CN114264235A

CN114264235A - 一种可测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法

Info

Publication number: CN114264235A
Application number: CN202010964197.6A
Authority: CN
Inventors: 熊显名; 丁子婷; 曾启林; 张文涛; 杜浩; 徐绍华
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2020-09-15
Filing date: 2020-09-15
Publication date: 2022-04-01

Abstract

本发明提供了一种可测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法。其特征是：由双频激光头1，中性分光镜2，激光干涉仪3，位移传感器4，三角反射镜5，微移动台6，角锥棱镜7，信号处理单元8组成。双频激光头发出的测量光路上设置中性分光镜，经中性分光镜透射和反射后分别形成两路测量光路，在第一测量光路上依次设置有三角反射镜、位移传感器，在第二测量光路上设置有激光干涉仪组件。通过结合平面几何原理并对比计算两路测量信号可实现水平、垂直位移测量和偏转检测。本发明具有精度高、结构简单的特点，可广泛用于微移动台或小型设备的小量程线性位移测量与偏转检测。

Description

一种可测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法

(一)技术领域

本发明涉及激光精密测量技术领域，特别涉及一种水平、垂直位移测量和偏转检测的装置及方法。

(二)背景技术

随着高精度精密光学仪器的快速发展和应用，对光学检测准确性要求越来越高，激光干涉仪是根据光的干涉原理制成的计量仪器，它是以光的波长作为测量尺度，将被测物理量转化为光程差，最终以干涉条纹反映被测信息。常用的激光干涉仪以稳频氦氖激光为光源，结合干涉镜组与反射镜组构成一个具有干涉作用的线性测量系统，可用于对精密工具机或测量仪器的校正，具有高精度、高灵敏度和非接触式测量等优点。

工业应用中普遍采用的干涉仪只能实现单个方向的位移测量，且多为对车床等设备上的运动台在直线运动时做高精度定位测量，专利CN110449993A提出一种运动台直线位移测量及偏转检测装置，该装置采用角锥棱镜作为反射靶镜，能实现对运动台的水平方向测量与偏转检测，要配合其他镜组才能实现水平或垂直位移的测量。采用多个单自由度激光测量系统组成分布式的多自由度测量系统，如美国Agilent公司美国专利US735571982中采用水平方向上布置多轴激光干涉仪，利用45°反射镜将测量光引入Z轴，侧面和Z向安装反射镜，利用位移差分计算转角，实现六自由度测量，但分布式的干涉测量系统占用空间大、安装调整困难，难以满足测量需求。现有针对微移动台或小型设备的定位测量和对偏移量的检测，存在装置结构较复杂，成本较高的问题。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法。旨在解决现有简易装置中不能对微移动台的水平、垂直位移进行测量及对微移动台偏转检测和校准问题。

本发明的技术方案如下：

一种可测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，包括双频激光头、中性分光镜、三角反射镜、位移传感器、激光干涉仪、角锥棱镜。所述双频激光头发出的测量光路上设置中性分光镜，经所述中性分光镜透射和反射后分别形成两路测量光路，其特征在于，在所述中性分光镜反射形成的第一测量光路上依次设置有三角反射镜、位移传感器；在所述中性分光镜透射形成的第二测量光路上设置有激光干涉仪组件。

进一步地，所述激光干涉仪组件包括激光干涉仪、三角反射镜、角锥棱镜及信号处理单元，所述激光干涉仪将测量光束依次入射至三角反射镜、角锥棱镜；所述角锥棱镜将测量光束反射三角反射镜后，再入射至所述激光干涉仪；所述激光干涉仪将干涉信号送入信号处理单元。

进一步地，所述位移传感器采用一维PSD位置敏感检测器。

进一步地，所述三角反射镜的底面与微移动台固定连接。

进一步地，三角反射镜采用等腰直角反射镜或下表面为45°角反射面的三角反射镜。

进一步地，所述位置传感器放置在所述三角反射镜的上方，且与三角反射镜的中心轴线平行，两者平行距离为L。

进一步地，所述中性分光镜与所述三角反射镜的下表面反射面互相平行。

进一步地，经所述中性分光镜反射的光束与三角反射镜的中心轴线平行，两者平行距离为L0

进一步地，经所述角锥棱镜放置在所述三角反射镜的下方，且角锥棱镜下底面与三角反射镜的中心轴线平行。

进一步地，所述信号处理单元包括相位计和计算机，所述激光干涉仪通过相位计与计算机相连。

本发明相比于现有技术的优点在于:

1.本发明提出了采用三角反射镜作为干涉仪反射靶镜实现光束方向的控制，解决了现有技术中需要多个干涉仪进行测量的问题，使得测量装置的结构简单紧凑。

2.本发明结合平面几何原理，提供一种对比测量方法实现水平、垂直位移测量和偏转检测与校准。

(四)附图说明

为了更清楚地说明本发明型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明型实施例1提供的装置结构示意图。

图2a、2b为实施例1中实现水平、垂直运动测量的光路原理示意图。

图3为实施例1中实现偏转检测的光路原理示意图。

图4a、4b为实施例2中实现水平、垂直运动测量的光路原理示意图。

图5为实施例2中实现偏转检测的光路原理示意图。

图中：双频激光头1，中性分光镜2，激光干涉仪3，位移传感器4，三角反射镜5，微移动台6，角锥棱镜7，信号处理单元8。

(五)具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明了，结合具体实施实例及附图对本发明进一步说明。

实施例1

请参阅图1，本发明提供了一种可测量水平、垂直位移和实现偏转检测的装置及方法，包括双频激光头1、中性分光镜2、激光干涉仪3，位移传感器4，三角反射镜5，微移动台6，角锥棱镜7，信号处理单元8。该实施例的双频激光头1发出的测量光束通过中性分光镜2透射和反射后分别形成两路测量光束。一路测量光束直接入射到三角反射镜5上表面反射面5a后，反射到上方的位移传感器4，形成第一测量信号；第二路测量光束入射至激光干涉仪3后形成与第一路测量光束相互平行、相互间隔一段距离的出射光束；此时出射光束为干涉仪的测量臂光束，测量臂光束经三角反射镜5的下表面反射面5b反射后，入射至角锥棱镜7，再经角锥棱镜7和三角反射镜5的下表面反射面5b依次反射后，入射至激光干涉仪3；测量臂光束在干涉仪3中形成干涉信号后，由信号处理单元 8对接收到信号进处理，形成第二测量信号。

在本实施方式中，所述激光干涉仪其原理为两相干光束频率产生一个小的频差(即拍频)，其中一束作为参考光，另一束作为测量光，照射在待测体上的反射镜。两束光最后在偏振光电接收器上形成干涉，即干涉光是由光频为w的测试表面光波与光频为w+Δw的参考表面光波的合成。干涉场光强是以Δw为频率随时间做余弦变化的，该点的相位被调制为差频波的相位，通过检测该相位可以实现外差干涉计量。

本实施例中，将三角反射镜采用下表面为45°反射面，上表面为45°反射面，所述角度均为三角反射镜上、下表面与微移动台相连的底面形成的角度。

下面参考图2a，2b来描述微移动台线性运动的具体计算过程。

图2a，2b为依据图1装置实现水平、垂直运动测量的光路原理示意图，包括三角反射镜5、位移传感器4，图2a、2b光路均在X-Y平面内展开，为微移动台水平移动光路变化示意图。

当微移动台沿X方向向移动后，由信号处理单元8接收到的第二测量信号，就可得到三角反射镜的水平移动量ΔX，即微移动台的直线度数据。由位移传感器4的第一测量信号得到三角反射镜的水平移动量AB；利用平面几何原理可得到公式：

AB＝A'B'＝OO'＝ΔX

此时，由激光干涉仪测得的位移量与位移传感器检测的位移量相等。

同理：当微移动台沿Y方向向移动后，就可得到三角反射镜的垂直移动量ΔY，即微移动台的直线度数据。由位移传感器4的第一测量信号得到三角反射镜的垂直移动量AB；利用平面几何原理可得到公式：

AB＝A'B'＝OC＝OO'＝ΔY

下面参考图3来描述微移动台偏转检测的具体计算过程。

图3光路在X-Y平面内展开，为以装置O点偏转的测量光路原理示意图，包括三角反射镜5、位移传感器4。

当三角反射镜以O点为圆心逆时针转动角度为α时，即偏转角为α，由信号处理单元8接收到的第二测量信号，含有因偏转产生的水平与垂直分量；由位移传感器4的第一测量信号得到三角反射镜的水平移动量AB；利用平面几何原理可得公式：

B'C＝L0·tan(θ-α)，A'C＝L0·tanθ

A'B'＝A'C-B'C＝L0·(1-tan(45-α))

式中：θ为45°

β为当三角反射镜以O点为圆心逆时针转α后，入射至位移传感器上的光束方向沿原光束方向的偏转角度。由平面反射镜的旋转特性可知：β＝2α。联立上述公式，可得偏转检测的计算公式为：

(L-L0)·tan(2α)＝AB-L0·(1-tan(45-α))

实施例2

该实施例2与上述实施例1的主要区别在于，本实施例中，将三角反射镜采用下表面为45°反射面，上表面为θ1°反射面，所述角度均为三角反射镜上、下表面与微移动台相连的底面形成的角度。

下面参考图4a，4b来描述微移动台线性运动的具体计算过程。

图4a，4b为依据图1装置实现水平、垂直运动测量的光路原理示意图，包括三角反射镜5、位移传感器4，图4a、4b光路均在X-Y平面内展开，为微移动台水平移动光路变化示意图。

当微移动台沿X方向向移动后，由信号处理部分8接收到的第二测量信号，就可得到三角反射镜的水平移动量ΔX，即微移动台的直线度数据。由位移传感器4的第一测量信号得到三角反射镜的水平移动量AB；利用平面几何原理可得到公式：

AB＝A'B'＝OO'＝ΔX

AB＝A'B'＝OC，

AB＝ΔY·tan(θ1)

此时，由激光干涉仪测得的垂直位移量与位移传感器检测的位移量成三角函数倍数关系。

下面参考图5来描述微移动台偏转检测的具体计算过程。

图5光路在X-Y平面内展开，为以装置O点偏转的测量光路原理示意图，包括三角反射镜5、位移传感器4。

当三角反射镜以O点为圆心逆时针转动角度为α时，即偏转角为α，由信号处理部分8接收到的第二测量信号，含有因偏转产生的水平与垂直分量；由位移传感器4的第一测量信号得到三角反射镜的水平移动量AB；利用平面几何原理可得公式：

B'C＝L0·tan(θ-α)，A'C＝L0·tanθ

A'B'＝A'C-B'C＝L0·(tanθ-tan(θ-α))

β为当三角反射镜以O点为圆心逆时针转α后，入射至位移传感器上的光束方向沿原光束方向的偏转角度。由平面反射镜的旋转特性可知，β＝2α。联立上述公式，可得偏转检测的计算公式为：

NB＝AB-AN＝AB-A'B'，

(BB')²＝(NB)²+(NB')²-2·NB·NB'·cos(2θ)

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种可测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，包括双频激光头、中性分光镜、三角反射镜、位移传感器、激光干涉仪、角锥棱镜。所述双频激光头发出的测量光路上设置所述中性分光镜，经所述中性分光镜透射和反射后分别形成两路测量光路，其特征在于，在所述中性分光镜反射形成的第一测量光路上依次设置有三角反射镜、位移传感器；在所述中性分光镜透射形成的第二测量光路上设置有激光干涉仪组件。

2.根据权利要求1所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，所述激光干涉仪组件包括激光干涉仪、三角反射镜、角锥棱镜及信号处理单元，所述激光干涉仪将测量光束依次入射至三角反射镜、角锥棱镜；所述角锥棱镜将测量光束反射至三角反射镜后，再入射至所述激光干涉仪；所述激光干涉仪将干涉信号送入信号处理单元。

3.根据权利要求2所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于所述位移传感器采用一维PSD位置敏感检测器。

4.根据权利要求3所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，所述三角反射镜的底面与微移动台固定连接。

5.根据权利要求4所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，所述三角反射镜采用下表面为45°角反射面的三角反射镜。

6.根据权利要求5所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，所述位移传感器放置在所述三角反射镜的上方，且与三角反射镜的中心轴线平行，两者平行距离为L。

7.根据权利要求6所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，所述中性分光镜与所述三角反射镜的下表面反射面互相平行。

8.根据权利要求7所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，经所述中性分光镜反射的光束与三角反射镜的中心轴线平行，两者平行距离为L0。

9.根据权利要求8所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，经所述角锥棱镜放置在所述三角反射镜的下方，且角锥棱镜下底面与三角反射镜的中心轴线平行。

10.根据权利要求9所述的测量水平、垂直位移和偏转检测的装置及方法，其特征在于，所述信号处理单元包括相位计和计算机，所述激光干涉仪通过相位计与计算机相连。