一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法技术

本发明专利技术公开了一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，包括光栅干涉仪位移测量光路、位姿偏转检测光路、光电检测模块、干涉仪信号处理与误差补偿模块。光栅干涉仪位移测量光路主要由激光光源、光栅、非偏振分光镜、偏振分光镜、四分之一波片组成；位姿偏转检测光路主要由半透半反镜和聚焦透镜组成；干涉仪信号处理与误差补偿处理光栅干涉仪信号位移解调与光栅测量误差补偿。本发明专利技术利用对称光路以及四象限探测器来测量光学读数头相对于光栅尺空间位姿绕x轴、y轴和z轴偏转量，通过误差补偿模型对位移测值实时进行实时校正，最终达到提高光栅干涉仪测量精度的目的，测量简单，误差小。

A real time calibration method for alignment error of grating interferometer

The invention discloses a grating interferometer alignment error correcting method, including grating interferometer displacement measurement optical path, pose deflection optical detection, photoelectric detection module, signal processing and error compensation module. Grating interferometer displacement measurement optical system is mainly composed of a laser source, grating, non polarization beam splitter, a polarization beam splitter, four cent piece; pose deflection detection optical path consists of a semi transparent mirror and a focusing lens; interferometer signal processing and error compensation of grating interference displacement measurement error signal and demodulation instrument grating compensation. The measurement of the optical grating reading head position around the X axis, Y axis and Z axis relative to the amount of deflection using symmetric optical path and four quadrant detector, the error compensation model of displacement measurement real-time real-time correction, to improve the measurement precision of the grating interferometer. The measurement error is small, simple.

【技术实现步骤摘要】
一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法
本专利技术涉及精密测量
，尤其涉及一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法。
技术介绍
光栅干涉仪是精密测量技术中的一种有效方法与技术，与传统的单频、双频激光干涉仪相比，光栅干涉仪的位移测量基准是光栅栅距，激光干涉仪的测量基准是激光波长，光栅干涉仪可使用半导体激光二极管作为激光光源，对激光光源的要求较激光干涉仪相比较低，降低了光源成本，同时光栅干涉仪采用光栅栅距作为测量基准，减少了环境因素(如空气扰动、湿度、温度)对测量精度的影响。在光栅干涉仪测量系统中，光学读数头与光栅安装的对准误差以及导轨直线度误差导致光学读数头与光栅尺的对准误差是测量结果最重要的误差源，光栅与光学读数头之间的对应空间位姿关系如图1所示，光学读数头与光栅尺的相对位姿对输出信号的测量精度影响较大。在实际使用中，由于安装对准误差以及导轨直线度误差，光学读数头相对于光栅尺的x轴、y轴和z轴偏转误差导致读数头根据干涉信号计算的位移测量值与光栅尺对应的位移值不一致，对测量结果精度影响较大。因此在测量过程中，如何测量并补偿光栅光学读数头相对光栅尺相对位姿的x轴、y轴和z轴偏转误差是提高光栅干涉仪测量精度的关键。
技术实现思路
本专利技术目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，包括有光栅干涉仪位移测量光路、位姿偏转检测光路、光电检测模块、干涉信号处理与误差补偿模块，所述的光栅干涉仪位移测量光路包括有激光器、偏振分光镜一、四分之一波片一、光栅尺、偏振分光镜二、四分之一波片二、偏振分光镜三、四分之一波片三、偏振分光镜四、电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四；所述的位姿偏转检测光路包括有半透半反镜一、半透半反镜二、聚焦透镜一和聚焦透镜二、四象限探测器一、四象限探测器二；所述的激光器发出准直光束经偏振分光镜一和四分之一波片一组成的隔离器后，垂直照射到光栅尺表面发生衍射，±1级衍射光分别经过半透半反镜一和半透半反透镜二后分成两束透射光和两束反射光，两束反射光相互垂直并入射到偏振分光镜二后，分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，两束光分别经过四分之一波片二和四分之一波片三后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三和偏振分光镜四后进行偏振干涉，产生四路光分别进入电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；经过半透半反镜一和半透半反透镜二后的两束透射光分别经过聚焦透镜一和聚焦透镜二后聚焦到四象限探测器一、四象限探测器二，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；所述的干涉信号处理与误差补偿模块接收到光电检测模块传送的信号后，对光栅干涉仪位移信号解调与光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差补偿。所述的位姿偏转检测光路左右对称布置，四象限探测器一和二四个象限的位置对称分布，在光学读数头与光栅尺对准情况下，准直激光束垂直照射到光栅尺衍射，其±1级衍射光经半透半反镜的透射光，聚焦透镜将透射光聚焦在四象限探测器检测面中心位置，四象限探测器四个象限输出电流相同；当存在光栅传感器安装对准误差和导轨直线度误差，四象限探测器四个象限输出电流不平衡，建立绕x轴、y轴和z轴偏转误差角度与对称布置的两个四象限探测器输出电压信号的对应关系，在光栅干涉仪信号处理与误差补偿模块中通过对x轴、y轴和z轴偏转误差实时补偿来提高光栅干涉仪的测量精度。所述的光电检测模块包括有I/V转换模块和前置放大滤波模块，将带有位移相位信息的光干涉周期信号转换为正交电信号，四象限探测器信号光电转换将四象限光照强度信号转换为电流信号，经过I/V转换、放大滤波后转换为电压信号。所述的干涉信号处理与误差补偿模块包括对正交信号进行位移解调、对光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差进行测量并进行补偿；正交信号解调通过对整周期信号计数与非正周期相位细分的方式实现读数头读取信号的位移计算，通过光栅尺与光学读数头相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转实验标定的方法建立偏转角度与两个四象限探测器输出信号之间的误差测量模型，通过误差补偿模型对测量结果进行补偿。两个四象限探测器输出信号与绕x轴、y轴和z轴偏转量之间误差测量模型通过实验标定的方法进行，光学读数头相对光栅尺位姿绕x轴、y轴和z轴偏转量分别通过6自由度精密定位工作台给定基准偏转量，检测两个四象限探测器输出电压值，通过归一化建立偏转误差检测模型。实际测量中，根据两个四象限探测器输出电压值，通过误差测量模型计算绕x轴、y轴和z轴偏转量，带入误差修正模型对光栅干涉仪读数头输出信号位移测量值进行实时修正。本专利技术的优点是：本专利技术利用对称光路以及四象限探测器来测量光学读数头相对于光栅尺空间位姿绕x轴、y轴和z轴偏转量，通过误差补偿模型对位移测值实时进行实时校正，最终达到提高光栅干涉仪测量精度的目的，测量简单，误差小。附图说明图1是本专利技术光栅光学读数头与光栅尺空间位姿对准关系图。图2是本专利技术检测光路结构图。图3是本专利技术四象限探测器结构示意图。图4是光学读数头相对光栅尺位姿与两四象限探测器接收光斑位置示意图。图5是本专利技术光栅干涉仪对准误差校正方法信号处理流程图。具体实施方式如图2、3、4、5所示，一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，包括有光栅干涉仪位移测量光路20、位姿偏转检测光路21、光电检测模块22、干涉信号处理与误差补偿模块23，所述的光栅干涉仪位移测量光路20包括有激光器1、偏振分光镜一2、四分之一波片一3、光栅尺4、偏振分光镜二9、四分之一波片二10、偏振分光镜三11、四分之一波片三12、偏振分光镜四13、电探测器一14、电探测器二15、电探测器三16、电探测器四17；所述的位姿偏转检测光路21包括有半透半反镜一5、半透半反镜二6、聚焦透镜一7和聚焦透镜二8、四象限探测器一18、四象限探测器二19；所述的激光器1发出准直光束经偏振分光镜一2和四分之一波片一3组成的隔离器后，垂直照射到光栅尺4表面发生衍射，±1级衍射光分别经过半透半反镜一5和半透半反透镜二6后分成两束透射光和两束反射光，两束反射光相互垂直并入射到偏振分光镜二9后，分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，两束光分别经过四分之一波片二10和四分之一波片三11后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三11和偏振分光镜四12后进行偏振干涉，产生四路光分别进入电探测器一14、电探测器二15、电探测器三16、电探测器四17，再通过光电检测模块22进行光电转换、放大滤波；经过半透半反镜一5和半透半反透镜二6后的两束透射光分别经过聚焦透镜一7和聚焦透镜二8后聚焦到四象限探测器一18、四象限探测器二19，再通过光电检测模块22进行光电转换、放大滤波；所述的干涉信号处理与误差补偿模块23接收到光电检测模块22传送的信号后，对光栅干涉仪位移信号解调与光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差补偿。所述的位姿偏转检测光路左右对称布置，四象限探测器一18和二19四个象限的位置对称分布，在光学读数头与光栅尺对准情况下，准直激光束垂直照射到光栅尺衍射，其±1级衍射光经半透半反镜的透射光，聚焦透镜将透射光聚焦在四象限探测器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，其特征在于：包括有光栅干涉仪位移测量光路、位姿偏转检测光路、光电检测模块、干涉信号处理与误差补偿模块，所述的光栅干涉仪位移测量光路包括有激光器、偏振分光镜一、四分之一波片一、光栅尺、偏振分光镜二、四分之一波片二、偏振分光镜三、四分之一波片三、偏振分光镜四、电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四；所述的位姿偏转检测光路包括有半透半反镜一、半透半反镜二、聚焦透镜一和聚焦透镜二、四象限探测器一、四象限探测器二；所述的激光器发出准直光束经偏振分光镜一和四分之一波片一组成的隔离器后，垂直照射到光栅尺表面发生衍射，±1级衍射光分别经过半透半反镜一和半透半反透镜二后分成两束透射光和两束反射光，两束反射光相互垂直并入射到偏振分光镜二后，分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，两束光分别经过四分之一波片二和四分之一波片三后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三和偏振分光镜四后进行偏振干涉，产生四路光分别进入电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；经过半透半反镜一和半透半反透镜二后的两束透射光分别经过聚焦透镜一和聚焦透镜二后聚焦到四象限探测器一、四象限探测器二，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；所述的干涉信号处理与误差补偿模块接收到光电检测模块传送的信号后，对光栅干涉仪位移信号解调与光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差补偿。...

【技术特征摘要】
1.一种光栅干涉仪对准误差实时校正方法，其特征在于：包括有光栅干涉仪位移测量光路、位姿偏转检测光路、光电检测模块、干涉信号处理与误差补偿模块，所述的光栅干涉仪位移测量光路包括有激光器、偏振分光镜一、四分之一波片一、光栅尺、偏振分光镜二、四分之一波片二、偏振分光镜三、四分之一波片三、偏振分光镜四、电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四；所述的位姿偏转检测光路包括有半透半反镜一、半透半反镜二、聚焦透镜一和聚焦透镜二、四象限探测器一、四象限探测器二；所述的激光器发出准直光束经偏振分光镜一和四分之一波片一组成的隔离器后，垂直照射到光栅尺表面发生衍射，±1级衍射光分别经过半透半反镜一和半透半反透镜二后分成两束透射光和两束反射光，两束反射光相互垂直并入射到偏振分光镜二后，分别分成两束振动方向相互垂直的两束偏振光束，两束光分别经过四分之一波片二和四分之一波片三后变为圆偏振光，再分别经过偏振分光镜三和偏振分光镜四后进行偏振干涉，产生四路光分别进入电探测器一、电探测器二、电探测器三、电探测器四，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；经过半透半反镜一和半透半反透镜二后的两束透射光分别经过聚焦透镜一和聚焦透镜二后聚焦到四象限探测器一、四象限探测器二，再通过光电检测模块进行光电转换、放大滤波；所述的干涉信号处理与误差补偿模块接收到光电检测模块传送的信号后，对光栅干涉仪位移信号解调与光学读数头与光栅尺相对位姿绕x轴、y轴和z轴偏转误差补偿。2.根据权利要求1所述的一种光栅干涉仪对准误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏豪杰，张欣，于连栋，李维诗，陈长春，胡梦雯，张海铖，吴晓婷，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34