CN111412832A - 基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于定位平台运动误差测量领域，提出了基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统，包括干涉仪模块和五自由度误差测量模块。使用半导体激光器作为其光源。基于干涉仪测距原理的干涉仪模块用于测量线性定位平台和旋转定位平台的定位误差和轴向运动误差。干涉仪模块采用集成化设计，减小了各光学元件之间鬼影现象出现。同时，缩小了干涉仪模块的体积。基于激光准直和激光自准直原理的五自由度误差测量模块用于测量线性定位平台的二维线性度误差和三维角度误差或旋转定位平台的二维倾角误差、一维轴向运动误差和二维径向运动误差。通过不同安装方式，该测量系统可实现线性定位平台和旋转定位平台的运动误差在线、全参数和高精度测量。

Description

基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统

技术领域

本发明属于定位平台运动误差测量领域，具体涉及基于干涉仪模块的半导体激光六自由度运动误差测量系统。

背景技术

定位平台包括线性定位平台和旋转定位平台。由于加工和装配误差的存在，线性定位平台和旋转定位平台均存在六个自由度的运动误差。线性定位平台存在一个沿运动轴的定位误差、两个垂直于运动轴的线性度误差和三个绕运动轴转动的角度误差。旋转定位平台则存在一个沿转动轴的转角定位误差、两个垂直于转动轴的倾角误差、一个沿轴向的运动误差和两个沿径向的运动误差。如何准确、快速、全参数的测量定位平台运动误差是现阶段误差测量领域的研究重点。

基于激光的误差测量方法具有非接触、高精度、高灵敏度、溯源性好的特点，因此被广泛用于数控机床工作台的运动误差测量。特别是，线性位移分辨率和角位移分辨率优于亚纳米和亚弧度的激光干涉仪。虽然，现有的商用激光干涉仪可实现多自由度误差的同时测量，但是，随着所测量误差数目的增加，测量系统的体积将变大。同时，仪器的价格也变得非常高昂。不利于实现多轴定位平台高精度的运动误差在线测量。因此，为了实现误差在线测量和应对高精度测量领域中新的挑战，开发一种小型化、低成本、高精度、以半导体激光器为光源的六自由度半导体激光干涉仪尤为必要。

发明内容

针对现有技术上的问题，本发明提供了一种以半导体激光器为测量光源，基于干涉仪模块的六自由度运动误差同时测量的系统。

该激光测量系统使用小体积、低成本的半导体激光器作为其光源。

基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统，包括干涉仪模块和五自由度误差测量模块；

所述干涉仪模块包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第一角锥棱镜、第三角锥棱镜、第四分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器；所述五自由度误差测量模块包括第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、半透半反膜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、平凸透镜、第一四象限光电探测器、第二四象限光电探测器、第三四象限光电探测器；其中，第二角锥棱镜和第三角锥棱镜安装在移动端，半透半反膜贴在第三角锥棱镜上，使得固定端发射的激光能够透过，其余各部分安装在固定端；

其中，所述干涉仪模块用于测量定位误差(即轴向运动误差)，所述五自由度误差测量模块测量其余五个自由度误差；括号中的运动误差表示旋转定位平台的运动误差；半导体激光器发射的光，视为线偏振光，经第一平面反射镜反射后进入第一偏振分光棱镜，此时会发生反射和透射，其反射光的偏振态变为S光，透射光的偏振态变为P光；S光经过第一四分之一波片后相位延迟45°，又经过第三分光棱镜和第一角锥棱镜形成反射光，反射光再经过第一四分之一波片相位又延迟45°，相比原S光相位变化了90°，变成P光；同理，原来的P光，依次经过第二四分之一波片、第一分光棱镜、半透半反膜、第三角锥棱镜、第二分光棱镜、第二四分之一波片后，相位一共变化了90°，P光变为S光；这两束光再进入第一偏振分光棱镜后透过第三四分之一波片出射，在空间相遇形成干涉光；干涉光经过第四分光棱镜后分光，透射光经第二偏振分光棱镜后打在第三光电探测器和第四光电探测器上，反射光经过第三偏振分光棱镜后打在第一光电探测器和第二光电探测器上，四个光电探测器上感知干涉光的相位变化形成位置测量的信号；

所述五自由度误差测量模块，从第一偏振分光棱镜出射的P光，经过第一分光棱镜和半透半反膜后发生反射和透射，反射光原路返回再次经过第一分光棱镜发生分光，反射光经第二平面反射镜反射后透过平凸透镜打在第一四象限光电探测器上，其探测到的光斑位移作为定位平台的偏摆角误差(即倾角误差1)、俯仰角误差(即角度定位误差)；经半透半反膜透射的光，经过第三角锥棱镜、第二分光棱镜后分光，反射光经第四平面反射镜反射后打在第二四象限光电探测器上，其探测到的光斑位移作为定位平台的二维线性度误差(即二维径向运动误差)；第一偏振分光棱镜反射的S光经第三分光棱镜分光后，其反射光经过第二角锥棱镜、第三平面反射镜后打在第三四象限光电探测器上，其探测到的光斑位移与第二四象限光电探测器探测到的光斑位移组合，再计算得到定位平台的滚转角误差(即倾角误差2)。

本发明具有以下优点及效果：采用半导体激光器作为光源，使得整体体积减小，易于集成、价格低、光路调整容易，一次安装即可实现定位平台的六自由度运动误差同时测量的目的，极大的提高了测量的效率。

附图说明

图1基于干涉仪模块的半导体激光六自由度运动误差测量系统光路图；

图2干涉仪模块测量原理示意图；

图3鉴相部分组成示意图；

图中，1半导体激光器；2第一平面反射镜；3第一偏振分光棱镜；4第一四分之一波片；5第二四分之一波片；6第一分光棱镜；7第二平面反射镜；8平凸透镜；9第一四象光电限探测器；10第三分光棱镜；11第二角锥棱镜；12第三平面反射镜；13第三四象限光电探测器；14第一角锥棱镜；15半透半反膜；16第三角锥棱镜；17第二四象限光电探测器；18第四平面反射镜；19第二分光棱镜；20第三四分之一波片；21第一光电探测器；22第三偏振分光棱镜；23第四分光棱镜；24第二偏振分光棱镜；25第四光电探测器；26第三光电探测器；27第二光电探测器。

具体实施方式

为了更清楚的阐述本发明，下面将结合附图及实施例对发明进行详细的分析。应当注明，以下具体描述是说明性而非限制性内容，不应限制本发现保护的范围。

如附图1所示，本发明提供的技术方案是：一种基于干涉仪模块的半导体激光六自由度运动误差测量系统。该测量系统包括：半导体激光器1，第一平面反射镜2，第一至第三偏振分光棱镜3、24、22，第一至第三四分之一波片4、5、20，第一分光棱镜6，第二平面反射镜7，平凸透镜8，第一四象限探测器9，第三分光棱镜10，第二角锥棱镜11，第三平面反射镜12，第三四象限光电探测器13，第一角锥棱镜14，半透半反膜15，第三角锥棱镜16，第二四象限光电探测器17，第四平面反射镜18，第二分光棱镜19，第一至第四光电探测器27、21、26、25，第四分光棱镜23。其中，第二角锥棱镜11和第三角锥棱镜16安装在移动端，半透半反膜15贴在第三角锥棱镜16上，使得固定端发射的激光能够透过，其余各部分安装在固定端。安装时，各部分均安装在线性平面内，统一基高为10mm。

在本系统的六自由度运动误差测量中，定位误差(轴向运动误差)的测量是基于干涉仪测距的原理；二维线性度误差(二维径向运动误差)、俯仰角误差(角度定位误差)和偏摆角误差(倾角误差1)的测量是基于激光准直和激光自准直原理；滚转角误差(倾角误差2)的测量基于两个相距一定距离的四象限光电探测器组合计算得到。下面就各个误差的测量原理进行说明：

定位误差(轴向运动误差)：参照图2所示的干涉仪模块测量原理图。半导体激光器1出射的光可视为线偏振光，经过第一平面反射镜2反射后进入第一偏振分光棱镜3产生反射和透射，光的偏振态也会发生变化。其中，透射光为P光，反射光为S光。P光依次经过第二四分之一波片5、第三角锥棱镜16和第二四分之一波片5，返回第一偏振分光棱镜3；四分之一波片可以使光的相位延迟45°，故P光经过两次四分之一波片后相位变化了90°，变成了S光。同理，原S光从第一偏振分光棱镜3出射后依次经过第一四分之一波片4、第一角锥棱镜14和第一四分之一波片4返回第一偏振分光棱镜3，相位变化了90°，变成P光。此时的P光和S光经过第三四分之一波片20后在空间形成干涉并进入鉴相模块。如图2所示，鉴相模块的主要作用是提取四路两两正交的信号，便于后处理电路进行位移的计算。干涉光进入第四分光棱镜23后发生反射和透射，透射光经过第二偏振分光棱镜24后分成两束光，分别打在第三、第四光电探测器25、26上；反射光经与水平面成45°斜置的第三偏振分光棱镜22后分别打在第一、第二光电探测器21、27上。四个光电探测器上得到相位分别为0°、90°、180°、270°的四路信号。该过程可以用琼斯向量法进行推导。

对于本测量系统模型，半导体激光器发射的线性偏振光经过适当旋转后，使得偏振方向与水平方向成45°，则其偏振态E₀可表示为：

设形成干涉的两束光的偏振态分别为E₁′和E₂′，则有：

根据两束光的电场方程，四个光电探测器上的光强(I_PD1,I_PD2,I_PD3和I_PD4)可表示为：

其中，A表示干涉信号光强的振幅，

表示两束光之前的相位差。

根据图1中的光学结构可知，当位移变化Δz时，其对应的光程差为2nΔz。于是，位移的计算公式可以表示为：

其中，λ表示激光波长，n表示空气折射系数。

所述干涉仪模块采用了集成化设计方法，如参照图3所示。集成化设计缩小了干涉仪模块体积、较小了各光学元件之间鬼影现象的出现。同时，可以集成在不同的光学系统中，实现多自由、多方位的测量。

基于激光准直和自准直原理的二维线性度误差(二维径向运动误差)和俯仰角误差(角度定位误差)、偏摆角误差(倾角误差1)：如附图1所示，半导体激光器1出射的光经过第一平面反射镜2进入到第一偏振分光棱镜3会形成透射和反射，透射光经过第二四分之一波片5、第一分光棱镜6后打到半透半反膜15上发生透射和反射。其中，反射光沿原路返回再次经过第一分光棱镜6后分光，其中反射光经第二平面反射镜7、平凸透镜8后打在第一四象限光电探测器9上，作为测量移动端俯仰角误差(角度定位误差)和偏摆角误差(倾角误差1)的测量光，当定位平台有俯仰角误差(角度定位误差)和偏摆角误差(倾角误差1)时，第一四象限光电探测器9上的光斑会产生位移，从而使第一四象限光电探测器9的四个象限的电压值(V_{9_1},V_{9_2},V_{9_3},V_{9_4})发生变化。因此，俯仰角误差(角度定位误差)和偏摆角误差(倾角误差1)可表示为：

其中，k_{9_x}和k_{9_y}表示第一四象限光电探测器9的灵敏度水平和垂直方向上的灵敏度。f_L表示平凸透镜8的焦距。

透过半透半反膜15的光经第三角锥棱镜16后进入第二分光棱镜19，分光棱镜分光后的反射光经第四平面反射镜18反射后打到第二四象限光电探测器17上，作为测量定位平台二维线性度误差(二维径向运动误差)的基准。当定位平台有水平和垂直方向上的误差时，第二四象限光电探测器17的光斑会产生位移，使得四个象限的电压值(V_{17_1},V_{17_2},V_{17_3},V_{17_4})发生变化。因此，水平直线度误差和垂直直线度误差可表示为：

其中，k_{17_x}和k_{17_y}分别表示第二四象限光电探测器17水平和垂直方向上的灵敏度。

基于两个相距一定距离的四象限光电探测器表示的滚转角误差(倾角误差2)：

参照图1，半导体激光器1出射的光经第一平面反射镜2进入到第一偏振分光棱镜3，分光后反射光经过第三分光棱镜10再次分光，反射光经过第二角锥棱镜11、第三平面反射镜12后打在第三四象限光电探测器13上。同理，可以探测出定位平台的二维线性度误差(二维径向运动误差)，表示为：

其中，k_{13_x}和k_{13_y}分别表示第三四象限光电探测器13水平和垂直方向上的灵敏度。

设第二四象限光电探测器17和第三四象限光电探测器12之间的距离为d。因此，滚转角误差(倾角误差2)可表示为：

本发明基于干涉仪模块，采用体积小、价格低的半导体激光器，通过不同的安装方式，实现了线性定位平台和旋转定位平台运动误差在线、全参数和高精度测量的目的；该方法具有原理简洁、成本低、体积小、易集成、光路调节简单的优点；测量的精度高、灵敏度高，且一次安装后无需后续调节，操作简便。可以用于数控机床、光刻机、三坐标测量等高精度设备运动误差的测量。

Claims (5)

1.基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统，其特征在于，包括干涉仪模块和五自由度误差测量模块；

所述干涉仪模块包括第一四分之一波片(4)、第二四分之一波片(5)、第三四分之一波片(20)、第一偏振分光棱镜(3)、第二偏振分光棱镜(24)、第三偏振分光棱镜(22)、第一角锥棱镜(14)、第三角锥棱镜(16)、第四分光棱镜(23)、第一光电探测器(21)、第二光电探测器(27)、第三光电探测器(26)、第四光电探测器(25)；所述五自由度误差测量模块包括第一分光棱镜(6)、第二分光棱镜(19)、第三分光棱镜(10)、第二角锥棱镜(11)、第三角锥棱镜(16)、半透半反膜(15)、第二平面反射镜(7)、第三平面反射镜(12)、第四平面反射镜(18)、平凸透镜(8)、第一四象限光电探测器(9)、第二四象限光电探测器(17)、第三四象限光电探测器(13)；其中，第二角锥棱镜(11)和第三角锥棱镜(16)安装在移动端，半透半反膜(15)贴在第三角锥棱镜(16)上，使得固定端发射的激光能够透过，其余各部分安装在固定端；

其中，所述干涉仪模块用于测量定位误差，所述五自由度误差测量模块测量其余五个自由度误差；半导体激光器(1)发射的光，视为线偏振光，经第一平面反射镜(2)反射后进入第一偏振分光棱镜(3)，此时会发生反射和透射，其反射光的偏振态变为S光，透射光的偏振态变为P光；S光经过第一四分之一波片(4)后相位延迟45°，又经过第三分光棱镜(10)和第一角锥棱镜(14)形成反射光，反射光再经过第一四分之一波片(4)相位又延迟45°，相比原S光相位变化了90°，变成P光；同理，原来的P光，依次经过第二四分之一波片(5)、第一分光棱镜(6)、半透半反膜(15)、第三角锥棱镜(16)、第二分光棱镜(19)、第二四分之一波片(5)后，相位一共变化了90°，P光变为S光；这两束光再进入第一偏振分光棱镜(3)后透过第三四分之一波片(20)出射，在空间相遇形成干涉光；干涉光经过第四分光棱镜(23)后分光，透射光经第二偏振分光棱镜(24)后打在第三光电探测器(26)和第四光电探测器(25)上，反射光经过第三偏振分光棱镜(22)后打在第一光电探测器(21)和第二光电探测器(27)上，四个光电探测器上感知干涉光的相位变化形成位置测量的信号；

所述五自由度误差测量模块，从第一偏振分光棱镜(3)出射的P光，经过第一分光棱镜(6)和半透半反膜(15)后发生反射和透射，反射光原路返回再次经过第一分光棱镜(6)发生分光，反射光经第二平面反射镜(7)反射后透过平凸透镜(8)打在第一四象限光电探测器(9)上，其探测到的光斑位移作为定位平台的偏摆角误差、俯仰角误差；经半透半反膜(15)透射的光，经过第三角锥棱镜(16)、第二分光棱镜(19)后分光，反射光经第四平面反射镜(18)反射后打在第二四象限光电探测器(17)上，其探测到的光斑位移作为定位平台的二维线性度误差；第一偏振分光棱镜(3)反射的S光经第三分光棱镜(10)分光后，其反射光经过第二角锥棱镜(11)、第三平面反射镜(12)后打在第三四象限光电探测器(13)上，其探测到的光斑位移与第二四象限光电探测器(17)探测到的光斑位移组合，再计算得到定位平台的滚转角误差。

2.根据权利要求1所述的基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统，其特征在于，当定位平台有位移时，第一光电探测器(21)、第一光电探测器(27)、第一光电探测器(25)和第一光电探测器(26)上将得到相位分别为0°、90°、180°、270°的四路信号；因此，定位平台的位移表示为：

其中，λ表示激光波长，n表示空气折射系数，

表示两束光之前的相位差。

3.根据权利要求1所述的基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统，其特征在于，当定位平台有俯仰角误差和偏摆角误差时，第一四象限光电探测器(9)上的光斑会产生位移，从而使第一四象限光电探测器(9)的四个象限的电压值(V_{9_1},V_{9_2},V_{9_3},V_{9_4})发生变化；因此，俯仰角误差θ_x和偏摆角误差θ_y表示为：

其中，k_{9_x}和k_{9_y}表示第一四象限光电探测器(9)的灵敏度水平和垂直方向上的灵敏度；f_L表示平凸透镜(8)的焦距。

4.根据权利要求1所述的基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统，其特征在于，当定位平台有水平和垂直方向上的误差时，第二四象限光电探测器(17)的光斑会产生位移，四个象限的电压值(V_{17_1},V_{17_2},V_{17_3},V_{17_4})发生变化；因此，水平直线度误差和垂直直线度误差表示为：

其中，k_{17_x}和k_{17_y}分别表示第二四象限光电探测器水平和垂直方向上的灵敏度。

5.根据权利要求4所述的基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统，其特征在于，基于两个相距一定距离的四象限光电探测器表示的滚转角误差，半导体激光器(1)出射的光经第一平面反射镜(2)进入到第一偏振分光棱镜(3)，分光后反射光经过第三分光棱镜(10)再次分光，反射光经过第二角锥棱镜(11)、第三平面反射镜(12)后打在第三四象限光电探测器(13)上，探测出定位平台的二维线性度误差，表示为：

其中，k_{13_x}和k_{13_y}分别表示第三四象限光电探测器(13)水平和垂直方向上的灵敏度；

设第二四象限光电探测器(17)和第三四象限光电探测器(12)之间的距离为d；因此，滚转角误差表示为：

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