CN116481435B - 一种紧凑型六自由度测量系统 - Google Patents
一种紧凑型六自由度测量系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116481435B CN116481435B CN202310271664.0A CN202310271664A CN116481435B CN 116481435 B CN116481435 B CN 116481435B CN 202310271664 A CN202310271664 A CN 202310271664A CN 116481435 B CN116481435 B CN 116481435B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- light
- optical system
- axis
- reflected
- beam splitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims description 74
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 119
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 39
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 14
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 5
- 239000004121 copper complexes of chlorophylls and chlorophyllins Substances 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 238000012938 design process Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 230000036544 posture Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种紧凑型六自由度测量系统，所述测量系统包括测量光源、准直透镜、半透半反镜A、半透半反镜B、半透半反镜C、反射镜A、反射镜B、反射镜C、反射镜D、偏振分光镜A、偏振分光镜F、第一光学系统、第二光学系统、第三光学系统、第四光学系统、第五光学系统以及粘贴在被测物体表面的二维光栅专用靶标。本发明通过第一光学系统测量绕X轴以及Y轴的转动角度RX和RY，第二光学系统测绕Z轴的转动角度RZ，第三光学系统测沿着Z轴的位移变化，第四光学系统测测沿着Y轴的位移变化，第五光学系统测测沿着X轴的位移变化，本发明可以同时进行被测物体六自由度的角度及位移变化的测量，测量效率有了极大的提高。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，涉及一种六自由度测量系统。
背景技术
随着测量技术的日渐发展，测量的方式及种类也越来越多，其中在高精密场合最受关注的是使用光学方法进行测量，并且随着光学仪器和电子设备的进步，光电集成电路、便携式信息终端、数码相机等的发展，通过结合光学设备和电子设备可以实现先进的功能，所以可以通过使用激光等电子元件集成在设备中进行测量。目前对于一自由度、二自由度以及三自由度测量传感器的设计已经非常完善充足，但是对于四自由度以上尤其是六自由度的测量传感器的设计目前还是比较缺少，并且在传统的测量设备中，由于六自由度测量的结构更加的复杂，在使用光学测量的光路中，光路结构复杂，所需要的测量元件也较多，体积相对较大难以集成化制造。
对于需要进行六自由度测量的工作环境中，使用六自由度传感器进行测量就更加的方便简单，使光路结构更加的简单化，并且通过元件集成化，使得该传感器体积更加紧凑，测量精度更加精准。所以，迫切需要一种六自由测量测量系统及方法的设计。
发明内容
针对上述六自由度测量的工作场合，为了更好的进行六自由度测量，满足在实际使用中的需求以及测量所需的光路结构更加简化，结构更加紧凑简单，本发明提供了一种紧凑型六自由度测量系统，通过在测定对象上安装由反射型衍射光栅构成的专用靶来反射测定用光，基于多次利用其反射光以及衍射光，进而测量被测对象的三轴方向的旋转角度位移以及沿着Z轴方向的位移，并且通过光栅干涉测量对X以及Y轴的位移。本发明可以同时进行被测物体六自由度的角度及位移变化的测量，并且在光路设计过程中，光路进行多次利用，极大地降低了元件的数量，能够降低设计系统的尺寸，更好的集成化。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种紧凑型六自由度测量系统，包括测量光源、准直透镜、半透半反镜A、半透半反镜B、半透半反镜C、反射镜A、反射镜B、反射镜C、反射镜D、偏振分光镜A、偏振分光镜F、第一光学系统、第二光学系统、第三光学系统、第四光学系统、第五光学系统以及粘贴在被测物体表面的二维光栅专用靶标，其中：
所述测量光源发出照射光，照射光经过准直透镜后变为平行光，平行光通过半透半反镜A照射在粘贴在被测物体表面的二维光栅专用靶标产生反射光(0级衍射光)、(+1，0)级衍射光、(-1，0)级衍射光、(0，+1)级衍射光、(0，-1)级衍射光；
所述反射光(0级衍射光)通过半透半反镜A反射到第一光学系统，第一光学系统通过接收反射光(0级衍射光)进而测量二维光栅专用靶标绕X轴的转动角度RX以及Y轴的转动角度RY；
所述(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B反射到第二光学系统，第二光学系统通过接收(0，+1)级衍射光进而测量二维光栅专用靶标绕Z轴的转动角度RZ；
所述(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C反射到第三光学系统，第三光学系统通过接收(0，-1)级衍射光进而测量测量二维光栅专用靶标沿Z轴的位移变化量；
所述(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B透射、反射镜A反射照射在偏振分光镜A上，(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C透射、反射镜B反射照射在偏振分光镜A上，(0，+1)级衍射光和(0，-1)级衍射光通过偏振分光镜A汇聚到第四光学系统，第四光学系统接收(0，±1)级衍射光，通过光栅干涉进一步测量被测物体沿Y轴的位移变化量；
所述(+1，0)级衍射光通过反射镜C反射照射在偏振分光镜F上，(-1，0)级衍射光通过反射镜D反射照射在偏振分光镜F上，(+1，0)级衍射光和(-1，0)级衍射光通过偏振分光镜F汇聚到第五光学系统，第五光学系统接收(±1，0)级衍射光，通过光栅干涉进一步测量被测物体沿X轴的位移变化量。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明运用三角光测量以及光栅干涉测量的方法，分别通过第一光学系统测量绕X轴以及Y轴的转动角度RX和RY，第二光学系统测绕Z轴的转动角度RZ，第三光学系统测沿着Z轴的位移变化，第四光学系统测测沿着Y轴的位移变化，第五光学系统测测沿着X轴的位移变化，本发明可以同时进行被测物体六自由度的角度及位移变化的测量，测量效率有了极大的提高；
2、该测量传感器采用光学元件可以更加方便集成化，并且在光路设计过程中，光路进行多次利用，极大地降低了元件的数量，降低设计系统的尺寸，体积更加的小巧；
3、该测量传感器采用非接触式光学测量，在一些精密设备测量中，可以避免与被测物体表面接触而发生破坏被测物体的问题，并且测量精度也相对较高；而且对每个自由度的变化量进行单独的计算，计算更加的简单；
4、本发明仅使用一个测量光源就可以测量六自由度的位移变化，并且第二光学系统、第三光学系统与第四光学系统共用部分光路，结构更加紧凑。
附图说明
图1为本发明紧凑型六自由度测量系统的俯视结构概念示意图；
图2为图1的A-A的剖视结构概念示意图；
图3为图1的B-B的剖视结构概念示意图；
图4为本发明紧凑型六自由度测量系统的三维结构示意图；
图5为第一光学系统的测量示意图；
图6为第一光学系统的几何具体计算示意图；
图7为被测物体表面沿Z轴平移对第一光学系统测量影响示意图；
图8为第二光学系统几何测量示意图；
图9为第三光学系统测量的几何示意图；
图中，1-测量光源，2-准直透镜，3-第一光学系统，31-第一受光元件，32-第一接收透镜，，4-反射镜A，5-半透半反镜B，6-第二光学系统，61-第二接受透镜，62-第二受光元件，7-半透半反镜A，8-被测物体表面，9-第三光学系统，91-第三受光元件，92-第三接收透镜，10-半透半反镜C，11-反射镜B，12-偏振分光镜A，13-第四光学系统，131-光电探测器A，132-偏振分光镜B，133-光电探测器B，134-光电探测器C，135-偏振分光镜C，136-光电探测器D，137-非偏振分光镜A，138-1/4波片A，14-第五光学系统，141-光电探测器E，142-偏振分光镜D，143-光电探测器F，144-光电探测器G，145-偏振分光镜E，146-光电探测器H，147-非偏振分光镜B，148-1/4波片B,15-偏振分光镜F，16-反射镜C，17-反射镜D，18-二维光栅专用靶标。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种紧凑型六自由度测量系统，如图1-4所示，所述测量系统包括测量光源1、准直透镜2、半透半反镜A7、半透半反镜B5、半透半反镜C10、反射镜A4、反射镜B11、反射镜C16、反射镜D17、偏振分光镜A12、偏振分光镜F15、第一光学系统3、第二光学系统6、第三光学系统9、第四光学系统13、第五光学系统14以及粘贴在被测物体表面8的二维光栅专用靶标18，其中：
所述测量光源1发出照射光，照射光经过准直透镜2后变为平行光，平行光通过半透半反镜A7照射在粘贴在被测物体表面8的二维光栅专用靶标18产生反射光(0级衍射光)、(+1，0)级衍射光、(-1，0)级衍射光、(0，+1)级衍射光、(0，-1)级衍射光；
所述反射光(0级衍射光)通过半透半反镜A7反射到第一光学系统3，第一光学系统3通过接收来自于光源垂直照射在二维光栅专用靶标18的反射光(0级衍射光)进而测量二维光栅专用靶标18绕X轴的转动角度RX以及Y轴的转动角度RY；
所述(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B5反射到第二光学系统6，第二光学系统6通过接收来在于二维光栅专用靶标18的(0，+1)级衍射光进而测量二维光栅专用靶标18绕Z轴的转动角度RZ；
所述(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C10反射到第三光学系统9，第三光学系统9通过接收来自二维光栅专用靶标18的(0，-1)级衍射光进而测量测量二维光栅专用靶标18沿Z轴的位移变化量；
所述(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B5透射、反射镜A4反射照射在偏振分光镜A12上，(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C10透射、反射镜B11反射照射在偏振分光镜A12上，(0，+1)级衍射光和(0，-1)级衍射光通过偏振分光镜A12汇聚到第四光学系统13，第四光学系统13接收来自于二维光栅专用靶标18的(0，±1)级衍射光，通过光栅干涉进一步测量被测物体沿Y轴的位移变化量；
所述(+1，0)级衍射光通过反射镜C16反射照射在偏振分光镜F15上，(-1，0)级衍射光通过反射镜D17反射照射在偏振分光镜F15上，(+1，0)级衍射光和(-1，0)级衍射光通过偏振分光镜F15汇聚到第五光学系统14，第五光学系统14接收来自于二维光栅专用靶标18的(±1，0)级衍射光，通过光栅干涉进一步测量被测物体沿X轴的位移变化量。
本发明中，所述测量光源1可以采用固体激光器、气体激光器、半导体激光器等常见激光器以及发光二极管等作为光源使用；第一受光元件31、第二受光元件62、第三受光元件91其目的是为了检测成像点的位置变化，因此可以使用CMOS图像传感器、CCD图像传感器等；对于第一接受透镜32、第二接受透镜61、第三接受透镜92是为了更好的在第一受光元件31、第二受光元件62、第三受光元件91成像，所以既可以由单个透镜组成，也可以使用多个透镜组成的透镜系统。
本发明中，所述第一光学系统3、第二光学系统6和第三光学系统9采用激光三角法进行被测物体表面的几何转动及位移的测量，所述第四光学系统13和第五光学系统14采用光栅干涉测量的方法进行被测物体表面的位移测量。
如图2所示，所述第一光学系统3包括第一受光元件31和第一接受透镜32，第一光学系统3的具体测量原理为：测量光源1发出照射光，照射光经过准直透镜2后变为平行光，平行光通过半透半反镜A7照射在粘贴在被测物体表面8的二维光栅专用靶标18产生衍射，反射光(0级衍射光)反射到半透半反镜A7，经半透半反镜A7反射、第一接受透镜32透射到第一受光元件31，第一受光元件31进行二维测量，通过二维测量值进而求出二维光栅专用靶标18绕X轴的转动角度RX以及Y轴的转动角度RY。
如图5所示，当所述被测物体表面8处于初始位置时，初始反射光R0沿原路返回，当被测物体绕X轴和Y轴转动后，初始反射光R0转移到反射光R1，A为第一受光元件31的测量区域，根据A中测量数据来计算绕X轴和Y轴转动的角度，将反射光R1投影到YZ平面测量绕X轴的角度。如图6所示，相对应的测量计算几何关系为：
D＝f*tan(2α)
式中，f为透镜焦距，α为被测物体表面转动角度，D为第一受光元件31测量的Y方向的数值。
绕Y轴的角度变化的计算方法与绕X轴的角度变化的计算方法相同，不再过于赘述。
如图7所示，当进行绕X轴以及Y轴的角度测量，对于被测物体表面O同时沿着Z轴移动时，会对RX以及RY的测量会产生影响，对于RX角度测量中沿着Z轴移动的影响，当被测物体表面O转动一定角度到O(1)后，反射光P0在第一接受元件31上形成光点，当O(1)继续沿着Z轴移动一定距离，反射光P1相对于反射光P0会发生平行的偏移，所以为了避免Z轴方向移动的影响，应该将第一接受元件31放在第一接受透镜32的焦点位置，这样即可避免Z轴方向移动所产生的平行偏移的影响；同时因为第一光学系统3接受来自二维光栅专用靶标18的反射光，所以绕X轴的角度转动RX、绕Y轴的角度转动RY以及绕Z轴的角度转动RZ的变化对于绕X轴以及Y轴的测量并不会产生影响。
如图2所示，所述第二光学系统6包括第二接受透镜61和第二受光元件62，第二光学系统6的具体测量原理为：测量光源1发出照射光，照射光经过准直透镜2后变为平行光，平行光通过半透半反镜A7照射在粘贴在被测物体表面8的二维光栅专用靶标18产生衍射，(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B5反射、第二接受透镜61透射到第二受光元件62，第二受光元件62测量绕Z轴的转动角度RZ。
如图8所示，当绕X轴以及Y轴的角度为0时，当被测物体表面8绕Z旋转一定角度后，对绕Z轴的角度测量RZ的具体计算方法为：A点坐标为(0，Δ)，B点坐标为(Δsin(b)，Δcos(b))，假设反射光测定值为(X0,Y0)，一级衍射光的测定值为(X1,Y1)，则有：
X0-X1＝Δsin(b)
Δ＝arctan(λ/dg)
式中，Δ为一级偏振角，b为绕Z轴的角度,λ为入射光的波长，d为光栅常数。
当绕X轴以及Y轴的角度不为0时，可以通过运用欧拉角旋转矩阵建立相对应的几何矩阵关系，进而求出绕Z轴的角度位移RZ测量。
对于测量绕Z轴的角度位移变化过程中，被测物体表面8沿Z的位移变化也会对RZ的测量产生如第一光学系统3相同的平行偏移影响，所以需要同样把第二受光元件62放在第二接受透镜61的焦点位置，即可避免因被测物体表面沿Z的位移变化对RZ角度测量中的影响。
本发明中，所述第三光学系统9包括第三受光元件91和第三接受透镜92，第三光学系统9的具体测量原理为：测量光源1发出照射光，照射光经过准直透镜2后变为平行光，平行光通过半透半反镜A7照射在粘贴在被测物体表面8的二维光栅专用靶标18产生衍射，(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C10反射、第三接受透镜92透射到第三受光元件91，第三受光元件91测量沿Z轴的位移变化量。
如图9所示，当被测物体表面8沿着Z轴正负方向进行移动，到8(A)或8(B)时，其相互间距为d，经过半透半反镜C10、第三接受透镜92透射反射到第三受光元件91，光线在第三受光元件91上形成的光点也相对应的发生大小为d的位移变化。
但是对于Z轴方向的位移测量，当被测物体同时进行绕Z轴方向转动时，也会产生一定测量位移变化，但是因为反射镜A4、反射镜B11、反射镜C16、反射镜D17以及第三受光元件91的尺寸限制，所绕Z转动的测量角度不会太大，产生的影响可以不予考虑或者通过第二光学系统6的RZ测量值最后进行系统补偿；并且当被测物体表面8同时进行绕X和绕Y的方向转动时，可以通过第一光学系统3的测量值与沿着Z轴的位移变化建立相对应的几何关系，进而求解被测物体表面8沿Z的位移变化量。
对于第二光学系统6中的第二受光元件61、第二接受透镜62的虚像要与测量光源1的几何位置关系满足Scheimpflug(沙姆定律)条件，激光光斑能够在第二受光元件61上始终能够呈现清晰的图像；同时第三光学系统9中的第三受光元件91、第三接受透镜92的虚像也要与测量光源1满足该条件，激光光斑在第三受光元件91上始终呈现清晰的图像，而且第三光学系统9的第三受光元件91应该放在其第三接受透镜92的非焦点位置。
如图2所示，所述第四光学系统13包括光电探测器A131、偏振分光镜B132、光电探测器B133、光电探测器C134、偏振分光镜C135、光电探测器D136、非偏振分光镜A137和1/4波片A138，偏振分光镜B132与偏振分光镜C135的偏振方向相差90°，第四光学系统13的具体测量原理为：测量光源1发出照射光，照射光经过准直透镜2后变为平行光，平行光通过半透半反镜A7照射在粘贴在被测物体表面8的二维光栅专用靶标18产生衍射，(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B5透射、反射镜A4反射照射在偏振分光镜A12上，(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C10透射、反射镜B11反射照射在偏振分光镜A12上，(0，+1)级衍射光和(0，-1)级衍射光通过偏振分光镜A12汇聚到1/4波片A138，再通过非偏振分光镜A137分光，透射部分经过偏振分光镜C135分裂成为透射和反射两部分，反射光和透射光分别在光电探测器C134和光电探测器D136上形成干涉信号；通过非偏振光分光镜A137的反射部分经过偏振分光镜B132分裂成透射和反射两部分，透射光和反射光分别在光电探测器A131和光电探测器B133上形成干涉信号，最终在光电探测器A131、光电探测器B133、光电探测器C134、光电探测器D136上形成四路相差90°的正弦信号，进而通过信号变化测得被测物体沿着Y轴方向的位移变化量。
如图3所示，所述第五光学系统14包括光电探测器E141、偏振分光镜D142、光电探测器F143、光电探测器G144、偏振分光镜E145、光电探测器H146、非偏振分光镜B147和1/4波片B148，偏振分光镜D142与偏振分光镜E145的偏振方向相差90°，第五光学系统14的具体测量原理为：测量光源1发出照射光，照射光经过准直透镜2后变为平行光，平行光通过半透半反镜A7照射在粘贴在被测物体表面8的二维光栅专用靶标18产生衍射，(+1，0)级衍射光通过反射镜C16反射照射在偏振分光镜F15上，(-1，0)级衍射光通过反射镜D17反射照射在偏振分光镜F15上，(+1，0)级衍射光和(-1，0)级衍射光通过偏振分光镜F15汇聚到1/4波片B148，再通过非偏振分光镜B147分光，透射部分经过偏振分光镜E145分裂成为透射和反射两部分，反射光和透射光分别在光电探测器G144和光电探测器H146上形成干涉信号；通过非偏振分光镜B147的反射部分经过偏振分光镜D142分裂成透射和反射两部分，透射光和反射光分别在光电探测器E141和光电探测器F143上形成干涉信号，最终在光电探测器E141、光电探测器F143、光电探测器G144、光电探测器H146上形成四路相差90°的正弦信号，进而通过信号变化测得被测物体沿X轴的位移变化量。
对于光栅干涉的位移测量方法已经相对广泛并且成熟，以上第四光学系统13以及第五光学系统14所采用的光栅干涉测量方法是采用相差90°的四通道检测光路，但在实际应用中并不仅局限于这种，例如在简单测量检测场合也可以使用二通道检测光路。
本发明的紧凑型六自由度测量系统主要用在一些零件高精度装配时的六自由度检测和调整，如超高精度数控机床或者精密电子仪器等组装过程中。在实际进行装配机床主轴、导轨等超高精密安装要求的零部件时，需要实时的监控各个零件的相对位置与姿态，来进行指导、组装和调试各个关键部位的直线度、同轴度等安装要求，与单一的位置测量相比，通过本发明的六自由度测量系统能够更全面的表征目标的位置信息进行检测和调整，并且所述六自由度测量系统结构更加紧凑，在超高精密机床内部比较狭窄的位置也可以进行测量检测；或者也可应用于对安装在智能设备上的摄像模组等模块的的评价和检测。
Claims (10)
1.一种紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述测量系统包括测量光源、准直透镜、半透半反镜A、半透半反镜B、半透半反镜C、反射镜A、反射镜B、反射镜C、反射镜D、偏振分光镜A、偏振分光镜F、第一光学系统、第二光学系统、第三光学系统、第四光学系统、第五光学系统以及粘贴在被测物体表面的二维光栅专用靶标，其中：
所述测量光源发出照射光，照射光经过准直透镜后变为平行光，平行光通过半透半反镜A照射在粘贴在被测物体表面的二维光栅专用靶标产生0级衍射光、(+1，0)级衍射光、(-1，0)级衍射光、(0，+1)级衍射光、(0，-1)级衍射光；
所述0级衍射光通过半透半反镜A反射到第一光学系统，第一光学系统通过接收0级衍射光进而测量二维光栅专用靶标绕X轴的转动角度RX以及Y轴的转动角度RY；
所述(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B反射到第二光学系统，第二光学系统通过接收(0，+1)级衍射光进而测量二维光栅专用靶标绕Z轴的转动角度RZ；
所述(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C反射到第三光学系统，第三光学系统通过接收(0，-1)级衍射光进而测量二维光栅专用靶标沿Z轴的位移变化量；
所述(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B透射、反射镜A反射照射在偏振分光镜A上，(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C透射、反射镜B反射照射在偏振分光镜A上，(0，+1)级衍射光和(0，-1)级衍射光通过偏振分光镜A汇聚到第四光学系统，第四光学系统接收(0，±1)级衍射光，通过光栅干涉进一步测量被测物体沿Y轴的位移变化量；
所述(+1，0)级衍射光通过反射镜C反射照射在偏振分光镜F上，(-1，0)级衍射光通过反射镜D反射照射在偏振分光镜F上，(+1，0)级衍射光和(-1，0)级衍射光通过偏振分光镜F汇聚到第五光学系统，第五光学系统接收(±1，0)级衍射光，通过光栅干涉进一步测量被测物体沿X轴的位移变化量。
2.根据权利要求1所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述测量光源采用固体激光器、气体激光器、半导体激光器或发光二极管作为光源使用。
3.根据权利要求1所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第一光学系统包括第一受光元件和第一接受透镜，0级衍射光经半透半反镜A反射、第一接受透镜透射到第一受光元件，第一受光元件进行二维测量，通过二维测量值进而求出二维光栅专用靶标绕X轴的转动角度RX以及Y轴的转动角度RY。
4.根据权利要求3所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第一受光元件放在第一接受透镜的焦点位置。
5.根据权利要求1所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第二光学系统包括第二接受透镜和第二受光元件，(0，+1)级衍射光通过半透半反镜B反射、第二接受透镜透射到第二受光元件，第二受光元件测量绕Z轴的转动角度RZ。
6.根据权利要求5所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第二受光元件放在第二接受透镜的焦点位置，第二受光元件、第二接受透镜的虚像与测量光源的几何位置关系满足沙姆定律条件，激光光斑在第二受光元件上始终呈现清晰的图像。
7.根据权利要求1所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第三光学系统包括第三受光元件和第三接受透镜，(0，-1)级衍射光通过半透半反镜C反射、第三接受透镜透射到第三受光元件，第三受光元件测量沿Z轴的位移变化量。
8.根据权利要求7所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第三光学系统的第三受光元件放在第三接受透镜的非焦点位置，第三受光元件、第三接受透镜的虚像与测量光源的几何位置关系满足沙姆定律条件，激光光斑在第三受光元件上始终呈现清晰的图像。
9.根据权利要求1所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第四光学系统包括光电探测器A、偏振分光镜B、光电探测器B、光电探测器C、偏振分光镜C、光电探测器D、非偏振分光镜A和1/4波片A，偏振分光镜B与偏振分光镜C的偏振方向相差90°，(0，+1)级衍射光和(0，-1)级衍射光通过偏振分光镜A汇聚到1/4波片A，再通过非偏振分光镜A分光，透射部分经过偏振分光镜C分裂成为透射和反射两部分，反射光和透射光分别在光电探测器C和光电探测器D上形成干涉信号；通过非偏振光分光镜A的反射部分经过偏振分光镜B分裂成透射和反射两部分，透射光和反射光分别在光电探测器A和光电探测器B上形成干涉信号，最终在光电探测器A、光电探测器B、光电探测器C、光电探测器D上形成四路相差90°的正弦信号，进而通过信号变化测得被测物体沿着Y轴方向的位移变化量。
10.根据权利要求1所述的紧凑型六自由度测量系统，其特征在于所述第五光学系统包括光电探测器E、偏振分光镜D、光电探测器F、光电探测器G、偏振分光镜E、光电探测器H、非偏振分光镜B和1/4波片B，偏振分光镜D与偏振分光镜E的偏振方向相差90°，(+1，0)级衍射光和(-1，0)级衍射光通过偏振分光镜F汇聚到1/4波片B，再通过非偏振分光镜B分光，透射部分经过偏振分光镜E分裂成为透射和反射两部分，反射光和透射光分别在光电探测器G和光电探测器H上形成干涉信号；通过非偏振分光镜B的反射部分经过偏振分光镜D分裂成透射和反射两部分，透射光和反射光分别在光电探测器E和光电探测器F上形成干涉信号，最终在光电探测器E、光电探测器F、光电探测器G、光电探测器H上形成四路相差90°的正弦信号，进而通过信号变化测得被测物体沿X轴的位移变化量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310271664.0A CN116481435B (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一种紧凑型六自由度测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310271664.0A CN116481435B (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一种紧凑型六自由度测量系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116481435A CN116481435A (zh) | 2023-07-25 |
| CN116481435B true CN116481435B (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=87225880
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310271664.0A Active CN116481435B (zh) | 2023-03-20 | 2023-03-20 | 一种紧凑型六自由度测量系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116481435B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100041024A (ko) * | 2008-10-13 | 2010-04-22 | 한국표준과학연구원 | 2차원 회절 격자를 이용한 6 자유도 측정 장치 |
| CN103644849A (zh) * | 2013-12-12 | 2014-03-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统 |
| JP2016109457A (ja) * | 2014-12-02 | 2016-06-20 | 株式会社カツラ・オプト・システムズ | ３次元チルトセンサ及びこれを用いた測定対象の３軸廻りの角度変位を測定する方法 |
| CN106152974A (zh) * | 2016-06-20 | 2016-11-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种外差式六自由度光栅运动测量系统 |
| JP2017083509A (ja) * | 2015-10-23 | 2017-05-18 | 株式会社ニコン | エンコーダ装置及びその使用方法、光学装置、露光装置、並びにデバイス製造方法 |
| CN115046482A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-09-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 二维光栅位移测量装置 |
| CN115406357A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-11-29 | 东北林业大学 | 基于共焦探测的大深径比微孔测量传感方法及装置 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005147828A (ja) * | 2003-11-14 | 2005-06-09 | Mitsutoyo Corp | 変位検出装置 |
| WO2013086452A1 (en) * | 2011-12-09 | 2013-06-13 | California Institute Of Technology | Multi-view difraction granting imaging with two-dimensional displacement measurement for three-dimensional deformation or profile output |
-
2023
- 2023-03-20 CN CN202310271664.0A patent/CN116481435B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100041024A (ko) * | 2008-10-13 | 2010-04-22 | 한국표준과학연구원 | 2차원 회절 격자를 이용한 6 자유도 측정 장치 |
| CN103644849A (zh) * | 2013-12-12 | 2014-03-19 | 哈尔滨工业大学 | 一种可测竖直位移的三维光栅位移测量系统 |
| JP2016109457A (ja) * | 2014-12-02 | 2016-06-20 | 株式会社カツラ・オプト・システムズ | ３次元チルトセンサ及びこれを用いた測定対象の３軸廻りの角度変位を測定する方法 |
| JP2017083509A (ja) * | 2015-10-23 | 2017-05-18 | 株式会社ニコン | エンコーダ装置及びその使用方法、光学装置、露光装置、並びにデバイス製造方法 |
| CN106152974A (zh) * | 2016-06-20 | 2016-11-23 | 哈尔滨工业大学 | 一种外差式六自由度光栅运动测量系统 |
| CN115406357A (zh) * | 2022-06-09 | 2022-11-29 | 东北林业大学 | 基于共焦探测的大深径比微孔测量传感方法及装置 |
| CN115046482A (zh) * | 2022-06-15 | 2022-09-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 二维光栅位移测量装置 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| A novel wide-range precision instrument for measuring three-dimensional surface topography;YANG Xudong等;Journal of Chongqing University(English Edition);20080315;第07卷(第01期);52-57 * |
| A six-degree-of-freedom surface encoder for precision positioning of a planar motion stage;X. Li等;Precision Engineering;20130315;第37卷(第03期);771-781 * |
| 五维自由度衍射光栅精密测量系统;吕强 等;中国光学;20200215;第13卷(第01期);189-202 * |
| 基于光栅投影技术的刀具磨损三维特征提取方法;姜宇 等;光学精密工程;20070315(第03期);390-395 * |
| 基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统;吕强 等;中国光学;20170215;第10卷(第01期);39-50 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116481435A (zh) | 2023-07-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101169601B (zh) | 一种调焦调平测量系统 | |
| TWI784265B (zh) | 位移測量裝置、位移測量方法及光刻設備 | |
| CN109579780B (zh) | 一种基于偏振分光自准直三维角度测量装置与方法 | |
| CN2884141Y (zh) | 一种激光六自由度同时测量装置 | |
| WO2018103268A1 (zh) | 用于测量转轴六自由度几何误差的激光测量系统及方法 | |
| CN101691998B (zh) | 二维激光自准直仪 | |
| CN100535767C (zh) | 一种调焦调平测量方法和装置 | |
| JPH073344B2 (ja) | エンコ−ダ− | |
| CN105737765A (zh) | 基于半导体激光器组件的四自由度光学测头 | |
| CN102003935B (zh) | 一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法 | |
| CN111412832B (zh) | 基于干涉仪模块的半导体激光六自由度误差测量系统 | |
| CN102564301A (zh) | 一种用于点衍射干涉仪针孔对准的装置和方法 | |
| CN103604375A (zh) | 抗光学混叠的双频激光光栅干涉二维测量方法及系统 | |
| CN113701640B (zh) | 一种三轴光栅尺 | |
| CN101382416A (zh) | 非接触六自由度微位移测量装置 | |
| CN102087483A (zh) | 一种用于投影光刻中焦面检测的光学系统 | |
| CN1740742A (zh) | 光栅式光电自准直仪 | |
| WO2018101834A1 (en) | Position finder apparatus and method using optically projected reference | |
| WO2016086745A1 (zh) | 一种利用可旋转光栅测量的位移测量系统 | |
| CN114252028A (zh) | 一种结合激光三角法的紧凑型四光斑二维转角检测装置 | |
| CN116481435B (zh) | 一种紧凑型六自由度测量系统 | |
| CN110631510B (zh) | 一种基于迈克尔逊结构的高精度测角装置及测角方法 | |
| CN109579778B (zh) | 一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置与方法 | |
| TWI383466B (zh) | An imprinting platform alignment and leveling measurement system | |
| TW201819851A (zh) | 轉動角度量測裝置及加工系統 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |