用于位移直线度测量的激光干涉系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，包含激光源、随被测件一起运动的楔角棱镜、位于该楔角棱镜一侧的光反射装置、位于所述楔角棱镜的另一侧与所述激光源之间的光干涉装置以及相位检测装置。其中，激光源产生频率稳定的入射光束，入射光束在光干涉装置的作用下，两次通过楔角棱镜，并相应两次被楔角和光反射装置反射，最后被输入相位检测装置，以相位差的变化量确定被测件的直线度。本发明专利技术的优点是：结构简单、测量精度高，可广泛应用于军工、航天及数控机床等领域的几何量精密测量和计量基准的建立。

【技术实现步骤摘要】
用于位移直线度测量的激光干涉系统本申请为2011年10月14日提交的中国专利申请201110310757.7的分案申请。
本专利技术涉及一种精密测量技术，特别涉及一种用于位移直线度测量的激光干涉系统。
技术介绍
在军工、航天、数控机床等高科技领域中，精密基准计量和几何量精密测量具有非常重要的作用，特别是直线度的测量技术，越来越引起人们的重视。授予Sommargren等人的美国专利No.4,787,747揭示了一种测量机械装置行进时直线度的干涉系统，该文献以全文引用的方式包含在本文中。在该美国专利揭示的干涉系统中，采用了两个部分反射镜(partialretroreflector)来分别反射两束线偏振光束。由于反射镜的光轴沿水平方向相隔的距离需设定为等于两束线偏振光束之间相隔的间距，因此增加了干涉系统调试的难度。
技术实现思路
本专利技术是针对现有直线度测量的干涉系统调试难的问题，提出了一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，结构简单且调试方便。本专利技术的技术方案为：一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，包括激光源、相位检测装置、光干涉装置、楔角棱镜、光反射装置，激光源产生第一光束入射到光干涉装置，同时产生参考信号到相位检测装置，光干涉装置位于楔角棱镜一侧，在楔角棱镜与激光源之间，光反射装置位于楔角棱镜的另一侧，楔角棱镜随被测件一起运动，所述光干涉装置接收激光源产生的第一光束后，产生平行入射到楔角棱镜的第三和第四光束，第三和第四光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射路径相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述返回的第三和第四光束分别再次产生平行入射到所述楔角棱镜的第五光束和第六光束，第五光束和第六光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从返回的所述第五光束和第六光束产生所述第二光束进入相位检测装置，所述第三至第六的四条光束入射到所述楔角棱镜的位置构成一个矩形的四个顶点，其中所述第三和第五光束的入射位置构成所述矩形的一侧的两个顶点，所述第四和第六光束的入射位置构成所述矩形的另一侧的两个顶点，相位检测装置接收激光源的参考信号和从所述光干涉装置输入的第二光束，根据两个分量的相位差的变化量计算输出被测件的直线度。所述激光源产生第一光束和参考信号，第一光束包含两个分量，所述两个分量具有不同的频率并且线偏振方向相互正交，所述参考信号的频率对应于所述两个分量的频率差。所述激光源产生第一光束，第一光束通过所述光干涉装置产生两个不同频率的线偏振分量，所述两个分量的线偏振方向相互正交，所述激光源给相位检测装置提供的参考信号为基准信号。所述光干涉装置包括偏振分光棱镜、四分之一波片、角隅棱镜,偏振分光棱镜从第一面接收第一光束，将该第一光束分解为相互平行且正交的第七光束和第八光束从第二面射出，第七光束和第八光束入射到四分之一波片上出射为第三光束和第四光束，第三光束和第四光束经过楔角棱镜入射到光反射装置，经过光发射装置反射后依次经楔角棱镜、四分之一波片入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后从第三面射出第九光束，该第九光束经角隅棱镜反射为与该第九光束平行且不在同一高度上的第十光束，该第十光束经第三面入射到该偏振分光镜，该偏振分光棱镜将该第十光束分解为相互平行且正交的第十一光束和第十二光束从第二面射出，该四分之一波片接收第十一光束和第十二光束射出第五光束和第六光束，该第五光束和第六光束经楔角棱镜入射到光反射装置上，经该光反射装置反射后依次经过楔角棱镜、四分之一波片从第二面入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后以合成的第二光束从第一面射出。所述第二面、四分之一波片、楔角棱镜和楔角反射镜的中心轴线平行或位于同一直线上，并且该四分之一波片位于该偏振分光棱镜和该楔角棱镜之间；该角隅棱镜和第三面的中心轴线平行或位于同一直线上；该第一面和第三面沿该偏振分光棱镜的中心轴线对称。所述偏振分光棱镜由两块直角棱镜沿一直角边粘合而成，在胶合面上镀有一层偏振分光膜，在该偏振分光膜上进行光的合并与分束。所述相位检测装置包括：起偏器，混合该第二光束的两个正交分量并产生第十三光束；光电检测器，接收所述第十三光束并产生电测量信号；相位计接收电测量信号和电参考信号并计算输出被测件的直线度。所述楔角棱镜为双面楔角或者单面楔角，所述光反射装置为与楔角棱镜配套的楔角反射镜，所述单面楔角棱镜的楔角为1°，所述楔角反射镜的楔角为接近单面楔角棱镜的楔角的一半。本专利技术的有益效果在于：本专利技术用于位移直线度测量的激光干涉系统，系统所需光学器件少、结构简单、使用方便、便于生产和加工、成本较低。此外，由于光路结构对两个频率分量对称，当温度或者机械变化对光学元件产生各种影响时，都将同时作用于两个光频率分量，不会引起它们之间相位差的变化，从而降低了产生误差的可能性，所以系统稳定、分辨率高，完全可以达到高精度的测量指标，特别适用于几何量精密测量和计量基准的建立，其中包括军工、航天等精密基准计量、各种数控机床和三坐标测量仪的定位或校准、光栅刻划工作台及各种测量定位工作台的定位测量等。附图说明图1为本专利技术用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1结构示意图；图2为本专利技术用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1的光路平面展开示意图；图3为本专利技术用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1的空间四对称光路的剖面图；图4为本专利技术用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1的空间四对称光路的截面图；图5为本专利技术用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例2结构示意图。具体实施方式图1是根据本专利技术一个较佳实施例的激光干涉系统的结构示意图，包括激光源1、光干涉装置100、楔角棱镜10、光反射装置11、相位检测装置110。其中该光干涉装置100包括偏振分光棱镜2、四分之一波片9、角隅棱镜8。相位检测装置包括偏振器12、光电检测器13和相位计14。激光源1采用双频激光，激光源1一方面对偏振分光棱镜2提供频率稳定的入射光束15，该光束含有两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量，同时也对相位计14给出一个稳定的正弦电参考信号68，该参考信号68的频率等于激光源1的两个分量的频率差。偏振分光棱镜2位于激光源1所产生的入射光束的光路上。偏振分光棱镜2例如由两块直角棱镜粘合而成，在粘合面镀有一层偏振分光膜，棱镜面4和棱镜面6的合适区域均镀有增透膜，粘合面等效于偏振分光镜故称为偏振分光面3，与偏振分光面3对称的棱镜面4和棱镜面5的合适区域镀有反射膜，其作用是使从棱镜面4入射的并由偏振分光面3分开的偏振方向相互正交的两束光束经棱镜面4和棱镜面5的反射后从棱镜面6出射，在角隅棱镜8、楔角反射镜11和四分之一波片9的共同作用下，光束两次通过楔角棱镜10，最后反射回棱镜面6并通过偏振分光面3合成一路，从棱镜面4出射。四分之一波片9位于棱镜面6的一侧且与其平行，其作用是将两次通过四分之一波片9的光束转化成圆偏振光束，或者反过来将两次通过四分之一波片的圆偏振光转化成线偏振光。角隅棱镜8设置在棱镜面5的一侧且其轴线与棱镜面5垂直。角隅棱镜8和棱镜面5的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。角隅棱镜8将从棱镜面5出射的光束反射回去，而且入射光束与反射光束相互平行且不在一个高度上。楔角棱镜10和光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，包括激光源、相位检测装置、光干涉装置、楔角棱镜、光反射装置，激光源产生第一光束入射到光干涉装置，同时产生参考信号到相位检测装置，光干涉装置位于楔角棱镜一侧，在楔角棱镜与激光源之间，光反射装置位于楔角棱镜的另一侧，楔角棱镜随被测件一起运动，所述光干涉装置接收激光源产生的第一光束后，产生平行入射到楔角棱镜的第三和第四光束，第三和第四光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射路径相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述返回的第三和第四光束分别再次产生平行入射到所述楔角棱镜的第五光束和第六光束，第五光束和第六光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从返回的所述第五光束和第六光束产生所述第二光束进入相位检测装置，所述第三至第六的四条光束入射到所述楔角棱镜的位置构成一个矩形的四个顶点，其中所述第三和第五光束的入射位置构成所述矩形的一侧的两个顶点，所述第四和第六光束的入射位置构成所述矩形的另一侧的两个顶点，相位检测装置接收激光源的参考信号和从所述光干涉装置输入的第二光束，根据两个分量的相位差的变化量计算输出被测件的直线度。...

【技术特征摘要】
1.一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，包括激光源（1）、相位检测装置（110）、光干涉装置（400）、楔角棱镜（45A，45B）、光反射装置（70A，70B），激光源产生第一光束（120）入射到光干涉装置，同时产生基准信号（11）到相位检测装置，光干涉装置位于楔角棱镜一侧，在楔角棱镜与激光源之间，光反射装置位于楔角棱镜的另一侧，楔角棱镜随被测件一起运动，所述光干涉装置接收激光源产生的第一光束（120）后，产生平行入射到楔角棱镜的第三和第四光束（36，37），第三和第四光束依次经过楔角棱镜和光反射装置形成第五和第六光束（36A，36B），所述第五和第六光束沿与入射路径相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述第五和第六光束分别再次产生平行入射到所述楔角棱镜的第七和第八光束（52，53），所述第七光束和第八光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述第七光束和第八光束产生第二光束（80）进入相位检测装置，所述第三、第四、第七和第八光束（36，37，52，53）入射到所述楔角棱镜的位置构成一个矩形的四个顶点，其中所述第三和第七光束的入射位置构成所述矩形的一侧的两个顶点，所述第四和第八光束的入射位置构成所述矩形的另一侧的两个顶点，相位检测装置接收激光源的基准信号（11）和从所述光干涉装置输入的第二光束（80），根据两个分量的相位差的变化量计算输出被测件的直线度。2.如权利要求1所述的用于位移直线度测量的激光干涉系统，其中，所述光干涉装置包括剪切板（160）、半波片（290）、组合为一体的偏振分光镜（40）和直角棱镜（47）、光切换器（72）和四分之一波片（44），所述剪切板将入射到其上的第一光束（120）分离为垂直偏振的第九光束（31）和水平偏振的第十光束（30），所述第九光束通过半波片后偏振方向被旋转90度从而形成与所述第十光束具有相同偏振方向的第十一光束（33），所述第十和第十...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯文玫，乐燕芬，句爱松，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31