CN112781529A - 一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，包括干涉仪主机系统、双渥拉斯顿棱镜、双面直角屋脊反射镜和探测接收单元，所述干涉仪主机系统包括激光发射光学系统，所述激光发射光学系统发射测量光束，经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光，经过所述双面直角屋脊反射镜反射后回到所述探测接收单元进行干涉信号的解析，并得到相对距离信息。本发明的有益效果是：采用双渥拉斯顿棱镜作为直线度干涉镜，可以实现入射光角度不敏感，尤其在垂直度测量应用中能够显著提高测量精度；采用可调剪切差的平行光束偏光元件，可以消除现有直线度干涉测量装置存在测量盲区的问题。

Description

一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置

技术领域

本发明涉及直线度干涉测量装置，尤其涉及一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置。

背景技术

英国专利1409339提到了一种直线度干涉测量装置，采用单渥拉斯顿棱镜将沿光轴方向的激光束分成振动方向正交的两束激光。两束激光的光束指向关于主光轴近似对称，两束光传播到双面反射镜反射后原路返回，并在渥拉斯顿棱镜处重新汇聚成一束，并沿主光轴返回到系统。双面反射镜的角度与渥拉斯顿棱镜的分束角匹配设计。该系统存在较为明显的缺点，其一为光束原路返回，容易导致激光稳频失衡，引起激光稳定性降低；其二为由于干涉镜分束角度较小，而光斑存在一定尺寸，存在一定距离的测量盲区，需要将双面反射镜避开这段距离才能实现正常的测量功能；其三，单渥拉斯顿棱镜对入射角敏感，不同入射角的光束经过渥拉斯顿棱镜后的分束角有角度差别，会导致直线度测量的斜率误差较大，因为实际应用中，肉眼判断光束是否正入射难免会存在误差，尤其是将直线度干涉仪应用在垂直度测量的时候，干涉镜分别摆放在两个垂直轴上时的入射角不可避免会有差别，在这种情况下不同入射角度的斜率误差就会很明显体现在垂直度测量数据上，这就导致垂直度测量误差明显变大，甚至测量数据不可靠；其四，采用单渥拉斯顿棱镜的形式，由于分束角对入射角度敏感，会导致光束对准变得困难，往往只能在很小的入射角度范围内才能实现满信号测量。

英国雷尼绍的关于直线度干涉测量装置的一个专利中提出了另一个方案，采用Rochon棱镜实现正交光束的小角度分离，其中O光沿轴向传播，而e光偏离轴向小角度传播。通过屋脊反射镜将两束光平移一段距离后平行返回，并在Rochon棱镜处重新合成一束光，两束返回光形成干涉条纹，通过检测干涉条纹信息可以得到两束光的相对运动情况，从而得到导轨直线度信息。该方案所使用的分束器更容易制造，因此制造成本更低。另外，因为具有一个不变的光束，因此仅需控制一个偏离角度，这使得极大的减轻光束对准难度。但该方案也与上述方案具有相同的问题，即存在测量盲区以及对入射光束角度敏感的问题。该专利还提到了两种去除盲区的方案，均采用了反射镜的形式，尽管增大了两束光的剪切距离，解决了盲区测量问题，但这种结构的分束角跟反射镜的调节息息相关，对入射光束的角度更加敏感，同样会导致斜率测量的不稳定。影响在垂直度测量中的应用。

综上所述，现有技术存在以下缺陷：

1.现有直线度干涉测量装置对干涉镜入射角敏感的问题。现有的直线度镜组的干涉镜对入射角度较为敏感，入射角小范围变化就能导致干涉镜的分束角发生较大变化，导致不同入射角测得的直线度斜率相差较大，直线度测量重复性难以保证，尽管直线度测量时可以剔除斜率，但将其应用在垂直度测量的时候，斜率的差别将直接体现在垂直度测量误差上，导致垂直度测量误差增大，数据可靠性降低。

2.现有直线度干涉测量装置存在测量盲区的问题。由于直线度镜组的干涉镜分束角一般为1.5°以内，而输出激光的光斑一般大于5mm，在这么小的分束角下就不可避免会在激光分束的前一段光束是有大部分重叠的，两束光难以完全区分，在这一段距离的激光干涉信号较弱或信号丢失，测量误差较大或不能测量，因此该段距离也被定义为盲区。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置。

本发明提供了一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，包括干涉仪主机系统、双渥拉斯顿棱镜、双面直角屋脊反射镜和探测接收单元，所述干涉仪主机系统包括激光发射光学系统，所述激光发射光学系统发射测量光束，经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光，经过所述双面直角屋脊反射镜反射后回到所述探测接收单元进行干涉信号的解析，并得到相对距离信息，通过移动所述双渥拉斯顿棱镜，得到直线导轨上不同点位的相对距离信息，最终解算出直线导轨的直线度误差。

作为本发明的进一步改进，所述探测接收单元内置在所述干涉仪主机系统中。

作为本发明的进一步改进，所述探测接收单元采用四通道探测系统。

作为本发明的进一步改进，所述直线度干涉测量装置还包括X轴导轨和光学直角尺，所述双渥拉斯顿棱镜安装在所述X轴导轨上，测量光束经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光，经过光学直角尺射入所述双面直角屋脊反射镜，突出应用于高精度垂直度测量。

作为本发明的进一步改进，所述直线度干涉测量装置还包括Y轴导轨和光学直角尺，所述双渥拉斯顿棱镜安装在所述Y轴导轨上，测量光束先经过所述光学直角尺，再经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光，然后在所述双面直角屋脊反射镜反射，突出应用于高精度垂直度测量。

作为本发明的进一步改进，所述直线度干涉测量装置还包括可调剪切差的平行光束偏光元件，测量光束先经过所述平行光束偏光元件，再经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光。

作为本发明的进一步改进，所述平行光束偏光元件是由两块相同结构角的标准渥拉斯顿棱镜组成。

本发明的有益效果是：采用双渥拉斯顿棱镜作为直线度干涉镜，可以实现入射光角度不敏感，尤其在垂直度测量应用中能够显著提高测量精度，同时降低了光束对准难度，提高了调光效率；设计了一种可调剪切差的平行光束偏光元件，实现两束正交偏振光束的平行输出且两束光的剪切距离可调，从而消除现有直线度干涉测量装置存在测量盲区的问题。

附图说明

图1是本发明一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置的示意图。

图2是本发明一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置的直线度测量镜组的三维光束路径图。

图3是本发明一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置的探测接收单元的简单示意图。

图4是双渥拉斯顿棱镜和标准渥拉斯顿棱镜对光束入射角的变化曲线图。

图5是本发明一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置的垂直度测量的一种实施方式。

图6是本发明一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置的垂直度测量的另一种实施方式。

图7是本发明一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置的除盲区的一种实施方式。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图7所示，一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，主要包括干涉仪主机系统1、双渥拉斯顿棱镜2和双面直角屋脊反射镜3。干涉仪主机系统1发射测量光束，经过双渥拉斯顿棱镜2后分成两束正交偏振的光，经过双面直角屋脊反射镜3反射后回到干涉仪主机系统1内的探测接收单元4进行干涉信号的解析，并得到相对距离信息。通过移动双渥拉斯顿棱镜，得到直线导轨上不同点位的相对距离信息，最终解算出直线导轨的直线度误差。

探测接收单元4内置在干涉仪主机系统1中，采用一个消偏振分光棱镜(NPBS)和两个偏振分光棱镜(PBS)及一个1/4波片组成。回射光经过NPBS后分别由两个PBS分光进入到探测器的四个通道。

图2示出的是直线度测量镜组的三维光束路径图，光束经过双渥拉斯顿棱镜2后分成两束带有小角度的正交偏振的光，经过双面直角屋脊反射镜3向下平移一段距离后按原入射光束的指向反向传播，并在双渥拉斯顿棱镜2处重新汇聚成一束光，返回到探测系统。通过将返回光束和出射光束剪切处理，避免光束原路返回后对激光器的频率稳定性造成影响。

图3示出的是光学系统内部探测单元4的简单示意，激光束经过直线度镜组后下移一段距离后回到光学系统内的探测单元4，该探测单元采用四通道探测系统，可以提高测量系统的抗干扰能力，保证系统测量精度。

图4示出的是双渥拉斯顿棱镜和标准渥拉斯顿棱镜对光束入射角的变化曲线。标准渥拉斯顿棱镜对于光束入射角度非常敏感，分束角会随着入射角度的变化急剧改变，而双渥拉斯顿棱镜的分束角明显对于入射角度不那么敏感，例如1.5°分束角的双渥拉斯顿棱镜，在±10度的入射角变化下，分数角度仅变化0.035°以内。而从实际使用中，我们也验证了这一现象，标准渥拉斯顿棱镜的分束角与入射角度确实非常敏感，基本上当入射角度偏移零点几度的时候，探测系统接收到的干涉信号就已经非常弱了，对于光束对准的要求非常高。而双渥拉斯顿棱镜的分束角则对入射角度不敏感，当入射角度超过7°，探测系统依然能够接收到满信号。同时对比不同入射角的直线度斜率，发现采用双渥拉斯顿棱镜的时候，不同入射角度（0-7°）的测量直线度斜率基本一致，而采用标准渥拉斯顿棱镜的时候，不同入射角度（0-1°，取1°内是因为标准渥拉斯顿棱镜对角度敏感，超过1°时分束角偏离设计值过大，导致与双面直角屋脊反射镜不能配合使用，使得返回光不能合为一束，干涉信号丢失）的测量直线度斜率明显差别较大。这一现象尤其在测量垂直度的时候影响较大。

本发明采用双渥拉斯顿棱镜作为直线度干涉镜，可以实现入射光角度不敏感，尤其在垂直度测量应用中能够显著提高测量精度，同时降低了光束对准难度，提高了调光效率。

图5、6示出的是两轴导轨的垂直度测量的一种实施方式，采用光学直角尺5以及二维导轨配合直线度干涉仪系统实现垂直度的测量。

图5示出的是垂直度基准轴的直线度测量，将光学系统1、光学直角尺5和双面直角屋脊反射镜3按图示位置调整好位置，将双渥拉斯顿棱镜2放置在X方向导轨6上并沿X方向移动，不断调整光路，使得双渥拉斯顿棱镜2在X方向导轨6上任意位置能够保持干涉信号满格，并步进测量得到X轴的直线度斜率（尽量调整光路使得输出光束与X轴平行，减小X轴的直线度测量斜率），以此作为Y轴直线度斜率基准。

图6示出的是对垂直于X方向的Y方向导轨7的直线度测量系统。在图5的基础上，保持光学系统1、光学直角尺5和双面直角屋脊反射镜3的位置不变，不需要任何调整，仅将双渥拉斯顿棱镜2放置在Y方向导轨7上，肉眼判断光束正入射双渥拉斯顿棱镜2即可，然后步进测量得到Y轴的直线度斜率误差，通过与基准轴X的直线度和光学直角尺的垂直度偏差的比较，可以得到XY双轴导轨的垂直度误差。在进行垂直度测量的时候，需要在两正交导轨上分别放置直线度干涉镜进行两轴的直线度测量，在两轴放置直线度干涉镜的时候难以保证两次的入射光入射到干涉镜的角度是一致的，这就要求直线度干涉镜对于入射角度具有一定容差或者不那么敏感（至少在小角度范围（1°以内）内不那么敏感），否则会产生基准轴直线度不可靠甚至最终垂直度测量不可靠的后果。例如，采用标准单渥拉斯顿棱镜作为直线度干涉镜的时候，由于其对入射角度非常敏感，在小角度范围（1°以内）内的不同角度入射测量出来的直线度斜率偏差较大，将其用于垂直度测量的时候，就几乎必然导致基准轴测量得到的斜率和待测轴测量得到的斜率值不一致（假设光学直角尺垂直度和导轨垂直度完全理想的情况下），在实际测量的时候就不能直接将基准轴的斜率作为待测轴的基准，否则就会造成较大的误差。相对应地，由于双渥拉斯顿棱镜对入射角度不那么敏感，在小角度范围（1°以内，甚至更大范围）内的不同角度入射测量出来的直线度斜率几乎一致，可以完全规避采用标准单渥拉斯顿棱镜的测量弊端，准确地测量得到导轨的垂直度偏差。

尽管上述提到的直线度干涉测量装置改善了其在垂直度测量中的应用，但其仍存在不可避免的盲区测量问题，因为光斑存在一定直径，在直线度干涉镜分束后需要传播一定距离才能实现两束光的完全分离，而在此距离范围内，当光束重叠小于60%时，将不能充分干涉或几乎没有干涉信号，不能实现直线度的测量，即存在一定的测量盲区。图7示出了基于上述直线度干涉测量装置的消除盲区的一种实施方式。设计了一种可调剪切差的平行光束偏光元件8，将其附接至双渥拉斯顿棱镜2前面，实现激光束经过双渥拉斯顿棱镜后两束光能够完全区分或大部分区分开来，使得直线度干涉镜和反射镜距离为0或接近为0时也能具有较强的干涉信号，从而消除测量盲区。可调剪切差的平行光束偏光元件8是由两块相同结构角的标准渥拉斯顿棱镜组成，并按图7所示方向布置，光束经过后即可实现输出两束正交偏振的平行光束，同时可通过调节两个渥拉斯顿棱镜的轴向距离来实现两平行光束剪切差的变化，也可根据输出光斑尺寸来固定两个渥拉斯顿棱镜的轴向距离，以此进一步简化结构。

本发明设计了一种可调剪切差的平行光束偏光元件，实现两束正交偏振光束的平行输出且两束光的剪切距离可调，从而消除现有直线度干涉测量装置存在测量盲区的问题。

本发明提供的一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，与现有直线度干涉仪测量技术相比，具有以下优点：

(1)采用双渥拉斯顿棱镜作为直线度干涉镜，避免了采用标准单渥拉斯顿棱镜作为干涉镜的分束角对入射角敏感的问题，改善了直线度干涉测量装置在垂直度测量应用中测量精度，同时也降低了光束调节难度。

(2)可调剪切差的平行光束偏光元件的设计，解决了现有技术的测量盲区问题，拓展了直线度干涉测量装置的测量范围。

本发明提供的一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，用于测量机床导轨或其它直线运动的部件与标准直线路径的横向偏差，即直线度，以及基于直线度的其他拓展应用测量（如多轴平台直线度，垂直度等）。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，其特征在于：包括干涉仪主机系统、双渥拉斯顿棱镜、双面直角屋脊反射镜和探测接收单元，所述干涉仪主机系统包括激光发射光学系统，所述激光发射光学系统发射测量光束，经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光，经过所述双面直角屋脊反射镜反射后回到所述探测接收单元进行干涉信号的解析，并得到相对距离信息，通过移动所述双渥拉斯顿棱镜，得到直线导轨上不同点位的相对距离信息，最终解算出直线导轨的直线度误差。

2.根据权利要求1所述的对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，其特征在于：所述探测接收单元采用四通道探测系统。

3.根据权利要求1所述的对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，其特征在于：所述直线度干涉测量装置还包括X轴导轨和光学直角尺，所述双渥拉斯顿棱镜安装在所述X轴导轨上，测量光束经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光，经过光学直角尺射入所述双面直角屋脊反射镜。

4.根据权利要求1所述的对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，其特征在于：所述直线度干涉测量装置还包括Y轴导轨和光学直角尺，所述双渥拉斯顿棱镜安装在所述Y轴导轨上，测量光束先经过所述光学直角尺，再经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光，然后在所述双面直角屋脊反射镜反射。

5.根据权利要求1所述的对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，其特征在于：所述直线度干涉测量装置还包括可调剪切差的平行光束偏光元件，测量光束先经过所述平行光束偏光元件，再经过所述双渥拉斯顿棱镜后分成两束正交偏振的光。

6.根据权利要求5所述的对入射角不敏感的直线度干涉测量装置，其特征在于：所述平行光束偏光元件是由两块相同结构角的标准渥拉斯顿棱镜组成。

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