CN116878393A - 基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置和方法，包括：激光光源、分光干涉镜组、背对背测量镜组、角度监测模块和信号处理系统；激光光源，用于发出激光；分光干涉镜组，用于将激光分裂成位移测量光束和角度监测光束；背对背测量镜组，用于反射位移测量光束和角度监测光束，信号处理系统，用于接收背对背测量镜组反射的光束，在获取背对背测量镜组位移量的同时，实现角度影响的在线监测和补偿。本发明将位移测量光路和角度监测光路耦合在一起，实现共路传播，由背对背测量镜组同时反射，在完成位移测量的同时实现背对背测量镜组垂直光轴角摆和绕光轴滚转角影响的在线监测和补偿，同时还能实现直线度的测量。

Description

基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置和方法

技术领域

本发明属于几何量测试技术领域，尤其涉及基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置和方法。

背景技术

激光干涉测长技术为位移高精度测量提供了便利手段，为超精密机床运动机构的位移和定位、光学精密加工的检测、集成电路扫描工作台的运动测量和定位等提供了检测手段，并且能够使测量结果直接溯源至米定义。为了消除平移过程中平面反射镜偏摆导致的影响，提高测量精度，目前，各种激光干涉测长技术通常都采用了角锥反射镜来代替平面反射镜，以此形成折叠干涉腔保证光路原方向返回。这也是角锥反射镜独特的光学性质。各种研究显示，虽然这种角锥折叠式干涉腔能够解决平面反射镜的问题，但是角锥反射镜入射面的角度偏摆仍然会导致误差。这个误差量通常来自于理论分析，而没有在线监测和量化。这也就无法考察这种角锥棱镜入射面角摆对长度测量的影响。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置和方法，装置将位移测量光路和角度监测光路耦合在一起，实现共路传播，由背对背测量镜组同时反射，在完成位移测量的同时实现背对背测量镜组垂直光轴角摆和绕光轴滚转角影响的在线监测和补偿，同时还能实现直线度的测量。

为实现上述目的，本发明提供了基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，包括：

激光光源、分光干涉镜组、背对背测量镜组、角度监测模块和信号处理系统；

所述激光光源，用于发出激光束；

所述分光干涉镜组，用于将所述激光光源发出的激光束分裂成位移测量光束和角度监测光束；

所述背对背测量镜组，用于反射所述位移测量光束和角度监测光束，

所述角度监测模块，用于探测角度监测光束；

所述信号处理系统，用于在完成背对背测量镜组位移测量的同时实现角度影响的在线监测和补偿。

可选的，所述分光干涉镜组包括：第一分光镜、第二分光镜和参考角锥反射镜；

所述第一分光镜包含第一分光区a、第二分光区b和第三分光区c，且第一分光区a和第二分光区b分居第三分光区c两侧；

所述第二分光镜位于所述第一分光区a正下方，与所述第一分光镜倾斜平行放置，且所述第二分光镜反射的激光束通过所述第三分光区c与所述第一分光区a的透射光平行；

所述参考角锥反射镜位于所述第二分光镜正下方，与所述第二分光镜和第一分光镜均呈预设角度，且第二分光镜的透射光经过所述参考角锥反射镜后由第一分光镜的第二分光区b反射后返回至所述信号处理系统。

可选的，所述角度监测模块包括角度光束探测器：

所述角度光束探测器位于所述第三分光区c反射光的光路上，且角度光束探测器的接收面与激光束垂直。

可选的，所述信号处理系统包括位移测量信号处理模块和角度监测处理模块：

所述位移测量信号处理模块用于处理位移干涉信号，获得背对背测量镜组的位移量；

所述角度监测处理模块用于处理角度监测信号，获得背对背测量镜组的角摆、平移和滚转角。

可选的，所述背对背测量镜组包括：测量角锥反射镜、角度调整架和耦合角锥反射镜；

所述测量角锥反射镜，用于同时反射位移测量光束和角度监测光束；

所述耦合角锥反射镜，用于耦合被测对象；

所述角度调整架，用于在所述信号处理系统控制下实时调节背对背测量镜组的角摆。

可选的，所述测量角锥反射镜的入射面具有分区异性镀膜特点，所述测量角锥反射镜的中心区域用来反射角度监测光束，外围区域用来透射转折位移测量光束。

可选的，所述测量角锥反射镜的入射面中心区域为十字叉结构，通过角度监测光束照射，在所述角度光束探测器上形成带十字叉的激光斑点。

可选的，所述位移测量光束的参考光路走向为：激光光源——第一分光区a——第二分光镜——参考角锥反射镜——第二分光区b——激光光源；

所述位移测量光束的测量光路走向为：激光光源——第一分光镜区a——测量角锥反射镜—第二分光区b——激光光源；

所述位移测量光束的参考光路和测量光路形成的干涉信号经过位移测量信号处理系统后，获取所述背对背测量镜组发生的位移量；

所述角度监测光束的光路走向为：第一分光区a——第二分光镜——第三分光区c——测量角锥反射镜的中心区域——第三分光区c——角度光束探测器；

所述角度监测光束的光经过所述测量角锥反射镜反射后会在角度光束探测器上产生一个带有十字叉的斑点，其中，斑点和十字叉同时侧移表征背对背测量镜组发生了垂直光轴角摆；斑点与十字叉错位表征背对背测量镜组发生了垂直光轴的平移；十字叉的旋转表征背对背测量镜组发生了绕光轴的滚转角。

为实现上述目的，本发明还提供了基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量方法，包括：

调整激光光源、分光干涉镜组、背对背测量镜组、角度监测模块和信号处理系统的初始状态；

沿光路前后移动所述背对背测量镜组，通过所述信号处理系统获取所述背对背测量镜组的位移量；

在所述背对背测量镜组移动的同时，所述信号处理系统实时分析角度光束探测器上光斑的位置和十字叉状态，输出所述背对背测量镜组的角摆、平移和滚转角量。

可选的，所述信号处理系统实时分析角度光束探测器上光斑的位置和十字叉状态包括：

激光斑点中心与十字叉中心垂直光轴的同步侧移通过预设公式计算角摆；若十字叉中心与激光斑点中心无相对侧移而发生了相对初始状态的旋转角，则表征了所述背对背测量镜组的滚转角，且两者成等比例同方向性关系；若十字叉中心相对激光斑点中心发生了侧移，则表征了背对背测量镜组平移过程中的直线度；所述预设公式为：

式中，D₂为第三分光区c至背对背测量镜组入射面之间的距离，L为第三分光区c至角度探测器的距离，θ_arcsec为背对背测量镜组角摆量，X为十字叉侧移量。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明在激光位移测量功能中嵌入了角度监测功能，创新和丰富了激光位移测量仪的设计，可以在完成位移测量的同时实现背对背测量镜组角摆的监测和补偿。

本发明的方案既能实现垂直光轴角摆的监测和补偿，又能实现绕光轴滚转角的监测和补偿。

本发明的方案可以实现背对背测量镜组平移的监测，完成直线度测量。

本发明将激光位移测量的测量光路和角度测量光路实现共路结构，减少了角度监测和位移测量异路的影响，提高了测量精度。

本发明将位移测量系统和角度监测系统融合起来，实现了同一激光器两种测量功能，简化了设备，降低了成本。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量原理示意图；

其中，1、分光镜；2、分光镜；3、参考角锥反射镜；4、测量角锥反射镜；5、角度调整架；6、耦合角锥反射镜。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例提供了基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，包括：激光光源、分光干涉镜组、背对背测量镜组、角度监测模块和信号处理系统；激光光源，用于发出激光束；分光干涉镜组，用于将激光光源发出的激光束分裂成位移测量光束和角度监测光束；背对背测量镜组，用于反射位移测量光束和角度监测光束，角度监测模块，用于探测角度监测光束；信号处理系统，用于在完成背对背测量镜组位移测量的同时实现角度影响的在线监测和补偿。

激光光源发出的激光经过分光干涉镜组分裂出位移测量光束和角度监测光束，由背对背测量镜组同时反射，在完成位移测量的同时实现背对背测量镜组垂直光轴角摆和绕光轴滚转角影响的在线监测和补偿，同时还能实现直线度的测量。

分光干涉镜组包括分光镜1、分光镜2和参考角锥反射镜3。

分光镜1包含第一分光区a、第二分光区b和第三分光区c，且第一分光区a和第二分光区b分居第三分光区c两侧；

分光镜2位于第一分光区a正下方，与分光镜1倾斜平行放置，且分光镜2反射的激光束通过第三分光区c与第一分光区a的透射光平行；

参考角锥反射镜位于分光镜2正下方，与分光镜2和分光镜1均呈预设角度，且分光镜2的透射光经过参考角锥反射镜后由分光镜1的第二分光区b反射后返回至信号处理系统。

背对背测量镜组由测量角锥反射镜4、角度调整架5和耦合角锥反射镜6，其中测量角锥反射镜4用来同时反射位移测量光束和角度监测光束；耦合角锥反射镜6用来耦合被测对象；角度调整架5在信号处理系统控制下实时调节背对背测量镜组的角摆。

测量角锥反射镜4的入射面具有分区异性镀膜特点，其中心区域用来反射角度监测光束，外围区域用来透射转折位移测量光束。

测量角锥反射镜4入射面中心区域为十字叉结构，通过角度监测光束照射，它在角度光束探测器上形成带十字叉的激光斑点。

位移测量系统包括激光光源、分光干涉镜组和测量角锥反射镜4；其中，位移测量参考光路走向为激光光源——第一分光区a——分光镜2—参考角锥反射镜3—第二分光区b——激光光源；位移测量测量光路走向为激光光源——第一分光区a——测量角锥反射镜4—第二分光区b——激光光源。

位移测量的参考光路和测量光路形成的干涉信号经过位移测量信号处理系统后得到背对背测量镜组发生的位移量。

角度监测采用光学杠杆原理，包括激光光源、分光干涉镜组和测量角锥反射镜4，其光路走向为激光光源——第一分光区a——分光镜2——第三分光区c——测量角锥反射镜4的中心区域——第三分光区c——角度光束探测器。

角度监测光路经过测量角锥反射镜4返射后会在角度光束探测器上有一个带有十字叉的斑点，其中斑点和十字叉同时侧移反映出背对背测量镜组发生了垂直光轴角摆；斑点与十字叉错位反映出背对背测量镜组发生了垂直光轴的平移；十字叉的旋转反映出背对背测量镜组发生了绕光轴的滚转角。

本实施例还提出了基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量方法，包括如下步骤：

步骤1，测前初始状态的调整

在激光光源正常工作情况下，安装好参考角锥反射镜3和背对背测量镜组4。大距离移动背对背测量镜组使之满足位移测量的要求，使干涉圆环中心与十字叉中心重合，同时将角度监测信号和位移测量信号置零，且记录十字叉初始状态。

步骤2，位移测量

沿光路前后移动背对背测量镜组，通过信号处理系统获得背对背测量镜组的位移量。

步骤3，位移测量过程的角度监测补偿，以及直线度测量

在背对背测量镜组移动的同时，信号处理系统实时分析角度光束探测器上光斑的位置和十字叉状态，输出背对背测量镜组的角摆、平移和滚转角量。

激光斑点中心与十字叉中心垂直光轴的同步侧移通过如下理论公式计算角摆；

激光斑点中心与十字叉中心垂直光轴的同步侧移量X与角摆θ之间的关系式为，

式中，D₂为第三分光区c至背对背测量镜组入射面之间的距离，L为第三分光区c至角度探测器的距离，θ_arcsec为背对背测量镜组角摆量，X为十字叉侧移量。

十字叉中心与激光斑点中心无相对侧移而发生的相对初始状态的旋转角放映了背对背测量镜组的滚转角，且两者成等比例同方向性关系。

十字叉中心相对激光斑点中心发生了侧移反映了背对背测量镜组平移过程中的直线度。

本发明在激光位移测量功能中嵌入了角度监测功能，创新和丰富了激光位移测量仪的设计，可以在完成位移测量的同时实现背对背测量镜组角摆的监测和补偿。

本发明的方案既能实现垂直光轴角摆的监测和补偿，又能实现绕光轴滚转角的监测和补偿。

本发明的方案可以实现背对背测量镜组平移的监测和补偿，完成直线度测量。

本发明将激光位移测量的测量光路和角度测量光路实现共路结构，减少了角度监测和位移测量异路的影响，提高了测量精度。

本发明将位移测量系统和角度监测系统融合起来，实现了同一激光器两种测量功能，简化了设备，降低了成本。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，包括：激光光源、分光干涉镜组、背对背测量镜组、角度监测模块和信号处理系统；

所述激光光源，用于发出激光束；

所述分光干涉镜组，用于将所述激光光源发出的激光束分裂成位移测量光束和角度监测光束；

所述背对背测量镜组，用于反射所述位移测量光束和角度监测光束，

所述角度监测模块，用于探测角度监测光束；

所述信号处理系统，用于在完成背对背测量镜组位移测量的同时实现角度影响的在线监测和补偿。

2.根据权利要求1所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，所述分光干涉镜组包括：第一分光镜、第二分光镜和参考角锥反射镜；

所述第一分光镜包含第一分光区a、第二分光区b和第三分光区c，且第一分光区a和第二分光区b分居第三分光区c两侧；

所述第二分光镜位于所述第一分光区a正下方，与所述第一分光镜倾斜平行放置，且所述第二分光镜反射的激光束通过所述第三分光区c与所述第一分光区a的透射光平行；

所述参考角锥反射镜位于所述第二分光镜正下方，与所述第二分光镜和第一分光镜均呈预设角度，且第二分光镜的透射光经过所述参考角锥反射镜后由第一分光镜的第二分光区b反射后返回至所述信号处理系统。

3.根据权利要求2所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，所述角度监测模块包括角度光束探测器：

所述角度光束探测器位于所述第三分光区c反射光的光路上，且角度光束探测器的接收面与激光束垂直。

4.根据权利要求1所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，所述信号处理系统包括位移测量信号处理模块和角度监测处理模块：

所述位移测量信号处理模块用于处理位移干涉信号，获得背对背测量镜组的位移量；

所述角度监测处理模块用于处理角度监测信号，获得背对背测量镜组的角摆、平移和滚转角。

5.根据权利要求3所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，所述背对背测量镜组包括：测量角锥反射镜、角度调整架和耦合角锥反射镜；

所述测量角锥反射镜，用于同时反射位移测量光束和角度监测光束；

所述耦合角锥反射镜，用于耦合被测对象；

所述角度调整架，用于在所述信号处理系统控制下实时调节背对背测量镜组的角摆。

6.根据权利要求5所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，所述测量角锥反射镜的入射面具有分区异性镀膜特点，所述测量角锥反射镜的中心区域用来反射角度监测光束，外围区域用来透射转折位移测量光束。

7.根据权利要求5所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，所述测量角锥反射镜的入射面中心区域为十字叉结构，通过角度监测光束照射，在所述角度光束探测器上形成带十字叉的激光斑点。

8.根据权利要求1所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量装置，其特征在于，所述位移测量光束的参考光路走向为：激光光源——第一分光区a——第二分光镜——参考角锥反射镜——第二分光区b——激光光源；

所述位移测量光束的测量光路走向为：激光光源——第一分光区a——测量角锥反射镜—第二分光区b——激光光源；

所述位移测量光束的参考光路和测量光路形成的干涉信号经过位移测量信号处理系统后，获取所述背对背测量镜组发生的位移量；

所述角度监测光束的光路走向为：第一分光区a——第二分光镜——第三分光区c——测量角锥反射镜的中心区域——第三分光区c——角度光束探测器；

所述角度监测光束的光经过所述测量角锥反射镜反射后会在角度光束探测器上产生一个带有十字叉的斑点，其中，斑点和十字叉同时侧移表征背对背测量镜组发生了垂直光轴角摆；斑点与十字叉错位表征背对背测量镜组发生了垂直光轴的平移；十字叉的旋转表征背对背测量镜组发生了绕光轴的滚转角。

9.基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量方法，应用如权利要求1-8任一所述的装置，其特征在于，包括：

调整激光光源、分光干涉镜组、背对背测量镜组、角度监测模块和信号处理系统的初始状态；

沿光路前后移动所述背对背测量镜组，通过所述信号处理系统获取所述背对背测量镜组的位移量；

在所述背对背测量镜组移动的同时，所述信号处理系统实时分析角度光束探测器上光斑的位置和十字叉状态，输出所述背对背测量镜组的角摆、平移和滚转角量。

10.根据权利要求9所述的基于光学杠杆角度补偿的激光位移测量方法，其特征在于，所述信号处理系统实时分析角度光束探测器上光斑的位置和十字叉状态包括：

激光斑点中心与十字叉中心垂直光轴的同步侧移通过预设公式计算角摆；若十字叉中心与激光斑点中心无相对侧移而发生了相对初始状态的旋转角，则表征了所述背对背测量镜组的滚转角，且两者成等比例同方向性关系；若十字叉中心相对激光斑点中心发生了侧移，则表征了背对背测量镜组平移过程中的直线度；所述预设公式为：

式中，D₂为第三分光区c至背对背测量镜组入射面之间的距离，L为第三分光区c至角度探测器的距离，θ_arcsec为背对背测量镜组角摆量，X为十字叉侧移量。