑位置水平偏移量和垂直偏移量转换为旋转45°后坐标系下的水平方向直线度原始误差数据Δx´和垂直方向直线度原始误差数据Δy´，转换公式如下：

其中，Δx _PSD为位置敏感探测器（12）检测到的激光光斑位置水平偏移量，Δy _PSD为位置敏感探测器（12）检测到的激光光斑位置垂直偏移量；

1.1.2)将水平方向直线度原始误差数据Δx´和垂直方向直线度原始误差数据Δy´分别除以系数2，得到实际被测物体的水平方向直线度误差Δx和垂直方向直线度值误差Δy，计算公式如下：

；

1.2)根据双频激光器（1）输出提供的参考信号和光电探测器（6）探测到的测量信号，经信号采集处理得到被测物体直线度误差测量点的位置。

2.根据权利要求1所述的一种二维直线度误差及其位置同时测量方法，其特征在于：所述步骤1.2)具体为：

1.2.1)经过对参考信号和测量信号处理，获得被测物体的直线度误差位置对应的整周期计数值N和非整周期计数值ε；

1.2.2)采用以下公式计算获得被测物体的直线度误差位置值L：

其中，n为空气折射率，λ为激光波长。

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