CN111121614A - 一种二维直线度和直线位移同时测量干涉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，具体为一种二维直线度和直线位移同时测量干涉装置，应用于精密定位平台的直线度误差检测和直线位移测量，激光器射出准直光束经过扩束系统后，中心光束由滤波片接收，经过滤波片滤波后的光束经分光平板分为两部分，一部分为参考光，参考光经过四分之一波片后入射至反光镜后原路返回，再经过四分之一波片后经过分光平板后发生透射，后经偏振片，偏振片的透振方向与水平方向成45°；另一部分为测量光，测量光经分光平板后透射部分经过四分之一波片后再经圆锥透镜后发生转角，转角后入射至圆锥面反射镜后原路返回，再次经过圆锥透镜和四分之一波片发生反射，后经偏振片，与参考光发生干涉。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体为一种二维直线度和直线位移同时测量干 涉装置。
背景技术
开发一批精密、高速、高效、柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系 统，是《中国制造2025》的主题之一，已成为制造业的重点研究对象。目前各 种精密定位装置中的位移控制精度一般在纳米量级，而在高性能精密数控机床、 三坐标测量机等涉及精密定位平台的系统或装备中，位移测量精度达到了几个 纳米，甚至1个纳米以下。因此，高精度的位移及角度检测是保障加工精度的 重要手段。
目前多自由度检测方法多采用基于激光准直和激光干涉的测量方法，其中 基于激光准直的方法利用光电探测器接收的光斑位置信息来获知位移信息，该 方法的优点是可以同时检测多个自由度，缺点是测量精度受限于光电探测器的 位置检测精度。而利用激光干涉的方法可以得到很高的几何位移检测精度，例 如上海理工大学侯文玫老师提出的高精度直线度测量干涉仪，该系统利用差分 平面干涉仪，结合楔形棱镜和楔面反射的组合，形成一个几何空间对称的四光 束系统，利用分辨率为2π/3600的相位计，可以实现测量分辨率达到纳米级的 直线度误差检测。但是激光干涉法一般情况下只能测量一个几何量，不适合多 自由度同时测量。
现有的技术也有涉及基于激光干涉的两个自由度误差的测量方法，如申请 号为201910056987.1的一件中国发明专利申请公开了一项称为“微小滚转角与直 线度同步高精度测量干涉仪以及测量方法”的方案。然而该方案是在增加光路 系统的复杂程度上实现的两个自由度误差的检测，且尚无有效的光路调节方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种二维直线度和直线位移同时测量干涉装置，能 够准确、有效的二维直线度和直线位移同时测量干涉装置，其能够获得纳米级 直线度误差和微米级位移误差的测量精度。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种二维直线度和直 线位移同时测量干涉装置，激光器射出准直光束经过扩束系统后，中心光束由 滤波片接收，经过滤波片滤波后的光束经分光平板分为两部分，一部分经过四 分之一波片后入射至反光镜后原路返回，再经过四分之一波片后经过分光平板 后发生透射，后经偏振片，偏振片与水平方向成45°，经过凹透镜后光束发生 发散，光束成像至光电探测器；孔径光束经分光平板后透射部分经过四分之一 波片后再经圆锥透镜后发生转角，转角后入射至圆锥面反射镜后原路返回，再 次经过圆锥透镜和四分之一波片发生反射，后经偏振片，其透射方向与水平方 向成45°，后经过凹透镜，光束成像至光电探测器上。
作为优选，所述圆锥透镜的锥角为160°-165°。
作为优选，所述激光器可以为He-Ne激光器、固体激光器或者半导体激光 器。
本发明所达到的有益效果：本发明的二维直线度和直线位移同时测量干涉 装置可以同时测量水平直线度、竖直直线度和直线位移三个几何位移；同时环 境因素对直线度位移的影响是可以忽略的，适用于复杂的检测环境，并且结构 简单，测量行程和测量范围较大。
附图说明
图1为二维直线度和直线位移同时测量干涉装置光路系统结构图；
图2为光束在圆锥透镜内传播光路示意图；
图3为初始时干涉条纹图；
图4为圆锥透镜发生沿光轴方向位移后的干涉条纹图案；
图5至7为圆锥透镜发生沿垂直光轴方向位移后的干涉条纹图案。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明 本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，一种二维直线度和直线位移同时测量干涉装置，激光器1射出准 直光束经过扩束系统2后，中心光束由滤波片3接收，经过滤波片3滤波后的光 束经分光平板4分为两部分，一部分经过四分之一波片8后入射至反光镜9后原 路返回，再经过四分之一波片8后经过分光平板4后发生透射，后经偏振片11， 偏振片11与水平方向成45°，经过凹透镜12后光束发生发散，光束成像至光 电探测器13；孔径光束经分光平板4后透射部分经过四分之一波片5后再经圆 锥透镜6后发生转角，转角后入射至圆锥面反射镜7后原路返回，再次经过圆 锥透镜6和四分之一波片5发生反射，后经偏振片11，其透射方向与水平方向 成45°，后经过凹透镜12，光束成像至光电探测器13上。
所述圆锥透镜6的锥角为160°-165°。
所述激光器1可以为He-Ne激光器、固体激光器或者半导体激光器。
一种二维直线度和直线位移同时测量方法，激光器1的出射光为准直光束； 该准直光束经过扩束系统2后光束直径变大，其中中心光束由滤波片3接收， 经过滤波片3滤波后的光束经分光平板4分为两部分，反射光为参考光束，偏 振态为竖直偏振光，经过四分之一波片8后变为圆偏振态，后入射至反光镜9 后原路返回，再次经过四分之一波片8后变为水平偏振光，该偏振光经过分光 平板4后发生透射，后经偏振片11，其透振方向与水平方向成45°，后经过凹 透镜后，光束发生发散，光束成像至光电探测器13；空心光束经分光平板4后 透射部分为测量光束，偏振态为水平偏振光，经过四分之一波片5后变为圆偏 振态，后经过圆锥透镜6后，该光束的传播方向发生一定的转角，后入射至圆 锥面反射镜7后原路返回，再次经过圆锥透镜6和四分之一波片5，其偏振态变 为竖直偏振态，经过分光平板4后发生反射，后经偏振片1，其透振方向与水平 方向成45°，后经过凹透镜后，光束成像至至光电探测器13。
参考光束和测量光束在光电探测器13上发生干涉；光电接收器为面阵CCD 或者两个成十字排列的线阵CCD；所述凹透镜12的作用是将干涉光成像在光电 探测器。
光电探测器可以为面阵CCD或者两个成十字排列的线阵CCD，参见图3 和图4。
当圆锥透镜发生光轴方向直线位移时，干涉条纹表现为‘内陷’或者‘外 吐’，参见图5为光轴方向位移为7.5微米后的干涉条纹图案；如果圆锥透镜发 生垂直光轴方向的直线位移时，干涉条纹表现为朝向或者背离圆锥透镜的移动 方向变化，且干涉条纹对称分布，对称的轴线即沿位移变化方向，图6即为垂 直光轴方向水平直线度位移为50微米，竖直直线度位移为50微米的干涉图案。
下面详细描述垂直于光轴方向的直线度测量原理：
图2为光束经过楔角棱镜的传播示意图(过光轴的任意截面)，其中α为楔 角，β为折射角。测量开始时，光线传播光路如虚线所示，如果楔角棱镜x方 向发生位移d时，相对于光束的传播路径如实线所示，左面光束Beam1向外偏 移了d，右边光束Beam2向内偏移了d。由于光线传播的总路程不会发生变化， 但是Beam1在楔角棱镜内传播的距离增加了AA*，在空气中传播的距离减小了BB*，楔角棱镜的材质为k9玻璃，其折射率为1.516，空气的折射率约为1，相 对来说，Beam1的光程变大了；同理Beam2在楔角棱镜内传播的距离减小了， 在空气中传播的距离增大了，Beam2的光程变小了。Beam2光程变化的量和 Beam1光程变化的量绝对值相等，符号相反。
设L为光线Beam1在楔角棱镜内的路程变化量，则可以得到：
因为光线Beam1先后穿过楔角棱镜2次，故总光程差可以表示为：
ΔL＝2L(n-1)＝2(n-1)dtanα (2)
其中n代表楔角棱镜的折射率，1代表空气的折射率。光程变化与相位差Δ Φ之间的关系可以表示为：
其中λ为入射光的波长。因此可得：
根据式(4)即可得到直线度误差d的大小。当α＝2°，波长为632.8nm， 相位计的分辨率为2π/720时，根据Beam1的干涉条纹变化测得的直线度d的 最小分辨率约为24nm，由于干涉条纹成对称分布，当发生直线度位移的时候， 对称的干涉条纹变化相同，因此可以检测对称的条纹，分辨率可以提高一倍为 12nm。
下面详细描述沿光轴方向直线位移的测量原理：
参考图7，当圆锥透镜(6)发生沿光轴方向位移时，圆锥透镜(6)开始在 虚线位置处，实线为发生沿光轴方向位移后的位置。其经过的路程由MK段变 为MN段，其余光路与原光路重合或者平行。因此其光程变化为：
ΔL′＝1*(LMk-LMN)＝LMK*(1-cosγ) (5)
其中1为空气折射率，γ＝α-β，为光束经过圆锥透镜后的偏转角，当α ＝2°，波长为632.8nm，相位计的分辨率为2π/720时，可得沿光轴方向直线位 移的分辨率约为2.9微米。
相对于公开号为CN201910056987.1的发明专利而言，该发明使用的光学系 统更加简单，可以实现纳米级的二维直线度位移误差的检测和微米级直线位移 的检测。适用于各种精密定位平台的二维直线度误差在线检测。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形， 这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种二维直线度和直线位移同时测量干涉装置，其特征在于：激光器(1)射出准直光束经过扩束系统(2)后，中心光束由滤波片(3)接收，经过滤波片(3)滤波后的光束经分光平板(4)分为两部分，一部分经过四分之一波片(8)后入射至反光镜(9)后原路返回，再经过四分之一波片(8)后经过分光平板(4)后发生透射，后经偏振片(11)，偏振片(11)与水平方向成45°，经过凹透镜(12)后光束发生发散，光束成像至光电探测器(13)；孔径光束经分光平板(4)后透射部分经过四分之一波片(5)后再经圆锥透镜(6)后发生转角，转角后入射至圆锥面反射镜(7)后原路返回，再次经过圆锥透镜(6)和四分之一波片(5)发生反射，后经偏振片(11)，其透射方向与水平方向成45°，后经过凹透镜(12)，光束成像至光电探测器(13)上。
2.根据权利要求1所述的二维直线度和直线位移同时测量干涉装置，其特征在于：所述圆锥透镜(6)的锥角为160°-165°。
3.根据权利要求1所述的二维直线度和直线位移同时测量干涉装置，其特征在于：所述激光器(1)可以为He-Ne激光器、固体激光器或者半导体激光器。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113310434A (zh) * | 2021-05-27 | 2021-08-27 | 中国科学院上海天文台 | 一种二维线性运动平台垂直度的测量方法 |
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2019
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| CN113310434B (zh) * | 2021-05-27 | 2022-08-02 | 中国科学院上海天文台 | 一种二维线性运动平台垂直度的测量方法 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20200508 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |