微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪以及测量方法技术

本发明专利技术提出了一种微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪以及测量方法，其通过采用双频激光光源发出的光经Koster棱镜将其分为两束频率不同、振动方向不同的光，两束光通过四分之一波片、楔面棱镜、楔面反射镜后汇聚从Koster棱镜另一面射出后，经角隅棱镜反射的光束经过分光棱镜BS，其中一束直接进入Koster棱镜返回测量系统中，另一束经直角棱镜和二分之一波片后进入Koster棱镜返回测量系统中。同时，将滚转角的旋转转化为光路的旋转，计算通过楔面棱镜的六束光的关系获得滚转角误差和直线度误差。本发明专利技术提供的方法，能够实现微小滚转角与直线度同步高精度测量。

High Precision Interferometer for Measuring Micro Roll Angle and Straightness Synchronization and Its Measuring Method

The invention provides a high-precision measuring interferometer and a measuring method for micro-roll angle and straightness synchronization. The light emitted by a dual-frequency laser source is divided into two beams of light with different frequencies and vibration directions through Koster prism. The two beams of light converge from the other side of Koster prism through a quarter-wave plate, a wedge prism and a wedge mirror, and then emit through a corner prism. The reflected beam passes through the spectroscopic prism BS. One beam directly enters the Koster prism and returns to the measurement system. The other beam enters the Koster prism and returns to the measurement system after passing through the right angle prism and half of the wave plate. At the same time, the rotation of the roll angle is transformed into the rotation of the optical path, and the roll angle error and straightness error are obtained by calculating the relationship between the six beams of the wedge prism. The method provided by the invention can realize synchronous and high precision measurement of micro roll angle and straightness.

【技术实现步骤摘要】
微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪以及测量方法
本专利技术涉及测量
，尤其涉及微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪以及测量方法。
技术介绍
近年来，随着制造业的发展，超精密加工成为先进制造技术的重要研究内容之一。高精密的位移台在先进制造领域具有及其重要的地位，对其进行精确定位与控制是实现精密加工与制造的关键。当精密位移台沿某一运动轴直线运动时，在空间中会产生6个自由度的误差，这6个自由度包括沿轴移动产生的定位误差、沿另外两轴移动产生的直线度误差和绕轴旋转产生的角度误差，其中角度误差又可分为偏摆角、俯仰角以及滚转角误差。在对多自由度误差的测量中，直线度的测量最为基本和广泛，对高精密位移台定位精度的影响也最为直接，同时作为平面度、平行度、垂直度、同轴度等几何测量的基础，也是机械制造行业中一个非常重要的内容。目前的直线度测量精度已经很高，但仍存在很多问题。基于沃拉斯顿棱镜的干涉测量法的测量精度和测量行程受沃拉斯顿棱镜出射光的夹角限制。工业上其实是在运动副上贴一个反射镜做直线度干涉测量，测量精度受平面反射镜面型误差影响，不适用于测量大行程导轨。同时，目前的直线度方法无法消除阿贝误差的影响，因此，难以满足日益增长的工业生产要求。角度误差中的偏摆及俯仰角误差通常在现有的测量技术已经能够达到较高的测量精度，而滚转角的测量则相对困难许多，一直以来也是国内外专家学者研究的对象。而对近年来有很多采用不同测量技术的多自由度误差同时测量方法的研究，主要由基于光栅分束、基于全反射测角法、基于激光动态跟踪定位以及基于激光干涉和准直相集合的技术。上海理工大学侯文玫老师提出的高精度滚转角测量干涉仪，针对各种高精度直线运动定位装置，设计一个新型的差分平面干涉仪，并采用一个楔面棱镜和楔面反射镜，组合成为一个几何空间对称四光路系统。利用它可快速高效地测量各种精密直线位移运动的滚转角。若使用2π/36000的高精密细分相位计，滚转角的测量分辨率为0.01”。同时，她提出的高精度直线度测量干涉仪，同样采用一个楔面棱镜和楔面反射镜，组合成为一个几何空间对称四光路系统，构成新型的高精度直线度测量干涉仪。但是此方法只能单独测滚转角或者直线度，而不能实现同步测量。所以，专利技术一种能够同时高精度测量滚转角与直线度的测量仪的重要性不可忽略。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪以及测量方法，其能够同时高精度测量滚转角与直线度。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案为：一种微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪，其包括：依次排列而处于同一光轴上的koster棱镜(2)、四分之一波片(3)、楔面棱镜(4)、楔面反射镜(5)；所述koster棱镜(2)由大小对称的直角三棱镜组成，两个直角三棱镜的直角边长度相等的平面相互胶合，胶合面上镀有一层偏振分光膜PBS；其还包括：双频激光光源(1)、分光棱镜BS(6)、三角棱镜(7)、二分之一波片(8)、角隅棱镜(9)、相位计(36)、起偏器(37)、光电检测器(38)；所述双频激光光源(1)设置于第一直角三棱镜(2a)的斜面一侧，所述角隅棱镜(9)设置于第二直角三棱镜(2b)的斜面一侧，所述分光棱镜BS(6)设置于角隅棱镜(9)以及第二直角三棱镜(2b)之间，所述三角棱镜(7)设置于角隅棱镜(9)下部，所述二分之一波片(8)设置于三角棱镜(7)朝向第二直角三棱镜(2b)一侧；所述相位计(36)设置于第一直角三棱镜(2a)的斜面一侧而用于测量直线度和滚转角，所述起偏器(37)、光电检测器(38)依次布置于相位计(36)与第一直角三棱镜(2a)之间。利用微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪进行测量的方法，该方法包括：利用双频激光光源发出激光并经由koster棱镜(2)将其分为两束频率不同、振动方向不同的光；将两束光依次通过四分之一波片(3)、楔面棱镜(4)、楔面反射镜(5)后汇聚从koster棱镜(2)的第二直角三棱镜(2b)的斜面射出，经由角隅棱镜(9)反射的光束经过分光棱镜BS(6)，其中一束光进入koster棱镜(2)而返回测量系统中，另一束光经由三角棱镜(7)和二分之一波片(8)后进入到koster棱镜(2)返回测量系统中；直接经由koster棱镜(2)而返回测量系统的一束光自koster棱镜(2)的入射面射出后通过起偏器(37)并由光电检测器(38)转变成为电信号，电信号与参考信号一同进入相位计(36)，根据相位计(36)得到正弦电测量信号与参考信号之间的相位差，双频激光光源(1)提供参考电信号到相位计；经由三角棱镜(7)和二分之一波片(8)后进入到koster棱镜(2)返回测量系统的一束光自koster棱镜(2)的入射面射出后通过起偏器(37)并由光电检测器(38)转变成为电信号，电信号与参考信号一同进入相位计，根据相位计得到正弦电测量信号与参考信号之间的相位差，双频激光光源(1)提供参考电信号到相位计。本专利技术申请的目标是应用于一些高精度数控机床、三坐标测量机以及各类大型精密扫描定位装置，这些都是测量精密要求较高的高精度运动测量系统，滚转角误差要求很小，因此设α为1°，以便提高系统的稳定性。设b为10mm，相位计的分辨率为0.01°，由此计算可得，滚转角的测量分辨率约为0.056微弧度。另外，理论上来说，本专利技术只适用于测量微滚转角，并不适用于一些较大的滚转角测量，一般测量范围不宜超过±1°，最高可达到±5°，否则将无法保证测量精度。被测物体最大可允许直线运动过程理论上是没有限制的，具体大小取决于楔角反射镜的宽度。与现有技术相比，本专利技术的优点为：1.可同时对微小滚转角和直线度进行测量。2.结构简单且稳定可靠。3.检测结果精度较高。4.测量行程大。5.不受阿贝误差影响。附图说明图1为微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪中Koster棱镜的合光原理图。图2为微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪中Koster棱镜的分光原理图。图3为微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪示意图。图4为楔面棱镜前入射面光路分布示意图。图5a为本专利技术中直线度测量时楔面棱镜光路示意图。图5b为本专利技术中直线度测量时楔面棱镜光路俯视图。图6a为本专利技术中滚转角测量时楔面棱镜光路分布示意图。图6b、6c为本专利技术中滚转角测量时楔面棱镜光路俯视图。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术所采用的技术方案作进一步的说明。本专利技术提供了一种微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪，参见图3，其包括双频激光光源1、Koster棱镜2、1/4波片(四分之一波片)3、楔面棱镜4、楔面反射镜5、分光棱镜BS6、直角棱镜(三角棱镜)7、1/2波片(二分之一波片)8、角隅棱镜9、相位计36、起偏器37和光电检测器38。本专利技术中的光学器件koster棱镜2又称五面偏振分光棱镜，由大小对称的直角三棱镜组成，这里分别界定为第一直角三棱镜2a、第二直角三棱镜2b，第一直角三棱镜2a的斜面为双频激光光源1的入射面，两个直角三棱镜的直角边长度相等的平面相互胶合，胶合面上镀有一层偏振分光膜PBS2c，可等效视作偏振分光镜，其合光原理如图1所示，当两束光线同时照射至分光膜上时，会使振动方向与入射面垂直的S光反射，振动方向与入射面平行的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪，其包括：依次排列而处于同一光轴上的koster棱镜(2)、四分之一波片(3)、楔面棱镜(4)、楔面反射镜(5)；所述koster棱镜(2)由大小对称的直角三棱镜组成，两个直角三棱镜的直角边长度相等的平面相互胶合，胶合面上镀有一层偏振分光膜PBS；其特征在于，还包括：双频激光光源(1)、分光棱镜BS(6)、三角棱镜(7)、二分之一波片(8)、角隅棱镜(9)、相位计(36)、起偏器(37)、光电检测器(38)；所述双频激光光源(1)设置于第一直角三棱镜(2a)的斜面一侧，所述角隅棱镜(9)设置于第二直角三棱镜(2b)的斜面一侧，所述分光棱镜BS(6)设置于角隅棱镜(9)以及第二直角三棱镜(2b)之间，所述三角棱镜(7)设置于角隅棱镜(9)下部，所述二分之一波片(8)设置于三角棱镜(7)朝向第二直角三棱镜(2b)一侧；所述相位计(36)设置于第一直角三棱镜(2a)的斜面一侧而用于测量直线度和滚转角，所述起偏器(37)、光电检测器(38)依次布置于相位计(36)与第一直角三棱镜(2a)之间。

【技术特征摘要】
1.一种微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪，其包括：依次排列而处于同一光轴上的koster棱镜(2)、四分之一波片(3)、楔面棱镜(4)、楔面反射镜(5)；所述koster棱镜(2)由大小对称的直角三棱镜组成，两个直角三棱镜的直角边长度相等的平面相互胶合，胶合面上镀有一层偏振分光膜PBS；其特征在于，还包括：双频激光光源(1)、分光棱镜BS(6)、三角棱镜(7)、二分之一波片(8)、角隅棱镜(9)、相位计(36)、起偏器(37)、光电检测器(38)；所述双频激光光源(1)设置于第一直角三棱镜(2a)的斜面一侧，所述角隅棱镜(9)设置于第二直角三棱镜(2b)的斜面一侧，所述分光棱镜BS(6)设置于角隅棱镜(9)以及第二直角三棱镜(2b)之间，所述三角棱镜(7)设置于角隅棱镜(9)下部，所述二分之一波片(8)设置于三角棱镜(7)朝向第二直角三棱镜(2b)一侧；所述相位计(36)设置于第一直角三棱镜(2a)的斜面一侧而用于测量直线度和滚转角，所述起偏器(37)、光电检测器(38)依次布置于相位计(36)与第一直角三棱镜(2a)之间。2.利用如权利要求1所述的微小滚转角与直线度同步高精度测量干涉仪进行测量的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：金涛，韩梦莹，侯文玫，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31