CN114046733A - 一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统与方法。系统包括：测量单元与靶镜单元，测量单元包括激光出射模块、偏振分光镜、固定反射器、第一光电探测器和干涉测长模块；靶镜单元包括反射器；激光出射模块产生出射光L1；偏振分光镜用于：①分束：将出射光L1分束为测量光L11和参考光L12，测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元；②合束：使测量光L11、参考光L12两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3。通过测量L3位置、频率、相位变化，实现沿直线轴做直线运动的空间物体的三自由度线性几何误差的同时快速测量；或者实现空间中两个物体的三自由度线性位置变化的长时间监测。

Description

一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统与方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，尤其涉及一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统与方法；

背景技术

随着精密制造、加工与装配技术的发展，对物体在运动中的三自由度线性几何误差、或者物体在静止时三自由度线性几何误差的变化量的测量精度要求不断提高；

测量三自由度线性几何误差在现有技术中最为常见的是采用激光干涉仪，但是激光干涉仪是单参数测量，每次安装调整只能测量一种误差分量，每个测量过程又需要使用不同类型的测量附件和重新调整干涉仪，使得测量周期长，测量精度受环境变化影响较大；因此需要进行三自由度线性几何误差同时测量的研究。

目前，现有技术中的三自由度线性几何误差同时测量系统的缺点为：光路结构复杂，采取多个探测器对不同误差进行测量，增加了系统成本以及复杂性，同时增加了由于电路散热引起的光路结构的不稳定性，从而引入测量误差。

发明内容

本发明的实施例提供了一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统与方法，以实现沿直线轴做直线运动的空间物体的三自由度线性几何误差的同时快速测量。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案；

根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统，包括：测量单元与靶镜单元，所述测量单元包括激光出射模块、偏振分光镜、固定反射器、第一光电探测器和干涉测长模块；所述靶镜单元包括反射器；

所述激光出射模块用于产生出射光L1；

所述偏振分光镜用于：①分束：将所述出射光L1分束为测量光L11和参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；②合束：将再次经过所述偏振分光镜的参考光L12、由靶镜单元后向反射的测量光L11根据其偏振状态进行透射或反射，使测量光L11、参考光L12两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3；

所述固定反射器用于后向反射所述仅在测量单元内部传播的参考光L12，使所述参考光L12返回所述偏振分光镜；

所述第一光电探测器用于接收所述包含参考光L12与测量光L11的合束光L3，实现沿X、Y、Z轴三个方向的线性几何误差的同时测量，具体为：①根据所述测量光L11在所述第一光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；②配合所述干涉测长模块实现靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位置误差测量；

所述靶镜单元中的反射器用于后向反射所述测量光L11，使测量光L11返回所述偏振分光镜，以实现：①改变所述测量光L11的在Y方向与Z方向空间位置，且所述空间位置改变量为所述靶镜单元反射器与测量单元沿Y轴与Z轴的相对位移量的两倍；②改变所述测量光L11的光程与频率，所述光程与频率的改变量与所述靶镜单元反射器与测量单元沿X轴的相对位移量成正比关系；

优选地：当应用于单频时，所述激光出射模块发射单频激光，所述干涉测长模块包括第一检偏器、第一非偏分光镜、相位延迟器和第二光电探测器；

所述第一检偏器设置合束光L3的出射方向上，调整所述第一检偏器透光轴方向，使得所述合束光L3经过所述第一检偏器后、其中的所述参考光L12与所述测量光L11发生干涉；

所述第一非偏分光镜设置在所述第一检偏器与所述第一光电探测器之间，用于将所述已经干涉的合束光L3分束，其中一束L31由所述第一光电探测器接收，另一束L32由所述第二光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第二光电探测器上的干涉光斑光强分别为I₁、I₂；

所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第二光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号I₁、I₂相位相差90°，计算所述参考光L12与所述测量光L11的相位差

，根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。

优选地：当应用于单频时，所述激光出射模块发射单频激光，去掉所述偏振分光镜，在所述偏振分光镜的位置增加第二非偏分光镜，所述干涉测长模块包括第一检偏器、第一非偏分光镜、相位延迟器和第二光电探测器；

所述第二非偏分光镜用于：①分束：将所述出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；②合束：将再次经过所述非偏分光镜的参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L11透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3，合束光L3为参考光L12被非偏分光镜透射、测量光L11被非偏分光镜反射的两束光的叠加光束与参考光L12被非偏分光镜反射、测量光L11被非偏分光镜透射的两束光的叠加光束的其中之一；

所述第一检偏器设置合束光L3的出射方向上，调整所述第一检偏器透光轴方向，使得所述合束光L3经过所述第一检偏器后、其中的所述参考光L12与所述测量光L11发生干涉；

所述第一非偏分光镜设置在所述第二非偏分光镜与所述第一光电探测器之间，用于将所述已经干涉的合束光L3分束，其中一束L31由所述第一光电探测器接收，另一束L32由所述第二光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第二光电探测器上的干涉光斑光强分别为I₁、I₂；

所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第二光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号I₁、I₂相位相差90°，计算所述参考光L12与所述测量光L11的相位差

，根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。

优选地：当应用于双频时，所述激光出射模块出射具有一定频差、且偏振方向不同的双频激光；

所述干涉测长模块包括第三非偏振分光镜、第一检偏器、第二检偏器和第三光电探测器；

所述第三非偏分光镜设置在所述激光出射模块与所述偏振分光镜之间，使得所述激光出射模块出射光L1由所述第三非偏分光镜分束形成另一束激光L2；

所述第一检偏器设置在所述参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L11经过所述偏振分光镜合束后的合束光的出射方向上，调整所述第一检偏器透光轴方向，使得L12、L11的合束光L3经过所述第一检偏器后、其中的所述参考光L12与所述测量光L11发生干涉，干涉光斑被所述第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号；

所述第二检偏器设置在所述非偏振分光镜与所述第三光电探测器之间，调整所述第二检偏器透光轴方向，所述激光L2经过所述第三检偏器后发生干涉，干涉光斑被所述第三光电探测器接收，作为外差干涉测长的参考信号；

检偏器根据所述参考信号和所述测量信号计算得出靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移。

优选地：当应用于多波长测量时，所述激光出射模块包括多波长激光光源与外差频率生成模块，所述干涉测长模块包括第一至第N带通滤波器、第一至第N相位检测器，N为大于等于3的自然数，所述偏振分光镜由第二非偏分光镜代替；

所述多波长激光光源输出多波长激光λ₁、λ₂、λ₃、……、λ_N，其频率分别为ν₁、ν₂、ν₃、……、ν_N，经过所述外差频率生成模块后，所述多波长激光的频率变为ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃、……、ν_N+f_N，记所述多波长激光为出射光L1；所述第二非偏分光镜用于：①分束：将所述出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后记为L11，所述L11携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元、为测量光，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；②合束：即将再次经过所述第二非偏分光镜的参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L11透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3；

所述L3在所述第一光电探测器上发生干涉，得到的外差干涉信号频谱只包含f₁、f₂、f₃、……、f_N分量；

所述第一至第N带通滤波器将所述f₁、f₂、f₃、……、f_N分量分离后，由所述第一至第N相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息

取其中n(2≤n≤N-1，n为自然数)对组成拍频信号，根据n组合成波长以及相位差计算出靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。

优选地：所述固定反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器、直角棱镜、两平面反射镜组成的反射镜组中的任意一种，所述靶镜单元反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器中的任意一种。

优选地：所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第四光电探测器和第五光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS中的任意一种，且根据所述四个光电探测器中任意一个探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；所述第三光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS和pin中的任意一种。

根据本发明的另一个方面，提供了一种激光同时测量三自由度线性几何误差方法，包括：

步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差

步骤1.1、激光出射模块出射光L1经过所述偏振分光镜时，被分为测量光L11、参考光L12；

步骤1.2、所述测量光L11由所述测量单元出射后、入射到所述靶镜单元，由所述靶镜单元反射器后向反射后，所述L11的空间位置随着靶镜单元与所述测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差而变化，L11携带该二维直线度误差信息返回所述测量单元，所述L11再次经过所述偏振分光镜；

步骤1.3、所述参考光L12被所述固定反射器后向反射后，再次经过所述偏振分光镜后，与步骤1.2再次经过所述偏振分光镜的所述L11合束，记为L3，由所述第一光电探测器接收；

步骤1.4、记录所述第一光电探测器测得合束光斑初始位置；

步骤1.5、根据所述第一光电探测器上合束光斑实时位置，与所述合束光斑初始位置对比，得到合束光斑位置变化量；由于合束光斑位置变化仅由其中的测量光L11位置变化引起，根据合束光斑位置变化量计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；

步骤2、基于激光干涉测量沿X轴的位置误差

步骤2.1、步骤1.1的所述参考光L12被测量单元的固定反射器后向反射后，其偏振状态、频率、相位未发生改变，L12作为干涉长测量信号的参考光；

步骤2.2、步骤1.2的所述L11的频率与相位都随着靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移发生变化，L11携带沿X轴相对直线度误差信息返回到测量单元，作为外差干涉长测量信号的测量光；

步骤2.3、步骤2.1的所述参考光与步骤2.2的所述测量光经过所述偏振分光镜后，所述两束光在空间位置上叠加在一起，经过所述干涉测长模块后，结合第一光电探测器上测量的信号，计算得到靶镜单元与测量单元沿X轴的相对直线度误差。

优选地：所述根据合束光斑位置变化量计算得到沿Y轴与Z轴的相对直线度误差，包括：

记第一光电探测器上L11光斑初始位置与实时位置分别为(y1₀,z1₀)、(y1_t,z1_t)，则靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差分别为Δy＝2(y1_t-y1₀)，Δz＝2(z1_t-z1₀)。

优选地：当对应单频测长时，所述基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，包括：

步骤(1)、所述参考光L12、测量光L11，经过所述偏振分光镜第二非偏分光镜后在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3，调整所述第一检偏器的透光轴方向，使得所述合束光L3经过所述第一检偏器后发生干涉；

步骤(2)、所述干涉光L3经过所述第一非偏分光镜后，分为L31、L32；

步骤(3)、所述L31、L32其中一束被相位延迟器延迟相位90°后，分别由第一光电探测器、第二光电探测器接收，其上干涉光斑光强分别为I₁、I₂；

步骤(4)、对所述I₁、I₂进行处理，所述参考光L12与所述测量光L11的相位差

记

引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx＝N(Δx)·λ/2。

优选地：当对应双频测长时，所述基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，包括：

步骤(1)、记所述激光出射模块出射光L1包含的具有一定频差的两束偏振光的频率分别为f₁、f₂，且被所述偏振分光镜分光时，测量光L11频率为f₁、参考光L12频率为f₂；

步骤(2)、记所述测量光L11的随着靶镜单元与测量单元沿X轴相对移量为Δx，由于多普勒效应引起的频率变化量为f(Δx)，则所述测量光L11的频率为f₁+f(Δx)；

步骤(3)、在第一光电探测器前设置第一检偏器，调整第一检偏器的透光轴方向，使得L12、L11经过所述第一检偏器后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号，有测量拍频信号的频率f_测＝f₁+f(Δx)-f₂；

步骤(4)、所述出射光L1经过所述第三非偏光分光镜时，被所述第三非偏分光镜分束形成另一束激光L2，所述L2也包含具有一定频差的两束偏振光，调整第二检偏器的透光轴方向，使得L2经过所述第二检偏器后发生干涉，干涉光斑被所述第二光电探测器接收，作为外差干涉测长的标准信号，则标准信号频率为f_标＝f₁-f₂；

步骤(5)、将步骤(3)获得的测量拍频信号频率f_测＝f₁+f(Δx)-f₂与步骤(4)获得的标准拍频信号频率f_标＝f₁-f₂相减，得出f(Δx)＝f_测-f_标，记f(Δx)引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx＝N(Δx)·λ/2。

优选地：当对多波长进行测长时，所述基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，包括：

步骤(1)、记多波长激光光源输出多波长激光λ₁、λ₂、λ₃、……、λ_N，其频率分别为ν₁、ν₂、ν₃、……、ν_N，经过所述外差频率生成模块后，所述多波长激光的频率变为ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃、……、ν_N+f_N，记所述多波长激光为出射光L1；

步骤(2)、记所述激光出射模块出射光L1被所述第二非偏分光镜分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11、参考光L12都包含多波长激光ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃、……、ν_N+f_N；

步骤(3)、记所述测量光L11由所述测量单元出射后、入射到所述靶镜单元，由所述靶镜单元反射器后向反射，所述后向反射光记为L11，所述L11携带沿X轴直线度误差信息返回到测量单元，作为外差干涉长测量信号的测量光；

步骤(4)、所述参考光L12被测量单元的固定反射器后向反射后，经过所述非偏振分光镜后，与所述L11合束，调整第一检偏器的透光轴方向，使得参考光L12与测量光L11在所述第一光电探测器上发生干涉；

步骤(5)、所述第一光电探测器探测到外差干涉信号频谱的f₁、f₂、f₃、……、f_N，等分量，所述第一至第N带通滤波器将所述f₁、f₂、f₃、……、f_N，等分量分离后，由所述第一至第N相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息

取其中n,对组成拍频信号，2≤n≤N-1，n为自然数，根据n组合成波长以及相位差结合，计算出靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的激光同时测量三自由度线性几何误差系统与方法可以实现沿直线轴做直线运动的空间物体的三自由度线性几何误差的同时快速测量；空间中两个物体的三自由度线性位置变化长时间监测。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到；

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明实施例的单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；

图2为本发明实施例的单频激光双通道干涉测长模块结构图；

图3为本发明实施例的单频激光四通道干涉测长模块结构图；

图4为本发明实施例的单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；

图5为本发明实施例的单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；

图6为本发明实施例的单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；

图7为本发明实施例的双频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；

图8为本发明实施例的双频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；

图9为本发明实施例的双频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；

图10为本发明实施例的多波长激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件；下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制；

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式；应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组；应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件；此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接；这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合；

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义；还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释；

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定；

本发明实施例通过尽量少的光学器件以及探测器来实现三自由度线性几何误差同时测量。

实施例一

图1为本发明实施例的一种单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图，图2为本发明实施例的单频双通道干涉测长模块结构图；如图1所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元I与靶镜单元II组成；

测量单元I包括单频激光器1、偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4、第二λ/4波片5、第一光电探测器

和单频双通道干涉测长模块；其中单频激光器1组成激光出射模块；如图2所示，干涉测长模块包括第一检偏器6、第一非偏分光镜7和λ/2波片8、第二光电探测器

；

靶镜单元II包括一个移动角锥棱镜9；

在测量单元I中：

单频激光器1用于产生出射光L1；

偏振分光镜2用于：①分束：即将出射光L1分束，其透射光记为测量光L11、反射光记为参考光L12，测量光L11射向靶镜单元II、被靶镜单元II的移动角锥棱镜9后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元I，参考光L12仅在测量单元I内部传播；②合束：即将再次经过偏振分光镜2的参考光L12透射，由靶镜单元II后向反射的测量光L11反射，使测量光L11和参考光L12两束光在空间位置上叠加在一起，记为L3；

固定角锥棱镜3用于后向反射仅在测量单元I内部传播的参考光L12，使参考光L12返回偏振分光镜2；

第一λ/4波片4用于改变参考光L12的偏振方向，使得参考光L12被偏振分光镜2反射后，经过第一λ/4波片4透射、固定角锥棱镜3后向反射、第一λ/4波片4透射后，再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2透射，即将原来被反射的状态切换为被透射的状态；

第二λ/4波片5用于改变线性误差测量光L11的偏振方向，使得测量光L11再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2反射；

第一检偏器6设置在偏振分光镜2与第一光电探测器

之间，第一检偏器6用于使合束光L3检偏器发生干涉；

第一非偏分光镜7设置在第一检偏器6与第一光电探测器

之间，用于将干涉光L3分束，分束后的干涉光L3其中一束由第一光电探测器

接收，另一束由第二光电探测器接收

，记第一光电探测器

、第二光电探测器

上的干涉光斑光强分别为I₁、I₂；

λ/2波片8设置在第一非偏分光镜7与第二光电探测器

之前，用于使两个探测器上探测到的干涉光斑信号I₁、I₂相位相差90°，计算参考光L12与测量光L11的相位差

，根据相位差计算靶镜单元沿X轴的位移Δx；

第一光电探测器

用于接收L31，以实现：①根据L31中的L11在第一光电探测器

上光斑位置变化，计算得到靶镜单元II沿Y轴与Z轴的直线度误差；②获得干涉光斑信号I₁，配合干涉测长模块实现靶镜单元II沿X轴的位置误差测量；

第二光电探测器

用于接收L32，获得干涉光斑信号I₂，结合第一光电探测器

测得I₁，实现靶镜单元II沿X轴的位置误差测量。

在靶镜单元II中：

移动角锥棱镜9用于后向反射测量光L11，使测量光L11返回偏振分光镜2，以实现：①改变测量光L11的在Y方向与Z方向空间位置，且其空间位置改变量为角锥棱镜9自身在Y方向与Z方向的位移量的两倍；②改变测量光L11的光程与频率，其光程与频率的改变量与角锥棱镜9自身在X方向的位移量成正比关系。

本实施例提供的一种激光同时测量三自由度线性几何误差方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差

步骤1.1、单频激光器1的出射光L1经过偏振分光镜2时，被分为测量光L11和参考光L12，其中测量光L11被偏振分光镜2透射，参考光L12被偏振分光镜2反射，且测量光L11与参考光L12皆为线偏振光，且两者偏振方向相互垂直；

步骤1.2、测量光L11经过第二λ/4波片5后，由线偏振光变为圆偏振光，从测量单元I出射后、入射到靶镜单元II，被靶镜单元II的角锥棱镜9后向反射后，L11的空间位置随着靶镜单元II沿Y轴与Z轴的直线度误差而变化，L11携带该二维直线度误差信息返回测量单元I，再次经过第二λ/4波片5后，L11由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较L11第一次经过第二λ/4波片5前旋转90°，使得L11经过偏振分光镜2时被其反射；

步骤1.3、参考光L12经过第一λ/4波片4后，由线偏振光变为圆偏振光，被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过第一λ/4波片4时，由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较L12第一次经过第一λ/4波片4之前旋转90°，使得L12再次经过偏振分光镜2时被其透射，与步骤1.2中被偏振分光镜反射的L11合束，记为L3，L3经过第一检偏器6、第一非偏分光镜7后分束为L31、L32，分别由第一光电探测器

、第二光电探测器

接收；

步骤1.4、记录第一光电探测器

测得L31初始位置(y1₀,z1₀)，较优状态为初始位置位于第一光电探测器

中心；

步骤1.5、根据第一光电探测器

上L31实时位置(y1_t,z1_t)，与L31初始位置(y1₀,z1₀)对比，得到L31光斑位置变化量；由于L31光斑位置变化仅由其中的测量光L11位置变化引起，根据L31光斑位置变化量计算得到靶镜单元沿Y轴与Z轴的直线度误差Δy＝2(y1_t-y1₀)，Δz＝2(z1_t-z1₀)；

其中，步骤1.4、步骤1.5还可以通过第二光电探测器

测得L32光斑位置变化量，计算得到靶镜单元沿Y轴与Z轴的直线度误差。

步骤2、基于激光干涉测量沿X轴的位置误差；

步骤2.1、步骤1.1的参考光L12被测量单元I的固定角锥棱镜3后向反射后，其偏振状态、频率和相位未发生改变，L12作为干涉长测量信号的参考光；

步骤2.2、步骤1.2的L11的频率与相位都随着靶镜单元II沿X轴的位移发生变化，L11携带沿X轴直线度误差信息返回到测量单元I，作为外差干涉长测量信号的测量光；

步骤2.3、调整第一检偏器6的透光轴方向，使得步骤1.3的合束光L3经过第一检偏器6后检偏器发生干涉；

步骤2.4、干涉光L3经过第一非偏分光镜7后，分为透射光L31、反射光L32；

步骤2.5、透射光L31由第一光电探测器

接收，其干涉光斑光强记为I₁，反射光L32被λ/2波片8延迟相位90°后，由第二光电探测器

接收，其干涉光斑光强记为I₃；

步骤2.6、参考光L12与测量光L11的相位差

，通过对I₁、I₃进行处理，可得

引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，单频激光器1输出激光波长为λ，则靶镜单元II沿X轴的位移Δx＝N(Δx)·λ/2。

其中，步骤2.5还可以将λ/2波片8设置第一光电探测器

之前，使得在透射光L31被λ/2波片8延迟相位90°。

如图3所示，本实施例还可以采用单频激光四通道干涉测长模块结构，包括第一非偏分光镜7、λ/2波片8、第二偏振分光镜11、第三λ/4波片12、第三偏振分光镜13、第二光电探测器

、第三光电探测器

、第四光电探测器

合束光L3经过非偏分光镜7后，分为透射光L31、反射光L32；

透射光L31经过第三λ/4波片12后，被第三偏振分光镜13分束，其透射光L311由第一光电探测器

接收，其干涉光斑光强记为I₁，反射光L312由第四光电探测器

接收，其干涉光斑光强记为I₄，I₁与I₄相位相差180°；

反射光L32经过λ/2波片8后，相位延迟90°，经过第二偏振分光镜11时被分束，其透射光L321由第二光电探测器

接收，其干涉光斑光强记为I₂，反射光L322由第五光电探测器

接收，其干涉光斑光强记为I₅，I₂与I₅相位相差180°；

I₁、I₂、I₄、I₅相位依次相差90°，记参考光L12与测量光L11的相位差为

通过对I₁、I₂、I₄、I₅进行处理，得出

引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，单频激光器1输出激光波长为λ，则靶镜单元II沿X轴的位移Δx＝N(Δx)·λ/2；与双通道干涉测长模块相比，四通道干涉测长模块还可以判断靶镜单元移动的方向。

实施例二

图4为本发明实施例的单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；如图4所示，根据本发明的一个方面，提供了一种单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元I与靶镜单元II组成。

测量单元I与实施例一中测量单元I包含的器件相同，靶镜单元II与实施例一中靶镜单元II包含的器件相同，区别在于当出射光L1经过偏振分光镜2时，其反射光作为测量光L11、靶镜单元II设置在偏振分光镜2的对L1反射的方向上，其透射光作为参考光L12、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4设置在偏振分光镜2的对L1透射的方向上。为方便描述，将实施例一中L1的透射光作为测量光L11的结构称为透射敏感结构，将本实施例中L1的反射光作为测量光L11的结构称为反射敏感结构。

在测量单元I中：

偏振分光镜2用于：①分束：即将出射光L1分束，其反射光记为测量光L11、透射光记为参考光L12，测量光L11射向靶镜单元II、被靶镜单元II的移动角锥棱镜9后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元I，参考光L12仅在测量单元I内部传播；②合束：即将再次经过偏振分光镜2的参考光L12透射，由靶镜单元II后向反射的测量光L11反射，使测量光L11和参考光L12两束光在空间位置上叠加在一起，记为L3；

第一λ/4波片4用于改变参考光L12的偏振方向，使得参考光L12被偏振分光镜2透射后，经过第一λ/4波片4透射、固定角锥棱镜3后向反射、第一λ/4波片4透射后，再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2反射，即将原来被透射的状态切换为被反射的状态；

第二λ/4波片5用于改变线性误差测量光L11的偏振方向，使得测量光L11再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2透射；

其他器件作用与实施例一一致，不再赘述。

靶镜单元II包括一个移动角锥棱镜9，作用与实施例一一致，不再赘述。

本实施例提供的一种激光同时测量三自由度线性几何误差方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差

步骤1.1、单频激光器1的出射光L1经过偏振分光镜2时，被分为测量光L11和参考光L12，其中测量光L11被偏振分光镜2反射，参考光L12被偏振分光镜2透射，且测量光L11与参考光L12皆为线偏振光，且两者偏振方向相互垂直；

步骤1.2、测量光L11经过第二λ/4波片5后，由线偏振光变为圆偏振光，从测量单元I出射后、入射到靶镜单元II，被靶镜单元II的角锥棱镜9后向反射后，L11的空间位置随着靶镜单元II沿Y轴与Z轴的直线度误差而变化，L11携带该二维直线度误差信息返回测量单元I，再次经过第二λ/4波片5后，L11由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较L11第一次经过第二λ/4波片5前旋转90°，使得L11经过偏振分光镜2时被其透射；

步骤1.3、参考光L12经过第一λ/4波片4后，由线偏振光变为圆偏振光，被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过第一λ/4波片4时，由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较L12第一次经过第一λ/4波片4之前旋转90°，使得L12再次经过偏振分光镜2时被其反射，与步骤1.2中被偏振分光镜透射的L11合束，记为L3，L3经过第一检偏器6、第一非偏分光镜7后分束为L31、L32，分别由第一光电探测器

、第二光电探测器

接收；

步骤1.4、步骤1.5、与实施例一一致，不再赘述。

步骤2、基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，与实施例一一致，不再赘述。

与实施例一相似，本实施例也可以采用如图3所示的单频激光四通道干涉测长模块结构进行沿X轴的位置误差测量。

实施例三

图5为一种单频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；如图5所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激单频光同时测量三自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元I与靶镜单元II组成；

本实施例的测量单元I包括单频激光器1、偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一光电探测器

和单频激光干涉测长模块；其中干涉测长模块采用如图2所示的单频激光双通道干涉测长模块结构与图3所示的单频激光四通道激干涉测长模块结构中的任意一种；与实施例一相比，去掉了第一λ/4波片4、第二λ/4波片5，L11回到偏振分光镜2后依然被透射、L2回到偏振分光镜2后依然被反射，合束光L3较实施例一相比，出射方向旋转90°，单频激光干涉测长模块与第一光电探测器

位置随之改变；

靶镜单元II包括一个角锥棱镜9，结构与功能都与实施例一一致，不再赘述；

测量单元I中：

偏振分光镜2用于：①分束：即将出射光L1分束，其透射光记为测量光L11、反射光记为参考光L12，测量光L11射向靶镜单元II、被靶镜单元II的角锥棱镜9后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元I，参考光L12仅在测量单元I内部传播；②合束：即将再次经过偏振分光镜2的参考光L12反射，由靶镜单元II后向反射的测量光L11透射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为L3；

其他器件作用与实施例一一致，不再赘述；

基于单频激光双通道干涉测长模块结构，本实施例提供的一种激光同时测量三自由度线性几何误差方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差

步骤1.1、与实施例一一致，不再赘述；

步骤1.2、测量光L11从测量单元I出射后、入射到靶镜单元II，被靶镜单元II的角锥棱镜9后向反射后，L11的空间位置随着靶镜单元II沿Y轴与Z轴的直线度误差而变化，L11携带该二维直线度误差信息返回测量单元I，L11经过偏振分光镜2时被其透射；

步骤1.3、参考光L12被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过偏振分光镜时被其反射，与步骤1.2中被偏振分光镜透射的L11合束，记为L3，然后经过第一检偏器

6、第一非偏分光镜7后分束为L31、L32，第一光电探测器

接收；

步骤1.4、步骤1.5、与实施例一一致，不再赘述；

步骤2、基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，与实施例一一致，不再赘述。

基于单频激光四通道干涉测长模块结构，本实施例提供的一种激光同时测量三自由度线性几何误差方法与上述方法类似，区别在于：①通过第一光电探测器

、第二光电探测器

、第三光电探测器

、第四光电探测器

任意一个探测器上光斑位置变化量，计算得到靶镜单元沿Y轴与Z轴的直线度误差；②四个探测器的光强I₁、I₂、I₄、I₅相位依次相差90°，通过对I₁、I₂、I₄、I₅进行处理，得出

引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，单频激光器1输出激光波长为λ，则靶镜单元II沿X轴的位移Δx＝N(Δx)·λ/2，同时判断靶镜单元移动的方向。

实施例四

图6为本发明实施例的双频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图，整体结构与图5类似，区别在于第二非偏振分光镜10代替偏振分光镜2，合束光L3为参考光L12再次通过第二非偏分光镜10的反射部分与测量光L11再次通过第二非偏分光镜10的透射部分。

进一步的，本实施例的合束光L3为参考光L12再次通过第二非偏分光镜10的透射部分与测量光L11再次通过第二非偏分光镜10的反射部分，单频激光干涉测长模块设置在合束光L3出射方向上。

进一步的，本实施例采取反射敏感结构。

进一步的，本实施例的单频激光干涉测长模块采取图3所示的单频激光四通道激干涉测长模块结构。

实施例五

图7为本发明实施例的双频激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图；如图7所示，根据本发明的一个方面，一种双频激光同时测量三自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元I与靶镜单元II组成；

测量单元I包括双频激光器14、偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4、第二λ/4波片5、第一光电探测器

、双频干涉测长模块第三光电探测器

；其中双频激光器14组成激光出射模块；干涉测长模块包括第一检偏器6、第三非偏振分光镜15、第二检偏器16、第三光电探测器

；

靶镜单元II包括一个角锥棱镜9，与实施例一一致。

在测量单元I中：

双频激光器14用于产生出射光L1，且出射光L1为两束空间位置叠加、具有一定频差、且偏振方向相互垂直的偏振光；

第三非偏振分光镜15设置在双频激光器14与偏振分光镜2之间，出射光L1在保持原方向出射外、由第三非偏振分光镜15分束，其反射光记为L2；

第二检偏器16设置在第三非偏振分光镜15与第三光电探测器

之间，调整第二检偏器16的透光轴方向，反射光L2经过第二检偏器16检偏器后发生干涉，干涉光斑被第三光电探测器

接收，作为外差干涉测长的参考信号；

合束光L3经过第一检偏器6后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器

接收，作为外差干涉测长的测量信号；根据参考信号、测量信号，可以计算得出靶镜单元沿X轴的位移；

第三光电探测器

用于接收L2的干涉光斑，作为外差干涉测长的标准信号；

偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4、第二λ/4波片5、第一检偏器6、第一光电探测器

的作用与实施例一一致，不再赘述；

本实施例提供的一种双频激光同时测量三自由度线性几何误差方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差，实施例一一致，不再赘述；

步骤2、基于激光干涉测量沿X轴的位置误差

步骤2.1、记L1包含的具有一定频差的两束偏振光的频率分别为f₁、f₂，且被偏振分光镜2分光时，测量光L11频率为f₁、参考光L12频率为f₂；

步骤2.2、记测量光L11的随着靶镜单元沿X轴位移量为Δx，由于多普勒效应引起的频率变化量为f(Δx)，则测量光L11的频率为f₁+f(Δx)；

步骤2.3、在第一光电探测器

前设置第一检偏器6，调整第一检偏器的透光轴方向，使得合束光L3(包含L12、L111)经过第一检偏器6后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器

接收，作为外差干涉测长的测量信号，有测量拍频信号的频率f_测＝f₁+f(Δx)-f₂；

步骤2.4、出射光L1经过第三非偏振分光镜15时，在第三非偏振分光镜15反射方向上形成另一束激光L2，L2也包含具有一定频差的两束偏振光，调整第二检偏器16的透光轴方向，使得L2中具有一定频差两束偏振光检偏器发生干涉，干涉光斑被第三光电探测器

接收，作为外差干涉测长的标准信号，则标准信号频率为f_标＝f₁-f₂；

步骤2.5、将步骤2.3获得的测量拍频信号频率f_测＝f₁+f(Δx)-f₂与步骤2.4获得的标准拍频信号频率f_标＝f₁-f₂相减，可以得出f(Δx)＝f_测-f_标，记f(Δx)引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元沿X轴的位移Δx＝N(Δx)·λ/2。

进一步的，本实施例采取如图8所示的反射敏感结构。

进一步的，本实施例在采取透射敏感结构基础上，去掉第一λ/4波片4、第二λ/4波片5，L11回到偏振分光镜2后依然被透射、L2回到偏振分光镜2后依然被反射，合束光L3与图7相比，出射方向旋转90°，第一检偏器6与第一光电探测器

位置随之改变，如图9所示。

进一步的，本实施例在采取反射敏感结构基础上，去掉第一λ/4波片4、第二λ/4波片5，L11回到偏振分光镜2后依然被透射、L2回到偏振分光镜2后依然被反射，合束光L3与图8相比，出射方向旋转90°，第一检偏器6与第一光电探测器

位置随之改变。

实施例六

图10为本发明实施例的多波长激光同时测量三自由度线性几何误差系统结构图，如图10所示，根据本发明的一个方面，提供了一种多波长激光同时测量三自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元I与靶镜单元II组成；

测量单元I包括多波长激光光源17、外差频率生成单元18、第二非偏振分光镜10、固定角锥棱镜3、第一检偏器6、第一光电探测器

、第一带通滤波器19、第二带通滤波器20、第三带通滤波器21、第一相位检测器22、第二相位检测器23、第三相位检测器24；

其中多波长激光光源17、外差频率生成单元18组成激光出射模块；第一检偏器6、第一带通滤波器19、第二带通滤波器20、第三带通滤波器21、第一相位检测器22、第二相位检测器23、第三相位检测器24组成干涉测长模块；

靶镜单元II包括一个角锥棱镜9，与实施例一一致；

测量单元I中：

多波长激光光源17用于产生出射光L1，且出射光L1为多波长激光λ₁、λ₂、λ₃，其频率分别为ν₁、ν₂、ν₃；

外差频率生成单元18用于将出射光L1的频率变为ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃；

第二非偏振分光镜10用于：

①分束：即将出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，测量光L11射向靶镜单元II、被靶镜单元II后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元I，参考光L12仅在测量单元内部传播；

②合束：即将参考光L12再次经过第二非偏振分光镜10的透射部分、与测量光L11再次经过第二非偏振分光镜10的反射部分在空间位置上叠加在一起，记为L3；

第一光电探测器

用于接收合束光L3，以实现：①根据L11在第一光电探测器

上光斑位置变化，计算得到靶镜单元II沿Y轴与Z轴的直线度误差；②配合干涉测长模块实现靶镜单元II沿X轴的位置误差测量；

第一光电探测器

的响应频谱无法达到光学频率，测得合束光L3的外差干涉信号频谱只包含f₁、f₂、f₃等分量；干涉测长模块的第一至第三带通滤波器将第一光电探测器

的f₁、f₂、f₃等分量分离后，由第一至第三相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息

取其中两对组成拍频信号，根据两组合成波长以及相位差结合，计算靶镜单元沿X轴的位移Δx；

本实施例提供的一种激光同时测量三自由度线性几何误差方法，该方法包含以下步骤：

步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差

采用多波长激光光源17后，出射光L1为包含了多波长激光λ₁、λ₂、λ₃，但激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差时，只对探测器上的光斑位置进行探测，这一点与单频激光器测量时没有区别，与实施例一一致，不再赘述；

步骤2、基于多波长激光干涉测量沿X轴的位置误差

步骤2.1、多波长激光光源17出射光L1包含多波长激光λ₁、λ₂、λ₃，其频率分别为ν₁、ν₂、ν₃，经过外差频率生成单元18后，多波长激光的频率变为ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃；

步骤2.2、出射光L1被第二非偏振分光镜10分束为测量光L11、参考光L12，测量光L11、参考光L12都包含多波长激光ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃；

步骤2.3、测量光L11由测量单元I出射后、入射到靶镜单元II，由靶镜单元II的半透半反镜10后向反射后，携带沿X轴直线度误差信息返回到测量单元I，作为外差干涉长测量信号的测量光；

步骤2.4、参考光L12被测量单元I的固定角锥棱镜3后向反射，经过非偏振分光镜12的透射部分，与L11经过非偏振分光镜12的反射部分合束，合束光记为L3，调整第一检偏器6的透光轴方向，使得L3经过第一检偏器6后，在第一光电探测器

上发生干涉；

步骤2.5、第一光电探测器

探测到外差干涉信号频谱的f₁、f₂、f₃等分量，第一至第三带通滤波器18-20将f₁、f₂、f₃等分量分离后，由第一至第三相位检测器21-23测得各个波长对应的测距相位信息

，取其中两对组成拍频信号，根据两组合成波长以及相位差结合，可以计算靶镜单元II沿X轴的位移Δx；

本实施例还有另外三种结构：

①采用反射敏感结构；

②采用透射敏感结构，记L12第二次经过第二非偏振分光镜10时反射的部分、与L11被第二非偏振分光镜12透射的部分的合束光为L3′，将第一检偏器6、第一光电探测器

设置在合束光L3′的出射方向上；

③采用反射敏感结构，记L12第二次经过第二非偏振分光镜10时反射的部分、与L11被第二非偏振分光镜12透射的部分的合束光为L3′，将第一检偏器6、第一光电探测器

设置在合束光L3′的出射方向上。

综上所述，本发明实施例的激光同时测量三自由度线性几何误差系统与方法可以实现：沿直线轴做直线运动的空间物体的三自由度线性几何误差的同时快速测量；空间中两个物体的三自由度线性位置变化的长时间监测。

本说明书中的各个实施例均描述测量单元I保持静止、靶镜单元II与空间物体一起沿着直线轴做直线运动时，空间物体的三自由度线性几何误差的同时快速测量系统与方法，所有实施例中的系统，在完成光路调试后：①使靶镜单元II保持静止、测量单元I与空间物体一起沿着直线轴做直线运动，也可实现空间物体的三自由度线性几何误差的同时快速测量；②使测量单元I与靶镜单元II保持静止，长时间监测测量单元测得的数据，即可实现空间中两个物体的三自由度线性位置变化的长时间监测。

在多波长测量的时候，是真正的单探测器测量。单频和双频测长时，都需要配备至少一个探测器进行辅助测量。本发明通过第一光电探测器

配合不同的干涉测长模块，利用单个光学器件构成的靶镜和单个探测器，在国际上首次同时实现三个线性误差(即X、Y、Z三个方向平移的三个直线度误差)的测量。与现有的多自由度测量系统与方法相比，具有以下有益效果：①简化光路结构、减少测量系统的复杂性以及测量单元和靶镜单元的体积，便于实际应用；②减少探测器数量，从而减少电路功耗、减少散热量、提高测量系统的稳定性，同时降低测量系统成本。

本发明可以同时测量三自由度线性误差，与现有的单自由度测量系统与方法相比，极大的提高了测量效率。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的；

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现；基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法；

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处；尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可；以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的；本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施；

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内；因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种激光同时测量三自由度线性几何误差系统，其特征在于，包括：测量单元与靶镜单元，所述测量单元包括激光出射模块、偏振分光镜、固定反射器、第一光电探测器和干涉测长模块；所述靶镜单元包括反射器；

所述激光出射模块用于产生出射光L1；

所述偏振分光镜用于：①分束：将所述出射光L1分束为测量光L11和参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；②合束：将再次经过所述偏振分光镜的参考光L12、由靶镜单元后向反射的测量光L11根据其偏振状态进行透射或反射，使测量光L11、参考光L12两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3；

所述固定反射器用于后向反射所述仅在测量单元内部传播的参考光L12，使所述参考光L12返回所述偏振分光镜；

所述第一光电探测器用于接收所述包含参考光L12与测量光L11的合束光L3，实现沿X、Y、Z轴三个方向的线性几何误差的同时测量，具体为：①根据所述测量光L11在所述第一光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；②配合所述干涉测长模块实现靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位置误差测量；

所述靶镜单元中的反射器用于后向反射所述测量光L11，使测量光L11返回所述偏振分光镜，以实现：①改变所述测量光L11的在Y方向与Z方向空间位置，且所述空间位置改变量为所述靶镜单元反射器与测量单元沿Y轴与Z轴的相对位移量的两倍；②改变所述测量光L11的光程与频率，所述光程与频率的改变量与所述靶镜单元反射器与测量单元沿X轴的相对位移量成正比关系。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当应用于单频时，所述激光出射模块发射单频激光，所述干涉测长模块包括第一检偏器、第一非偏分光镜、相位延迟器和第二光电探测器；

所述第一检偏器设置合束光L3的出射方向上，调整所述第一检偏器透光轴方向，使得所述合束光L3经过所述第一检偏器后、其中的所述参考光L12与所述测量光L11发生干涉；

所述第一非偏分光镜设置在所述第一检偏器与所述第一光电探测器之间，用于将所述已经干涉的合束光L3分束，其中一束L31由所述第一光电探测器接收，另一束L32由所述第二光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第二光电探测器上的干涉光斑光强分别为I₁、I₂；

所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第二光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号I₁、I₂相位相差90°，计算所述参考光L12与所述测量光L11的相位差

根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当应用于单频时，所述激光出射模块发射单频激光，去掉所述偏振分光镜，在所述偏振分光镜的位置增加第二非偏分光镜，所述干涉测长模块包括第一检偏器、第一非偏分光镜、相位延迟器和第二光电探测器；

所述第二非偏分光镜用于：①分束：将所述出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后，携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；②合束：将再次经过所述非偏分光镜的参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L11透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3，合束光L3为参考光L12被非偏分光镜透射、测量光L11被非偏分光镜反射的两束光的叠加光束与参考光L12被非偏分光镜反射、测量光L11被非偏分光镜透射的两束光的叠加光束的其中之一；

所述第一检偏器设置合束光L3的出射方向上，调整所述第一检偏器透光轴方向，使得所述合束光L3经过所述第一检偏器后、其中的所述参考光L12与所述测量光L11发生干涉；

所述第一非偏分光镜设置在所述第二非偏分光镜与所述第一光电探测器之间，用于将所述已经干涉的合束光L3分束，其中一束L31由所述第一光电探测器接收，另一束L32由所述第二光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第二光电探测器上的干涉光斑光强分别为I₁、I₂；

所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第二光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号I₁、I₂相位相差90°，计算所述参考光L12与所述测量光L11的相位差

根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当应用于双频时，所述激光出射模块出射具有一定频差、且偏振方向不同的双频激光；

所述干涉测长模块包括第三非偏振分光镜、第一检偏器、第二检偏器和第三光电探测器；

所述第三非偏分光镜设置在所述激光出射模块与所述偏振分光镜之间，使得所述激光出射模块出射光L1由所述第三非偏分光镜分束形成另一束激光L2；

所述第一检偏器设置在所述参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L11经过所述偏振分光镜合束后的合束光的出射方向上，调整所述第一检偏器透光轴方向，使得L12、L11的合束光L3经过所述第一检偏器后、其中的所述参考光L12与所述测量光L11发生干涉，干涉光斑被所述第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号；

所述第二检偏器设置在所述非偏振分光镜与所述第三光电探测器之间，调整所述第二检偏器透光轴方向，所述激光L2经过所述第三检偏器后检偏器发生干涉，干涉光斑被所述第三光电探测器接收，作为外差干涉测长的参考信号；

检偏器根据所述参考信号和所述测量信号计算得出靶镜单元与测量单元沿X轴沿X轴的相对位移。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：当应用于多波长测量时，所述激光出射模块包括多波长激光光源与外差频率生成模块，所述干涉测长模块包括第一至第N带通滤波器、第一至第N相位检测器，N为大于等于3的自然数，所述偏振分光镜由第二非偏分光镜代替；

所述多波长激光光源输出多波长激光λ₁、λ₂、λ₃、……、λ_N，其频率分别为ν₁、ν₂、ν₃、……、ν_N，经过所述外差频率生成模块后，所述多波长激光的频率变为ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃、……、ν_N+f_N，记所述多波长激光为出射光L1；所述第二非偏分光镜用于：①分束：将所述出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后记为L11，所述L11携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元、为测量光，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；②合束：即将再次经过所述第二非偏分光镜的参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L11透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3；

所述L3在所述第一光电探测器上发生干涉，得到的外差干涉信号频谱只包含f₁、f₂、f₃、……、f_N分量；

所述第一至第N带通滤波器将所述f₁、f₂、f₃、……、f_N分量分离后，由所述第一至第N相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息

取其中n(2≤n≤N-1，n为自然数)对组成拍频信号，根据n组合成波长以及相位差计算出靶镜单元与测量单元沿X轴沿X轴的相对位移Δx。

6.根据权利要求1-5任意一项所述系统，其特征在于，所述固定反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器、直角棱镜、两平面反射镜组成的反射镜组中的任意一种，所述靶镜单元反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器中的任意一种。

7.根据权利要求1-5任意一项所述系统，其特征在于，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第四光电探测器和第五光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS中的任意一种，且根据所述四个光电探测器中任意一个探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；所述第三光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS和pin中的任意一种。

8.一种激光同时测量三自由度线性几何误差方法，其特征在于，包括：

步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差

步骤1.1、激光出射模块出射光L1经过所述偏振分光镜时，被分为测量光L11、参考光L12；

步骤1.2、所述测量光L11由所述测量单元出射后、入射到所述靶镜单元，由所述靶镜单元反射器后向反射后，所述L11的空间位置随着靶镜单元与所述测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差而变化，L11携带该二维直线度误差信息返回所述测量单元，所述L11再次经过所述偏振分光镜；

步骤1.3、所述参考光L12被所述固定反射器后向反射后，再次经过所述偏振分光镜后，与步骤1.2再次经过所述偏振分光镜的所述L11合束，记为L3，由所述第一光电探测器接收；

步骤1.4、记录所述第一光电探测器测得合束光斑初始位置；

步骤1.5、根据所述第一光电探测器上合束光斑实时位置，与所述合束光斑初始位置对比，得到合束光斑位置变化量；由于合束光斑位置变化仅由其中的测量光L11位置变化引起，根据合束光斑位置变化量计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；

步骤2、基于激光干涉测量沿X轴的位置误差

步骤2.1、步骤1.1的所述参考光L12被测量单元的固定反射器后向反射后，其偏振状态、频率、相位未发生改变，L12作为干涉长测量信号的参考光；

步骤2.2、步骤1.2的所述L11的频率与相位都随着靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移发生变化，L11携带沿X轴相对直线度误差信息返回到测量单元，作为外差干涉长测量信号的测量光；

步骤2.3、步骤2.1的所述参考光与步骤2.2的所述测量光经过所述偏振分光镜后，所述两束光在空间位置上叠加在一起，经过所述干涉测长模块后，结合第一光电探测器上测量的信号，计算得到靶镜单元与测量单元沿X轴的相对直线度误差。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据合束光斑位置变化量计算沿Y轴与Z轴的相对直线度误差，包括：

记第一光电探测器上L11光斑初始位置与实时位置分别为(y1₀,z1₀)、(y1_t,z1_t)，则靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差分别为Δy＝2(y1_t-y1₀)，Δz＝2(z1_t-z1₀)。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当对应单频测长时，所述基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，包括：

步骤(1)、所述参考光L12、测量光L11，经过所述偏振分光镜或者第二非偏分光镜后在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3，调整所述第一检偏器的透光轴方向，使得所述合束光L3经过所述第一检偏器后发生干涉；

步骤(2)、所述干涉光L3经过所述第一非偏分光镜后，分为L31、L32；

步骤(3)、所述L31、L32其中一束被相位延迟器延迟相位90°后，分别由第一光电探测器、第二光电探测器接收，其上干涉光斑光强分别为I₁、I₂；

步骤(4)、对所述I₁、I₂进行处理，所述参考光L12与所述测量光L11的相位差

记

引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx＝N(Δx)·λ/2。

11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当对应双频测长时，所述基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，包括：

步骤(1)、记所述激光出射模块出射光L1包含的具有一定频差的两束偏振光的频率分别为f₁、f₂，且被所述偏振分光镜分光时，测量光L11频率为f₁、参考光L12频率为f₂；

步骤(2)、记所述测量光L11的随着靶镜单元与测量单元沿X轴相对位移量为Δx，由于多普勒效应引起的频率变化量为f(Δx)，则所述测量光L11的频率为f₁+f(Δx)；

步骤(3)、在第一光电探测器前设置第一检偏器，调整第一检偏器的透光轴方向，使得L12、L11经过所述第一检偏器后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号，有测量拍频信号的频率f_测＝f₁+f(Δx)-f₂；

步骤(4)、所述出射光L1经过所述第三非偏光分光镜时，被所述第三非偏分光镜分束形成另一束激光L2，所述L2也包含具有一定频差的两束偏振光，调整第二检偏器的透光轴方向，使得L2经过所述第二检偏器后发生干涉，干涉光斑被所述第二光电探测器接收，作为外差干涉测长的标准信号，则标准信号频率为f_标＝f₁-f₂；

步骤(5)、将步骤(3)获得的测量拍频信号频率f_测＝f₁+f(Δx)-f₂与步骤(4)获得的标准拍频信号频率f_标＝f₁-f₂相减，得出f(Δx)＝f_测-f_标，记f(Δx)引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx＝N(Δx)·λ/2。

12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，当对多波长进行测长时，所述基于激光干涉测量沿X轴的位置误差，包括：

步骤(1)、记多波长激光光源输出多波长激光λ₁、λ₂、λ₃、……、λ_N，其频率分别为ν₁、ν₂、ν₃、……、ν_N，经过所述外差频率生成模块后，所述多波长激光的频率变为ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃、……、ν_N+f_N，记所述多波长激光为出射光L1；

步骤(2)、记所述激光出射模块出射光L1被所述第二非偏分光镜分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11、参考光L12都包含多波长激光ν₁+f₁、ν₂+f₂、ν₃+f₃、……、ν_N+f_N；

步骤(3)、记所述测量光L11由所述测量单元出射后、入射到所述靶镜单元，由所述靶镜单元反射器后向反射，所述后向反射光记为L11，所述L11携带沿X轴直线度误差信息返回到测量单元，作为外差干涉长测量信号的测量光；

步骤(4)、所述参考光L12被测量单元的固定反射器后向反射后，经过所述非偏振分光镜后，与所述L11合束，调整第一检偏器的透光轴方向，使得参考光L12与测量光L11在所述第一光电探测器上发生干涉；

步骤(5)、所述第一光电探测器探测到外差干涉信号频谱的f₁、f₂、f₃、……、f_N，等分量，所述第一至第N带通滤波器将所述f₁、f₂、f₃、……、f_N，等分量分离后，由所述第一至第N相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息

取其中n,对组成拍频信号，2≤n≤N-1，n为自然数，根据n组合成波长以及相位差结合，计算出靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。

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