用于滚转角和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滚转角和直线度测量的激光干涉系统，让角位移的信息量在两束频率不同的激光的光程差中体现出来，实现滚转角与直线度的测量，通过分光器件，使两束激光在同一个系统中分别携带不同的光学信息，以此反映出滚转角与直线度的变化，实现同一系统滚转角和直线度的测量。测量精度达到纳米级，测量结果可以直接溯源，结构简单且稳定可靠。

Laser interference system for measuring roll angle and straightness

The invention relates to a laser interferometry system for measuring roll angle and straightness, in which the information of angular displacement is reflected in the optical path difference of two laser beams with different frequencies, so as to realize the measurement of roll angle and straightness. This reflects the change of roll angle and straightness and realizes the measurement of roll angle and straightness of the same system. The measurement accuracy reaches nanometer level, and the measurement results can be traced directly to the source. The structure is simple and stable.

【技术实现步骤摘要】
用于滚转角和直线度测量的激光干涉系统
本专利技术涉及一种精密测量技术，特别涉及一种用于滚转角和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，特别是滚转角和直线度的测量技术，越来越引起人们的重视。侯文玫等人专利技术的滚转角测量的激光干涉系统(CN101650166A，US8325348)，揭示了一种测量机械装置行进时滚转角高精度测量的方法，但是无法使用该干涉系统直接测量直线度。Sommargren等人的美国专利US4787747采用两个部分反射镜来分别反射两束偏振光束，实现直线度测量，但是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光束之间相隔的间距，因此增加了干涉系统调整的难度。侯文玫等人(CN101650518)在此基础上结合他们专利技术的滚转角系统提出了一种直线度测量方法。该方法也只针对直线度有效，无法直接测量滚转角。
技术实现思路
本专利技术是针对滚转角和直线度测量不可兼得的问题，提出了一种用于滚转角和直线度测量的激光干涉系统，实现滚转角和直线度的测量。本专利技术的技术方案为：一种用于滚转角和直线度测量的激光干涉系统，两个大小对称的直角三棱镜，将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构成Koster棱镜，Koster棱镜、第一1/4波片、两个相同斜面的楔角棱镜上下胶合而成的楔角棱镜及两个同样大小与性质的楔角反射镜上下胶合而成楔角反射镜依次上下对称放置在同一光轴上；第一激光源的光束从Koster棱镜的第一直角三棱镜的斜面入射到Koster棱镜的偏振分光膜上，并同时激光源提供参考电信号到第一相位计；偏振分光膜将光束分为两束偏振方向相互正交的p光和s光，其中p光的振动方向平行于入射面，s光的振动方向垂直于入射面，p光和s光分别经由第二直角三棱镜的斜面和第一直角三棱镜的斜面反射，从两个直角三棱镜组成的直角面射出Koster棱镜，依次经过第一1/4波片到达楔角棱镜两个斜面，经过楔角棱镜内部折射出射到楔角反射镜两个斜面，再经过楔角反射镜反射原路返回，再进入Koster棱镜被合光后从第二直角三棱镜的斜面出射到角隅棱镜后经过反射输出高度不同的平行光，平行光再次进入Koster棱镜分光进入第一1/4波片、楔角棱镜和楔角反射镜后返回进入Koster棱镜合光从第一直角三棱镜的斜面出射通过第一起偏器后，由第一光电检测器接收，转变成为测量电信号进入第一相位计，楔角棱镜前后移动，根据第一相位计得到的测量电信号与参考电信号之间的相位差测得；第二激光源的光束从Koster棱镜的第二直角三棱镜的斜面入射到Koster棱镜的偏振分光膜上，并同时激光源提供参考电信号到第二相位计；经过Koster棱镜分光后从两个直角三棱镜组成的直角面射出Koster棱镜，依次经过第一1/4波片到达楔角棱镜两个斜面，经过楔角棱镜内部折射出射到楔角反射镜两个斜面，再经过楔角反射镜反射原路返回，再进入Koster棱镜被合光后从第一直角三棱镜的斜面出射到第二1/4波片线偏振光转变为圆偏振光后进入角隅棱镜经过反射输出高度不同的平行光再经过第二1/4波片圆偏振光转变为线偏振光后，再次进入Koster棱镜分光进入第一1/4波片、楔角棱镜和楔角反射镜后返回进入Koster棱镜合光从第二直角三棱镜的斜面出射通过第二起偏器后，由第二光电检测器接收，转变成为测量电信号进入第二相位计，楔角棱镜绕光轴方向产生滚转角，根据第二相位计得到的测量电信号与参考电信号之间的偏移量测得。本专利技术的有益效果在于：本专利技术用于滚转角和直线度测量的激光干涉系统，测量精度达到纳米级，测量结果可以直接溯源，结构简单且稳定可靠。附图说明图1为本专利技术Koster棱镜合光原理示意图；图2为本专利技术Koster棱镜分光原理示意图；图3为本专利技术激光干涉系统的直线度测量装置平面示意图；图4a为本专利技术直线度测量原理图一；图4b为本专利技术直线度测量原理图二；图5为本专利技术滚转角测量装置平面示意图；图6a为本专利技术滚转角测量原理图；图6b为本专利技术楔角棱镜的俯视图；图7为本专利技术直线度和滚转角测量装置平面示意图。具体实施方式双频激光干涉仪是指进入干涉仪的激光为两束频率不同的水平偏振光和垂直偏振光。当这两束激光分别通过干涉仪的干涉臂时，它们各自会携带不同的光学相位信息，当两束激光再次汇合时，会形成拍频干涉测量光信号IM，将其与参考信号IR进行比较，就能够得到相位差和被测位移长度Δl之间的关系：其中，L1、L2是两干涉臂长，λ是激光中心频率。由式(1)可得，如果能让角位移的信息量在两束频率不同的激光的光程差中体现出来，就能够实现滚转角与直线度的测量，但在实际测量中，由于无法保证运动轴的几何空间对称性，因此通常不会使用两台反射干涉仪来实现测量功能。根据这种情况，我们提出了一种新的技术方法，通过分光器件，使两束激光在同一个系统中分别携带不同的光学信息，以此反映出滚转角与直线度的变化。本专利技术设计出了一套高精密测量系统，同时实现滚转角与直线度的测量目标。一、直线度干涉测量系统原理本专利技术的测量装置中所使用的光学器件为Koster棱镜，又称五面偏振分光棱镜，它由两个大小对称的直角三棱镜组成，将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，可等效视作偏振分光镜。偏振分光膜，简称PBS，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P光透射，从而实现光线的叠加。同理，分光原理见图2所示，当一束光线从直角三棱镜的斜边入射至偏振分光膜PBS时，光线将分为两束偏振方向相互正交的P光和S光，其中P光的振动方向平行于入射面，S光的振动方向垂直于入射面。该棱镜对于入射光线的反射率与透射率接近100％。另外，测量装置中还使用了两种偏振器件——起偏器与1/4波片。偏振器件是可以将光线从一种偏振态转变为另一种偏振态的光学元件，一般可分为偏振器和相位延迟器两种。偏振器可以将各个方向光矢量E振幅相等的自然光分解为两束振动方向相互垂直且等幅的光振动，最终选择透射出线偏振光。起偏器就是一种偏振器，负责将激光器发出的自然光转换为线偏振光，而1/4波片就是相位延迟器的一类。光线通过1/4波片后所产生的相位延迟量δ为：由式(2)可知，偏振光透射过1/4波片后，相位延迟了的奇数倍。因此，线偏振光通过1/4波片后转变为椭圆偏振光。设入射线偏振光的电场振动方向与波片光轴的夹角为θ，若控制夹角θ的大小为±45°，则可得到出射的圆偏振光。同理，此时当圆偏振光通过1/4波片后，偏振光也会重新转变为线偏振光。在本文所设计的直线度与滚转角测量装置中，1/4波片就起到了上述作用。如图3所示本专利技术一个较佳实施例，激光干涉系统的直线度测量装置平面展开示意图。Koster棱镜、第一1/4波片、楔角棱镜和楔角反射镜依次放置在同一光轴上，光轴方向为z轴，来自激光源1a的光束14从Koster棱镜2的棱镜面5(第一直角三棱镜的斜面)入射到偏振分光膜3上，并同时激光源1a提供参考电信号55到相位计13a。偏振分光膜3将光束14分为两束偏振方向相互正交的p光15和s光16，其中p光的振动方向平行于入射面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于滚转角和直线度测量的激光干涉系统，两个大小对称的直角三棱镜，将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构成Koster棱镜，其特征在于，Koster棱镜、第一1/4波片、两个相同斜面的楔角棱镜上下胶合而成的楔角棱镜及两个同样大小与性质的楔角反射镜上下胶合而成楔角反射镜依次上下对称放置在同一光轴上；第一激光源的光束从Koster棱镜的第一直角三棱镜的斜面入射到Koster棱镜的偏振分光膜上，并同时激光源提供参考电信号到第一相位计；偏振分光膜将光束分为两束偏振方向相互正交的p光和s光，其中p光的振动方向平行于入射面，s光的振动方向垂直于入射面，p光和s光分别经由第二直角三棱镜的斜面和第一直角三棱镜的斜面反射，从两个直角三棱镜组成的直角面射出Koster棱镜，依次经过第一1/4波片到达楔角棱镜两个斜面，经过楔角棱镜内部折射出射到楔角反射镜两个斜面，再经过楔角反射镜反射原路返回，再进入Koster棱镜被合光后从第二直角三棱镜的斜面出射到角隅棱镜后经过反射输出高度不同的平行光，平行光再次进入Koster棱镜分光进入第一1/4波片、楔角棱镜和楔角反射镜后返回进入Koster棱镜合光从第一直角三棱镜的斜面出射通过第一起偏器后，由第一光电检测器接收，转变成为测量电信号进入第一相位计，楔角棱镜沿光轴前后移动，根据第一相位计得到的测量电信号与参考电信号之间的相位差测得；第二激光源的光束从Koster棱镜的第二直角三棱镜的斜面入射到Koster棱镜的偏振分光膜上，并同时激光源提供参考电信号到第二相位计；经过Koster棱镜分光后从两个直角三棱镜组成的直角面射出Koster棱镜，依次经过第一1/4波片到达楔角棱镜两个斜面，经过楔角棱镜内部折射出射到楔角反射镜两个斜面，再经过楔角反射镜反射原路返回，再进入Koster棱镜被合光后从第一直角三棱镜的斜面出射到第二1/4波片线偏振光转变为圆偏振光后进入角隅棱镜经过反射输出高度不同的平行光再经过第二1/4波片圆偏振光转变为线偏振光后，再次进入Koster棱镜分光进入第一1/4波片、楔角棱镜和楔角反射镜后返回进入Koster棱镜合光从第二直角三棱镜的斜面出射通过第二起偏器后，由第二光电检测器接收，转变成为测量电信号进入第二相位计，楔角棱镜绕光轴方向产生滚转角，根据第二相位计得到的测量电信号与参考电信号之间的偏移量测得。...

【技术特征摘要】
1.一种用于滚转角和直线度测量的激光干涉系统，两个大小对称的直角三棱镜，将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构成Koster棱镜，其特征在于，Koster棱镜、第一1/4波片、两个相同斜面的楔角棱镜上下胶合而成的楔角棱镜及两个同样大小与性质的楔角反射镜上下胶合而成楔角反射镜依次上下对称放置在同一光轴上；第一激光源的光束从Koster棱镜的第一直角三棱镜的斜面入射到Koster棱镜的偏振分光膜上，并同时激光源提供参考电信号到第一相位计；偏振分光膜将光束分为两束偏振方向相互正交的p光和s光，其中p光的振动方向平行于入射面，s光的振动方向垂直于入射面，p光和s光分别经由第二直角三棱镜的斜面和第一直角三棱镜的斜面反射，从两个直角三棱镜组成的直角面射出Koster棱镜，依次经过第一1/4波片到达楔角棱镜两个斜面，经过楔角棱镜内部折射出射到楔角反射镜两个斜面，再经过楔角反射镜反射原路返回，再进入Koster棱镜被合光后从第二直角三棱镜的斜面出射到角隅棱镜后经过反射输出高度不同的平行光，平行光再次进入Koster棱镜分光进入第一1/4波片、楔角棱镜和楔角反射镜后返...

【专利技术属性】
技术研发人员：金涛，唐一揆，韩梦莹，刘景林，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