【技术实现步骤摘要】
一种利用激光同时测量多自由度几何误差的方法与系统
[0001]本专利技术涉及光学精密测量
，尤其涉及一种利用激光同时测量多自由度几何误差的方法与系统。
技术介绍
[0002]随着精密制造、加工与装配技术的发展，对物体在运动中的六自由度几何误差、或者物体在静止时六自由度几何误差的变化量的测量精度要求不断提高。
[0003]现有技术中的一种测量六自由度几何误差方法包括：采用激光干涉仪，激光干涉仪是单参数测量，每次安装调整测量一种误差分量，每个测量过程需要使用不同类型的测量附件和重新调整干涉仪。
[0004]上述现有技术中的测量六自由度几何误差方法的缺点为：光路结构复杂，采取多个探测器对不同误差进行测量，增加了系统成本以及、复杂性，使得测量周期长，测量精度受环境变化影响较大。同时增加了由于电路散热引起的光路结构的不稳定性，从而引入测量误差。因此需要通过尽量少的光学器件以及探测器来实现多自由度几何误差同时测量。
技术实现思路
[0005]本专利技术的实施例提供了一种利用激光同时测量多自由度几何误差的方法与系统，以克服现有技术的问题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。
[0007]根据本专利技术的一个方面，提供了一种利用激光同时测量多自由度几何误差的系统，其特征在于，包括：测量单元与靶镜单元，所述测量单元包括激光出射模块、偏振分光镜、固定反射器、第一至第二λ/4波片、第一检偏器、第一光电探测器、干涉测长模块和二维角度测量模块；所述靶镜单元包括一个...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种利用激光同时测量多自由度几何误差的系统，其特征在于，包括：测量单元与靶镜单元，所述测量单元包括激光出射模块、偏振分光镜、固定反射器、第一至第二λ/4波片、第一检偏器、第一光电探测器、干涉测长模块和二维角度测量模块；所述靶镜单元包括一个分光器与一个反射器；所述激光出射模块用于产生出射光L1；所述偏振分光镜用于：
①
分束：将所述出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元的分光器透射、反射器后向反射后记为L111，所述L111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元，作为线性几何误差测量光，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；
②
合束：将再次经过所述偏振分光镜的参考光L12、由靶镜单元后向反射的测量光L111根据其偏振状态进行透射或反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为L3；
③
分离：将测量光L11由所述靶镜单元中的分光器反射的L112光单独分离出来，作为二维角度测量光，L112根据其偏振状态由偏光分光镜进行透射或反射；所述固定反射器用于后向反射所述仅在测量单元内部传播的参考光L12，使所述参考光L12返回所述偏振分光镜；所述第一λ/4波片用于改变参考光L12的偏振方向，使得所述参考光L12再次经过所述偏振分光镜时，切换透射或反射状态，即第一次经过时被反射，则第二次经过时被透射；第一次经过时被透射，则第二次经过时被反射；所述第二λ/4波片用于改变所述线性几何误差测量光L111、二维角度测量光L112的偏振方向，使得所述线性几何误差测量光L111、二维角度测量光L112再次经过所述偏振分光镜时，切换透射或者反射的状态；所述第一检偏器设置在所述偏振分光镜与所述第一光电探测器之间，调整第一检偏器的透光轴方向，使得所述合束光L3经过所述第一检偏器后发生干涉；所述第一光电探测器用于接收所述包含参考光L12与测量光L111的叠加光束L3，实现沿X、Y、Z轴三个方向的线性几何误差的同时测量，具体为：
①
根据所述线性几何误差测量光L111在所述第一光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；
②
配合所述干涉测长模块实现靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位置误差测量；所述二维角度测量模块包括一个聚焦透镜或透镜组、一个第二光电探测器，所述聚焦透镜或透镜组用于将所述二维角度测量光L112聚焦于所述第二光电探测器上，根据所述第二光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元绕Y轴与Z轴旋转的二维相对角度误差；所述靶镜单元中的分光器用于将测量光L11分光：其透射光记为L111，被所述靶镜单元中的反射器后向反射后、携带直线度与定位误差信息回到测量单元；其反射光记为L112，L112携带二维角度信息回到测量单元；所述靶镜单元中的反射器用于后向反射所述测量光L111，使测量光L111返回所述偏振分光镜，以实现：
①
改变所述测量光L111的沿Y轴或/与Z轴的空间位置，且所述空间位置改变量为所述靶镜单元中的反射器与测量单元沿Y轴或/与Z轴的的相对位移量的两倍；
②
改变所述测量光L111的光程与频率，所述光程与频率的改变量与所述靶镜单元中的反射器与测量单元沿X轴的相对位移量成正比关系。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光出射模块发射单频激光，所述干
涉测长模块包括第一非偏分光镜、相位延迟器、第三光电探测器；所述第一非偏分光镜设置在所述第一检偏器与所述第一光电探测器之间，用于将所述干涉光分束，其中一束由第一光电探测器接收，另一束由所述第三光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第三光电探测器上的干涉光斑光强分别为I1、I3；所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第三光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号I1、I3相位相差90
°
，计算所述参考光L12与所述测量光L111的相位差根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光出射模块能产生双频激光；所述干涉测长模块包括第三非偏分光镜、第二检偏器和第四光电探测器；所述双频激光为两束空间位置叠加、具有一定频差、且偏振方向不同的偏振光；所述第三非偏分光镜设置在所述激光出射模块与所述偏振分光镜之间，所述激光模块出射光L1由所述第三非偏分光镜分束形成另一束激光L2；所述第二检偏器设置在所述第三非偏分光镜与所述第四光电探测器之间，调整第二检偏器的透光轴方向，使得所述激光L2经过所述第二检偏器后发生干涉，干涉光斑被所述第四光电探测器接收，作为外差干涉测长的参考信号；所述合束光L3经过所述第一检偏器后发生干涉，所述干涉光斑被所述第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号；根据所述参考信号、所述测量信号，可以计算得出靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光出射模块包括多波长激光光源与外差频率生成模块，所述干涉测长模块包括第一至第N带通滤波器、第一至第N相位检测器，N为大于等于3的自然数，所述偏振分光镜由第二非偏分光镜代替；所述多波长激光光源输出多波长激光λ1、λ2、λ3、
……
、λ
N
，其频率分别为ν1、ν2、ν3、
……
、ν
N
，经过所述外差频率生成模块后，所述多波长激光的频率变为ν1+f1、ν2+f2、ν3+f3、
……
、ν
N
+f
N
，记所述多波长激光为出射光L1；所述第二非偏分光镜用于：
①
分束：将所述出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后记为L111，所述L111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元、为测量光，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；
②
合束：将再次经过所述非偏分光镜的参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L111透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3；
③
分离：将测量光L11由所述靶镜单元中的分光器反射的L112光单独分离出来，作为二维角度测量光；所述合束光L3在所述第一光电探测器上发生干涉，得到的外差干涉信号频谱只包含f1、f2、f3、
……
、f
N
,分量；所述第一至第N带通滤波器将所述f1、f2、f3、
……
、f
N
分量分离后，由所述第一至第N相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息取其中n(2≤n≤N
‑
1，n为自然数)对组成拍频信号，根据n组合成波长以及相位差结合，计算靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述激光出射模块发射单频激光，由第二非偏分光镜代替所述偏振分光镜，所述干涉测长模块包括第一非偏分光镜、相位延迟器和第三光电探测器；
所述第二非偏分光镜用于：
①
分束：将所述出射光L1分束为测量光L11、参考光L12，所述测量光L11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后记为L111，所述L111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元、为测量光，所述参考光L12仅在测量单元内部传播；
②
合束：将再次经过所述非偏分光镜的参考光L12、由靶镜单元反射的测量光L111透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光L3，合束光L3为参考光L12被非偏分光镜透射、测量光L111被非偏分光镜反射的两束光的叠加光束与参考光L12被非偏分光镜反射、测量光L111被非偏分光镜透射的两束光的叠加光束的其中之一；
③
分离：将测量光L11由所述靶镜单元中的分光器反射的L112光单独分离出来，作为二维角度测量光；所述第一非偏分光镜设置在所述第一检偏器与所述第一光电探测器之间，用于将所述已经干涉的合束光L3分束，其中一束L31由第一光电探测器接收，另一束L32由所述第三光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第三光电探测器上的干涉光斑光强分别为I1、I3；所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第三光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号I1、I3相位相差90
°
，计算所述参考光L12与所述测量光L111的相位差根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿X轴的相对位移Δx。6.根据权利要求1
‑
3、5任意一项所述系统，增加滚转角测量后，实现六自由度几何误差同时测量，其特征在于：在靶镜单元端增加第三λ/4波片，使得所述测量光L111通过所述第三λ/4波片、返回所述测量单元、经过第二λ/4波片后，再次通过所述偏振分光镜时被分束，其中一束光记为L111
′
，被第一光电探测器接收，另一束光记为L111
″
，被第五光电探测器接收；测量时所述第三λ/4波片随着靶镜单元与测量单元绕X轴转动的相对角度变化量为γ，所述测量光L111的偏振方向旋转角度为γ
′
，所述第一光电探测器与第五光电探测器接收的光强、随着所述角度γ
′
变化而变化，根据测得所述第一光电探测器与第五光电探测器的光强变化、以及所述光强变化与所述角度γ
′
变化的关系、所述角度γ
′
与γ的正比关系，得到靶镜单元与测量单元绕X轴转动的相对角度变化量，即滚转角γ。7.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述固定反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器、直角棱镜、两平面反射镜组成的反射镜组中的任意一种，所述靶镜单元反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器中的任意一种。8.根据权利要求6所述系统，其特征在于，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和第五光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS中的任意一种，根据所述第一光电探测器、第三光电探测器和第五光电探测器中任意一个探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差；所述第四光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS和pin中的任意一种。9.一种激光同时测量五自由度几何误差方法，其特征在于，应用于权利要求1
‑
5任意一项所述系统，所述方法包括：步骤1、基于激光准直原理测量沿Y轴与Z轴的直线度误差步骤1.1、激光出射模块出射光L1经过所述偏振分光镜时，被分为测量光L11、参考光L12；步骤1.2、所述测量光L11由所述测量单元出射后、入射到所述靶镜单元，被所述靶镜单
元的分光器分光，其透射光记为L111、由所述靶镜单元的反射器后向反射后，所述L111的空间位置随着靶镜单元与测量单元沿Y轴与Z轴的相对直线度误差而变化，L111携带该二维直线度误差信息返回所述测量单元，所述L111再次经过所述偏振分光镜；步骤1.3、所述参考光L12被所述固定反射器后向反射后，再次经过所述偏振分光镜后，与步骤1.2再次经过所述偏振分光镜的所述L111合束，记为L3，由所述第一光电探测器接收；步骤1.4、记录所述第一光电探测器测得合束光斑初始位置；步骤1.5、根据所述第一光电探测器上合束光斑实时位置，与所述合束光斑初始位置对比，得到合束光斑位置变化量；由于合束光斑位置变化仅由其中的测量光L111位置变化引起，根据合束光斑位置变化量...
【专利技术属性】
技术研发人员：冯其波，郑发家，李家琨，张斌，杨婧，赵宇琼，贾培智，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：
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