本发明专利技术公开了一种二维直线度误差及其位置同时测量装置及方法。使用一个角锥棱镜作为三自由度测量光路的测量镜，激光光斑位置检测光路产生的光斑位置信号，经信号采集和数据处理实现水平直线度误差和垂直直线度误差的测量，激光外差干涉位置测量光路产生的干涉信号，经信号采集和数据处理实现直线度误差测量点位置的测量。本发明专利技术不仅能实现水平和垂直直线度误差的同时测量，还可同时给出直线度误差测量点的位置，用于大行程精密导轨，精密工作台等的直线度参数测量和校准中，提高检测效率。
A Simultaneous Measuring Device and Method for Two-Dimensional Straightness Error and Its Position
【技术实现步骤摘要】
一种二维直线度误差及其位置同时测量装置及方法
本专利技术涉及一种精密几何量测量领域中多自由度参数同时测量的装置和方法，尤其是涉及一种二维直线度误差及其位置同时测量装置及方法。
技术介绍
在超精密加工与制造中，高精度的几何量检测是保证精密加工与制造精度的关键。激光的干涉性、直线性和长度基准的溯源性特点，使得激光技术成为几何量检测中采用的主要技术手段。传统的激光干涉仪利用配套的直线度测量组件，虽然可实现直线度的测量，但是水平直线度和垂直直线度测量需要分时进行，每次仅可实现一维的直线度测量，另外，直线度误差测量点的位置也不能同时给出，这给实际的直线度测量与校准领域带来极大不便。基于激光的直线性特点，利用位置敏感探测器对激光光斑位置变化进行探测是目前实现多自由度参数同时测量直接且有效的技术手段。为此，针对直线度测量领域中直线度误差及其位置不能同时给出的技术问题，本专利技术融合激光光斑位置测量理论和激光干涉理论，设计了创新的光路结构，以实现二维直线度误差及其位置三个自由度参数的同时测量。本专利技术的光路结构测量部分与广泛应用的传统激光位移干涉仪一样，仅由一个角锥棱镜实现，且无线缆连接，结构简单。本专利技术不仅能实现水平和垂直直线度误差的同时测量，还可同时给出直线度误差测量点的位置。本专利技术可应用于大行程精密运动导轨，精密位移工作台等的多自由度参数测量和校准中，尤其是直线度误差测量点位置的定位应用中，可提高检测或校准效率。
技术实现思路
为了解决传统的激光直线度测量技术中，直线度误差测量点的位置不能同时给出的技术问题，本专利技术融合激光光斑位置测量理论和激光干涉理论，给出一种二维直线度误差及其位置同时测量方法，可实现水平直线度误差、垂直直线度误差和直线度误差测量点位置三个自由度参数的同时测量。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一、一种二维直线度误差及其位置同时测量装置：装置包括激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路，激光光斑位置检测光路包括半透半反镜和位置敏感探测器，激光外差干涉位置测量光路包括双频激光器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、平面镜、偏振片、光电探测器、法拉第旋光器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、角锥棱镜和半透半反镜；测量镜为角锥棱镜，角锥棱镜固定于被测物体上，随着被测物体一起运动。所述的双频激光器输出频率分别为f1和f2的正交线偏振光，正交线偏振光入射到第一偏振分光镜发生反射和透射分成反射光和透射光，频率为f1的反射光到达参考臂，频率为f2的透射光到达测量臂；在参考臂中，第一偏振分光镜反射的频率为f1的反射光经第一四分之一波片透射，经平面镜反射后再回到第一四分之一波片透射，再经第一偏振分光镜透射、偏振片透射后，入射到光电探测器上；在测量臂中，第一偏振分光镜透射的频率为f2的测量光经法拉第旋光器入射到第二偏振分光镜发生透射，经第二四分之一波片后入射到角锥棱镜，被角锥棱镜正常反射后返回经第二四分之一波片透射回到第二偏振分光镜，再经第二偏振分光镜反射到半透半反镜发生透射和反射，经半透半反镜反射后形成逆返光束，逆返光束回到按原光路逆返回到第一偏振分光镜处，逆返光束经第一偏振分光镜反射后再经偏振片透射，入射到光电探测器；由参考臂返回的频率为f1的参考光和由测量臂返回的频率为f2的测量光在偏振片汇合产生拍频干涉，拍频干涉信号被光电探测器探测到生成测量信号。所述的经半透半反镜反射后形成的逆返光束按原光路逆返光路为：逆返光束反射回到第二偏振分光镜发生反射，经第二四分之一波片入射到角锥棱镜反射，角锥棱镜的反射光返回再经第二四分之一波片入射回到第二偏振分光镜透射，第二偏振分光镜透射后经法拉第旋光器回到第一偏振分光镜。本专利技术通过法拉第旋光器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片和半透半反镜在光路上的设置，能实现当角锥棱镜沿着水平和垂直直线度方向存在较大直线度误差时测量光束的有效逆返。双频激光器输出频率分别为f1和f2的正交线偏振光，部分光被激光器内部光电探测器探测到生成的信号输出作为参考信号。激光光斑位置检测光路中，角锥棱镜反射的测量光经第二四分之一波片透射，第二偏振分光镜反射后入射到半透半反镜上发生透射和反射，被半透半反镜反射的部分光用于产生逆返测量光束，被半透半反镜透射的部分光入射到位置敏感探测器上，通过检测入射到位置敏感探测器上的激光光斑位置偏移量，实现被测物体的水平直线度误差和垂直直线度误差的测量。所述法拉第旋光器的旋光角度为45°，所述第二偏振分光镜绕光轴沿着测量光束正向传播方向看去顺时针旋转45°放置(即图1中从左到右看)。还包含信号采集处理模块和计算机，位置敏感探测器和光电探测器均经信号采集处理模块与计算机连接，光电探测器探测到的测量信号和双频激光器提供的参考信号以及位置敏感探测器探测到的光斑位置信号均经数据采集处理模块传输至计算机进行处理，最终由计算机给出二维直线度误差及其位置测量结果。二、一种二维直线度误差及其位置同时测量方法，采用以下过程：1)角锥棱镜安装在被测物体上随被测物体一起运动，选择能够输出正交线偏振光的双频激光器，双频激光器输出的正交线偏振光经过激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路；由光路位置敏感探测器和光电探测器探测到的光信号经信号采集处理同时得到被测物体的二维直线度误差及其位置值：所述测量方法，测量起始位置调整测量光束入射到角锥棱镜的角点中心，并设置位置敏感探测器的探测到的激光光斑位置为零位。1.1)根据位置敏感探测器探测到的光斑位置信号，获得激光光斑位置的偏移量，经信号采集处理得到被测物体的水平直线度误差和垂直直线度误差；1.2)根据双频激光器输出提供的参考信号和光电探测器探测到的测量信号，经信号采集处理得到被测物体直线度误差测量点的位置。所述步骤1.1)具体为：1.1.1)在直线度测量光路中，沿着激光光束传播的方向看，由于第二偏振分光镜和位置敏感探测器为顺时针旋转45°放置，使得位置敏感探测器的探测平面与水平和垂直直线度误差测量方向成45°角，将位置敏感探测器探测到的激光光斑位置水平偏移量和垂直偏移量转换为旋转45°后坐标系下的水平方向直线度原始误差数据Δx′和垂直方向直线度原始误差数据Δy′，转换公式如下：其中，ΔxPSD为位置敏感探测器检测到的激光光斑位置水平偏移量，ΔyPSD为位置敏感探测器检测到的激光光斑位置垂直偏移量；1.1.2)角锥棱镜的逆反特性，角锥棱镜的入射光束与出射光束间的距离变化量为角锥棱镜沿着垂直于入射光束方向运动变化量的两倍，将水平方向直线度原始误差数据Δx′和垂直方向直线度原始误差数据Δy′分别除以系数2，得到实际被测物体的水平方向直线度误差Δx和垂直方向直线度值误差Δy，计算公式如下：所述步骤1.2)具体为：1.2.1)经过对参考信号和测量信号处理，获得被测物体的直线度误差位置对应的整周期计数值N和非整周期计数值ε；1.2.2)采用以下公式计算获得被测物体的直线度误差位置值L：其中，4为激光外差干涉位置测量光路的光学倍频系数，n为空气折射率，λ为激光波长。本专利技术设置了激光光斑位置检测光路，融合激光光斑位置测量和激光外差干涉测量实现了三自由度参数测量，能实现水平直线度误差和垂直直线度误差的同时测量，还可同时给出直线度误差测量点的位置。本专利技术具有本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种二维直线度误差及其位置同时测量装置，其特征在于：包括激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路，激光光斑位置检测光路包括半透半反镜(11)和位置敏感探测器(12)，激光外差干涉位置测量光路包括双频激光器(1)、第一偏振分光镜(2)、第一四分之一波片(3)、平面镜(4)、偏振片(5)、光电探测器(6)、法拉第旋光器(7)、第二偏振分光镜(8)、第二四分之一波片(9)、角锥棱镜(10)和半透半反镜(11)；角锥棱镜(10)固定于被测物体上，随着被测物体一起运动。
【技术特征摘要】
1.一种二维直线度误差及其位置同时测量装置，其特征在于：包括激光光斑位置检测光路和激光外差干涉位置测量光路，激光光斑位置检测光路包括半透半反镜(11)和位置敏感探测器(12)，激光外差干涉位置测量光路包括双频激光器(1)、第一偏振分光镜(2)、第一四分之一波片(3)、平面镜(4)、偏振片(5)、光电探测器(6)、法拉第旋光器(7)、第二偏振分光镜(8)、第二四分之一波片(9)、角锥棱镜(10)和半透半反镜(11)；角锥棱镜(10)固定于被测物体上，随着被测物体一起运动。2.根据权利要求1所述的一种二维直线度误差及其位置同时测量装置，其特征在于：所述的双频激光器(1)输出频率分别为f1和f2的正交线偏振光，正交线偏振光入射到第一偏振分光镜(2)发生反射和透射分成反射光和透射光，频率为f1的反射光到达参考臂，频率为f2的透射光到达测量臂；在参考臂中，第一偏振分光镜(2)反射的频率为f1的反射光经第一四分之一波片(3)透射，经平面镜(4)反射后再回到第一四分之一波片(3)透射，再经第一偏振分光镜(2)透射、偏振片(5)透射后，入射到光电探测器(6)上；在测量臂中，第一偏振分光镜(2)透射的频率为f2的测量光经法拉第旋光器(7)入射到第二偏振分光镜(8)发生透射，经第二四分之一波片(9)后入射到角锥棱镜(10)，被角锥棱镜(10)正常反射后返回经第二四分之一波片(9)透射回到第二偏振分光镜(8)，再经第二偏振分光镜(8)反射到半透半反镜(11)发生透射和反射，经半透半反镜(11)反射后形成逆返光束，逆返光束回到按原光路逆返回到第一偏振分光镜(2)处，逆返光束经第一偏振分光镜(2)反射后再经偏振片(5)透射，入射到光电探测器(6)；由参考臂返回的频率为f1的参考光和由测量臂返回的频率为f2的测量光在偏振片(5)汇合产生拍频干涉，拍频干涉信号被光电探测器(6)探测到生成测量信号。3.根据权利要求1所述的一种二维直线度误差及其位置同时测量装置，其特征在于：激光光斑位置检测光路中，角锥棱镜(10)反射的测量光经第二四分之一波片(9)透射，第二偏振分光镜(8)反射后入射到半透半反镜(11)上发生透射和反射，被半透半反镜(11)反射的部分光用于产生逆返测量光束，被半透半反镜(11)透射的部分光入射到位置敏感探测器(12)上，通过检测入射到位置敏感探测器(12)上的激光光斑位置偏移量，实现被测物体的水平直线度误差和垂直直线度误差的测量。4.根据权利要求1所述的一种二维直线度误差及其位置同...
【专利技术属性】
技术研发人员：张恩政，陈本永，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33
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