CN1417556A - 横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光精密测量技术领域，包括：双频激光器光源、依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的望远镜、分光镜、套筒、两个渥拉斯顿棱镜和直角棱镜，分别设置在该分光镜、直角棱镜的反射光路上的两个检偏器和光电接收器，以及与两个光电接收器相连的由信号放大电路、相位器和数据处理器构成的信号处理单元。本发明从原理上消除了四分之一波片带来的热漂移和非线性误差；在第一渥拉斯顿棱镜上装上一对玻璃光楔用以校正出射光相对于原入射光的不对称；采用一套可转动的信号接收装置；具有激光头内部结构简单，仪器尺寸小；激光光源的稳频精度高；长距离漂移的偏差小等优点。

Description

横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置

技术领域

本发明属于激光精密测量技术领域，特别涉及应用激光进行高精度准直。

背景技术

直线度的测量是几何计量领域中最基本的计量项目之一，长距离直线度测量在导轨的安装准直、大型仪器的安装定位、精密仪器制造与检测、大尺寸测量、军工产品制造等领域有着广泛的应用。许多工程中要求对多组轴、孔的同轴度测量，要求测量能断续进行，相对于直线度，同轴度测量提出了更高的要求。

清华大学殷纯永等提出一种利用纵向赛曼双频激光器测量直线度/同轴度的方法，其特征是利用四分之一波片将激光器输出的两个圆偏振光变成相互正交的线偏振光，利用双频激光进行直线度/同轴度测量，测量范围达到30m。

该方法的实现装置构成如图1所示，包括：纵向赛曼激光器11，依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的望远镜12、四分之一波片13、分光镜14、反射镜113、固定套筒17、第一、二渥拉斯顿棱镜18、19和直角棱镜110，分别设置在该分光镜14、直角棱镜110及反射镜113的反射光路上的第一检偏器15和第一光电接收器16、第二检偏器111和第二光电接收器112、第三检偏器114和第三光电接收器115，以及与该各光电接收器相连的由相位器和数据处理器构成的信号处理单元。

该装置的工作原理说明如下：

1、采用纵向赛曼激光器11做光源，该激光器输出两个旋向相反的圆偏振光，这两个圆偏振光有一定的频差；

2、让该圆偏振光通过望远镜12准直扩束后，经过一个四分之一波片13，该波片光轴和底面有一定夹角45度，使其变成正交的线偏振光；

3、该相互正交的线偏振光通过一个分光镜14后分成两部分光；

4、第一部分光经过第一检偏器15进行合成，由第一光电接收器16接收形成参考信号；

5、第二部分光经过固定套筒17的中心小孔射出，通过第一渥拉斯顿棱镜18后，这束含有两种频率、偏振方向正交的光分成夹有一小角度的两束光，再通过第二渥拉斯顿棱镜19后，变成两束平行光，这两束光没有完全分开；

6、该两束平行光被直角棱镜110反射后，再依次通过渥拉斯顿棱镜19、18后又变成一束光；

7、该束光经过经过固定套筒17的下方小孔射出，经过第二检偏器111进行合成，由第二光电接收器112接收形成测量信号。

8、该测量信号和第4步骤所说的参考信号被送入相位器进行相位比较，得到该测量信号和参考信号的相位差。当渥拉斯顿棱镜18或19在水平面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即水平方向的直线度；

9、将两个渥拉斯顿棱镜和直角棱镜旋转90度，使反射回的光经过固定套筒的右侧小孔射出，被反射镜113反射后，经过第三检偏器114进行合成，由第三光电接收器115接收形成测量信号。当渥拉斯顿棱镜18或19在竖直面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即垂直方向的直线度；

10、将渥拉斯顿棱镜18或19装在测量同轴度的靶子上，即可进行同轴度测量。

该系统的光路符合共路原则，对空气扰动有较强的抑制力；由于采用直角棱镜做反射体，能够自动补偿激光光束的平漂和角漂对测量产生的影响，具有自适应性；测量元件可以暂时移出光路，挡光后数据能够自动恢复，能够进行断续测量；信号处理采用比相技术，测量精度可以到达0.1度；采用8098单片机系统智能化稳频，在6小时内变化量小于5KHz，有较高的稳频精度。

为了得到线偏振光，该装置使用了四分之一波片，激光头工作过程中温度不断升高，使四分之一波片厚度发生变化，会引起测量结果产生漂移，同时四分之一波片有制造误差，位相延迟不是严格的90度，以及安装调整误差，都会对测量结果产生影响。为了克服前述缺点，该装置将四分之一波片进行热隔离，激光头内部结构设计得比较复杂。由于该装置使用固定套筒，在测量水平方向和垂直方向的直线度时必须分别采用两套相同的信号接收装置，即第二检偏器、第二光电接收器及其信号放大电路和第三检偏器、第三光电接收器及其信号放大电路，由于不同电子元器件性能不同和信号放大电路的调试结果不同，造成送入到相位器中的水平方向和垂直方向上的直线度测量信号会有所不同，会影响测量结果的一致性，同时造成激光头内部部件过多，尺寸比较大。渥拉斯顿棱镜存在制造和安装误差，在测量时，当激光光束通过第一渥拉斯顿棱镜分成夹有一小角度的两束光(这两束光未完全分开)时，这两束光相对于原入射光束不对称，会造成入射到第二渥拉斯顿棱镜上的光点位置发生偏移，影响测量精度。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新型的横向赛曼双频激光直线度/同轴度测量装置，舍去了四分之一波片，从原理上消除了四分之一波片带来的热漂移和非线性误差；在第一渥拉斯顿棱镜上装上一对玻璃光楔用以校正出射光相对于原入射光的不对称；采用一套可转动的信号接收装置，既可以接收水平方向的测量信号，也可接收垂直方向的测量信号；具有激光头内部结构简单，仪器尺寸小；激光光源的稳频精度高；长距离漂移的偏差小等优点。

本发明提出的一种横向赛曼双频激光直线度/同轴度测量装置，包括：双频激光器光源、依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的望远镜、分光镜、套筒、分束角完全相同的第一、二渥拉斯顿棱镜和直角棱镜，分别设置在该分光镜、直角棱镜的反射光路上的第一检偏器和第一光电接收器、第二检偏器和第二光电接收器，以及与两个光电接收器相连的由信号放大电路、相位器和数据处理器构成的信号处理单元；其特征在于，所说的光源采用低频差稳频横向赛曼激光器，还包括一对玻璃光楔，该一对光楔安装在该第一渥拉斯顿棱镜的两个端面上；所说的套筒为可转动90度的活动套筒，该套筒上开有一中心小孔和一非中心小孔；该第二检偏器和第二光电接收器固定在该活动套筒上，光束通过活动套筒的非中心小孔可被第二光电接收器接收；所说的激光源、望远镜、分光镜、活动套筒、第一、第二检偏器、第一、第二光电接收器均安装在一个底座上，构成激光头。

本发明由于省去了四分之一波片，从原理上消除了温度漂移对四分之一波片的影响，消除了四分之一波片造成的非线性误差。采用横向塞曼技术的激光器，其输出的两个激光的频差很低，约为240KHz，低频差的好处是有利于相位测量，能获得很高的测量精度。在第一渥拉斯顿棱镜上装上一对玻璃光楔，校正了出射光相对于原入射光的不对称。采用一套信号接收装置，既可以接收水平方向的测量信号，也可接收垂直方向的测量信号。由于所用元器件减少，使得仪器结构简单，尺寸更小。长距离(15m)漂移的标准偏差由原来的6μm减少到3.6μm。

附图说明

图1为已有的使用左右圆偏振光的直线度/同轴度测量装置结构示意图。

图2为本发明采用正交线偏振光的直线度/同轴度测量装置结构示意图。

图3为本发明的实施例1与已有的干涉仪进行直线度测量的结果比对曲线。

具体实施方式

本发明提出的一种横向赛曼双频激光直线度/同轴度测量装置结合附图及实施例详细说明如下，

本发明提出的横向赛曼双频激光直线度/同轴度测量装置，其结构如图2所示，包括：低频差稳频横向赛曼双频激光器光源21、望远镜22、分光镜23、可转动90度的活动套筒26、一对玻璃光楔(图中未示出)、第一、二渥拉斯顿棱镜27、28和直角棱镜29，分别设置在该分光镜23、直角棱镜29的反射光路上的第一检偏器24和第一光电接收器26、第二检偏器210和第二光电接收器211，以及与两各光电接收器相连的由信号放大电路、相位器和数据处理器构成的信号处理单元。

所说的光源采用横向赛曼激光器，直接出射两个相互正交的线偏振光；所说的两个渥拉斯顿棱镜，其分束角完全相同；所说的一对光楔(图中未示出)安装在第一渥拉斯顿棱镜的两个端面上，调节它们可以校正从第一渥拉斯顿棱镜出射的两束光(两束光未完全分开)相对于原入射光的不对称；所说的第二检偏器和第二光电接收器固定在活动套筒26上，和活动套筒可以一同转动，光束通过活动套筒的非中心小孔可以被第二光电接收器接收；所说的激光源21、望远镜22、分光镜23、活动套筒26、检偏器24和210、光电接收器25和211都安装在一个底座上，构成激光头。

本发明装置的工作过程为：正交偏振光先经过分光镜，将入射光分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。参考光经过第一检偏器进行合成，由第一光电接收器接收转换成交流电信号—参考信号。测量光先通过第一渥拉斯顿棱镜后，分开一小角度，再通过第二渥拉斯顿棱镜后，变成两束平行光，经直角棱镜反射后，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜和第一渥拉斯顿棱镜，又变成一束光，经过第二检偏器进行合成，由第二光电接收器接收转换成交流电信号—测量信号。第一渥拉斯顿棱镜或第二渥拉斯顿棱镜的垂直于光路方向的移动会使测量信号相对于参考信号间的相位发生变化，用相位器将参考信号和测量信号进行相位比较，将结果送到计算机进行数据处理，就可得到第一渥拉斯顿棱镜或第二渥拉斯顿棱镜的移动量。

若将第二渥拉斯顿棱镜和直角棱镜放于导轨一端，激光头放于另一端，调整光路使之平行于导轨，使第一渥拉斯顿棱镜沿导轨移动，即可测得导轨的水平或垂直方向上的直线度偏差，将第一渥拉斯顿棱镜装在特定的靶子上即可用于同轴度测量。

本发明的测量原理为：为了实现断续测量，在量程范围内产生的光程差变化不能超过一个波长，信号相位的变化必须在±180°内，这样就必须对测量范围和分辨率作统一考虑。取测量信号和参考信号相位变化0.1°对应W1横向移动1μm，这样对渥拉斯顿棱镜27和28来说：式中：λ：激光波长

  θ：渥拉斯顿棱镜的两出射光之间的夹角

   C：相位卡计数器的累加数根据设计，有S＝1μm，λ＝0.6328μm，C＝0.1°得：θ/2＝0.0025°再根据            sin(θ/2)＝(n₀-n_e)tgβ得渥拉斯顿棱镜的楔角：    β＝0.28°信号相位每变化0.1°对应渥拉斯顿棱镜27或28横向移动1μm，信号一个周期±180°就代表W1移动±1.8mm，这个测量范围在通常的直线度/同轴度测量中是足够的。在测量相位时，由于信号不会跨越一个周期，保证了读数的单值性，而且相位测量是状态测量，渥拉斯顿棱镜移出光路，再放回光路中，测量还能继续进行，因而可用于同轴度的测量。

按上述参数，两光束分开角度θ≈0.005°，可计算得在30m处两光束中心分开约2.6mm，光斑本身直径约为8mm左右，因而在30m内两光束中心间距小于光斑半径，此时两光束波前倾斜相关性大于0.9，对空气扰动有较强的抵抗力。对于更长距离的测量要求，可以重新设计渥拉斯顿棱镜的楔角，减小两光束的分开角度，这样增大了位移当量，降低了灵敏度，可获得更好的测量效果。

采用本发明装置进行直线度/同轴度测量方法包括以下步骤：

1、采用低频差横向赛曼激光器做光源21，该激光器输出两个正交的线偏振光，它们的频差很低，约为240KHz；

2、该相互正交的线偏振光通过望远镜22准直扩束后，通过一个分光镜23后分成两部分光；

3、第一部分光经过第一检偏器24进行合成，由第一光电接收器25接收形成参考信号；

4、第二部分光经过活动套筒26的中心小孔射出，通过第一渥拉斯顿棱镜27后，这束含有两种频率、偏振方向正交的光分成夹有一小角度的两束光，再通过第二渥拉斯顿棱镜28后，变成两束平行光，这两束光没有完全分开；

5、该两束平行光被直角棱镜29反射后，反射光束和入射光束平行，再依次通过渥拉斯顿棱镜28、27后又变成一束光；

6、该束光经过经过活动套筒26的非中心小孔射出，经过第二检偏器210进行合成，由第二光电接收器211接收形成测量信号。

7、该测量信号和第4步骤所说的参考信号被送入相位器进行相位比较，得到该测量信号和参考信号的相位差。当渥拉斯顿棱镜27或28在水平面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即水平方向的直线度；

8、将直角棱镜绕入射光路轴线旋转90度，此时被直角棱镜反射的光束也相对于原位置转过了90度，接着再将渥拉斯顿棱镜28、27也旋转90度，使反射光束通过它们射出，然后将固定有第二检偏器和第二光电接收器的活动套筒旋转90度，使反射光仍能通过活动套筒的非中心小孔，被第二光电接收器接收。此时当渥拉斯顿棱镜27或28在竖直面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即垂直方向的直线度；

9、将渥拉斯顿棱镜27或28装在测量同轴度的靶子上，将靶子装在被测孔中，按前述方法分别测出各点的水平方向和垂直方向上的偏差，最后将其合成起来，即得到孔的同轴度偏差测量结果。

本发明装置的两种实施例分别详细说明如下：

实施例1为测量直线度。其结构如图2所示，其中，采用SJD-5T型横向塞曼双频激光器21，稳频精度10^-7，频差243.6K，频差稳定性为0.5KHz/10hour，两个光电接收器25、211的频率响应范围均为50～500KHz，两个渥拉斯顿棱镜27、28的楔角均为0.28度。将激光头放于导轨的一端，将直角棱镜29和第二渥拉斯顿棱镜28放置于导轨的另一端，第一渥拉斯顿棱镜27放于可沿导轨移动的平台上。信号处理采用丹麦2977相位计。相位计的输出端和计算机相连，其输入端与信号放大电路的输出端相连，两个光电接收器25、211输出端和信号放大器的输入端相连。本实施例采用的光电接收器、信号放大电路和计算机均为通用器件。

其测量方法如下：

1、激光源21输出两个正交的线偏振光，其频差为243.6KHz；

2、该相互正交的线偏振光通过望远镜22准直扩束后，通过分光镜23后分成两部分光；

3、第一部分光经过第一检偏器24进行合成，由第一光电接收器25接收形成参考信号；

4、第二部分光经过活动套筒26的中心小孔射出，通过第一渥拉斯顿棱镜27后，分成夹有一小角度的两束光，再通过第二渥拉斯顿棱镜28后，变成两束平行光，这两束光没有完全分开；

5、该两束平行光被直角棱镜29反射后，反射光束和入射光束平行，再依次通过两个渥拉斯顿棱镜后又变成一束光；

6、该束光经过经过活动套筒26的非中心小孔射出，经过第二检偏器210进行合成，由第二光电接收器211接收形成测量信号。

7、该测量信号和第四步骤所说的参考信号被送入相位器进行相位比较，由计算机计算得到二者的相位差。当第一渥拉斯顿棱镜所在的平台沿导轨移动时，相位差发生变化，其变化就直接反映了导轨的直线度。

8、测出平台在各个位置时参考信号相对于测量信号的相位差，经过计算机处理后就得到了导轨水平方向上的直线度偏差。

9、将直角棱镜绕入射光路轴线旋转90度，此时被直角棱镜反射的光束也相对于原位置转过了90度，接着再将渥拉斯顿棱镜28、27也旋转90度，使反射光束通过它们射出，然后将固定有第二检偏器和第二光电接收器的活动套筒旋转90度，使反射光仍能通过活动套筒的非中心小孔，被第二光电接收器接收。重复步骤8，就可以测出导轨在垂直方向上的直线度偏差。实施例2为测量长孔的同轴度。其结构如图2所示，其中，采用SJD-5T型横向塞曼双频激光器21，稳频精度10^-7，频差243.6K，频差稳定性为0.5KHz/10hour，两个光电接收器25、211的频率响应范围均为50～500KHz，两个渥拉斯顿棱镜27、28的楔角均为0.28度。将激光头放于被测长孔的一端，将直角棱镜29和第二渥拉斯顿棱28镜放置于被测长孔的另一端，测量此长孔同轴度的靶子外径和长孔的内径相等，第一渥拉斯顿棱镜27被镶嵌在靶子正中，靶子放在被测长孔中并能沿长孔移动。信号处理采用丹麦2977相位计。相位计的输出端和计算机相连，其输入端与信号放大电路的输出端相连，两个光电接收器25、211输出端和信号放大器的输入端相连。本实施例采用的光电接收器、信号放大电路和计算机均为通用器件。

其测量方法如下：

1、激光源21输出两个正交的线偏振光，其频差为243.6KHz；

2、该相互正交的线偏振光通过望远镜22准直扩束后，通过分光镜23后分成两部分光；

3、第一部分光经过第一检偏器24进行合成，由第一光电接收器25接收形成参考信号；

4、第二部分光经过活动套筒26的中心小孔射出，并射入到被测长孔中，通过安装在被测长孔中的靶子上的第一渥拉斯顿棱镜27后，分成夹有一小角度的两束光，从被测长孔中射出，再通过第二渥拉斯顿棱镜28后，变成两束平行光，这两束光没有完全分开；

5、该两束平行光被直角棱镜29反射后，反射光束和入射光束平行，再依次通过两个渥拉斯顿棱镜后又变成一束光，入射光和反射光都通过了被测长孔；

6、该束光经过经过活动套筒26的非中心小孔射出，经过第二检偏器210进行合成，由第二光电接收器211接收形成测量信号。

7、该测量信号和第4步骤所说的参考信号被送入相位器进行相位比较，由计算机计算得到二者的相位差。

8、当装有第一渥拉斯顿棱镜的靶子在被测长孔中移动时，相位差发生变化。用实施例1中所说的方法分别测出长孔各点同轴度在水平方向和垂直方向上的分量，合成起来就得到了被测长孔的同轴度。

本发明实施例的激光源频差稳定精度达到0.5KHz/hour，此时当测量距离为30m时，由频差变化引起的误差Δ＜0.4μm；输出的一对正交的线偏振光的椭偏度分别为0.034和0.021，偏离角为4’，有相当好的偏振正交性；两个线偏振光的频差为243.6KHz，有更高的相位相对测量精度；在15m的测量距离上30分钟的示值漂移为3.6μm；示值线性相关系数大于0.9999；整个测量系统稳定性为2μm/h。

采用本实施例1装置和已有的用角差法测直线度的干涉仪进行了直线度测量比对。测量结果在30m范围内测量分辨率达到1μm，15m处的测量示值标准偏差为3.6μm(原采用纵向赛曼激光器做光源的发明专利样机的标准偏差为6μm)，比对结果如图3所示。图3中横坐标为各测量点到初始测量点的距离，纵坐标为各测量点的直线度偏差，圆点标记的曲线为用角差法直线度测量干涉仪的测量结果，正方形标记的曲线为本发明实施例1装置的测量结果。二者吻合的很好。因角差法是间接测量直线度，其测得每点直线度偏差与前一点测量结果有关，而本发明是直接反映导轨的直线度变化，因此随测量距离的增大，两个测量结果有一定的偏差是完全正常的。

Claims (1)

1、一种横向赛曼双频激光直线度/同轴度测量装置，包括：双频激光器光源、依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的望远镜、分光镜、套筒、分束角完全相同的第一、二渥拉斯顿棱镜和直角棱镜，分别设置在该分光镜、直角棱镜的反射光路上的第一检偏器和第一光电接收器、第二检偏器和第二光电接收器，以及与两个光电接收器相连的由信号放大电路、相位器和数据处理器构成的信号处理单元；其特征在于，所说的光源采用低频差稳频横向赛曼激光器，还包括一对玻璃光楔，该一对光楔安装在该第一渥拉斯顿棱镜的两个端面上；所说的套筒为可转动90度的活动套筒，该套筒上开有一中心小孔和一非中心小孔；该第二检偏器和第二光电接收器固定在该活动套筒上，光束通过活动套筒的非中心小孔可被第二光电接收器接收；所说的激光源、望远镜、分光镜、活动套筒、第一、第二检偏器、第一、第二光电接收器均安装在一个底座上，构成激光头。

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