一种多自由度光学测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多自由度光学测量系统，可应用于二维小角度（或微位移）的测量。此种系统包括激光发射器、误差敏感单元、光电接收单元以及信号处理单元。误差敏感单元包括两个直角棱镜（２）、（３）；光电接收单元包括光电接收器件（５）和准直物镜（４）；测量位移时须把准直物镜（４）去掉。光电接收器件（５）置于准直物镜（４）的焦平面上，半导体激光器（１）发出的基准光束经直角棱镜（３）和直角棱镜（２）反射后，通过准直物镜（４）将其光斑成像在光电接收器件（５）的光敏面上，其中半导体激光器（１）和光电接收单元安装在固定位置，而误差敏感单元由夹具装夹后安装在被测物体上，随被测物体同步移动。此系统在测量过程中的光程是恒定的，从而消除由于激光发散角而引起的远近光点光束直径不同的影响。通过光斑在光敏面上的位移量计算出被测物体在运动过程中小角度（或微位移）的变化。误差敏感单元可以安装在导轨、工作台等装置上，实现其角度（或位移）的实时动态测量，测量范围大、精度高，可广泛运用与生产、检测等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于精密仪器制造和精密测试计量
，特别涉及一种在光学计量中的恒光 程光路测量系统，可应用于多维角度(或微位移)的实时动态测量。
技术介绍
随着科学技术的不断进步和半导体工业的不断发展，微角度(或微位移)的精密测量己 经广泛地应用于生产实际的各个方面，尤其是在半导体精密机械设备的制作以及检测领域 内，其技术水平和测量精准度有了很大的提高。其中光学测角法除众所周知的光学分度头法 和多面棱体法外，常用的还有光电编码器法、衍射法、光纤法、圆光栅法、光学内反射法以 及激光干涉法等。这些方法多数用于一维静态测量，难以对二维角度进行动态测量。但是， 随着生产技术的发展，在很多精密计量测试场合需要对多维角度进行高精度测量，如硅片平 面度的检测，激光谐振腔的平行度的检测，光学元件的角度检测、平台平面检测、机械轴系 的晃动及精密导轨的直线度检测等精密测量。目前对于小角度的测量基本上采用自准直法。 自准直法原理简单，操作方便、易行。在实现小角度的多维、非接触测量中具有独特的优点。目前基于自准直法的小角度的测量通常采用半导体激光器作为发射光源，但由于激光发 散角而引起的远近光点光束直径的变化，直接导致了信号采集的偏差。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题提供一种能克服上述缺陷的并采用恒光程光路技术的多自由 度测量系统。在恒定的光程内，采集直径相同的光斑信号，以避免信号采集误差，并可以应 用于当前的光电自准直仪。该种仪器可用于导轨的直线度测量、平板的平面度测量、轴系的 角晃动测量等方面。其工作范围大、分辨率高并且可以实现动态实时测量。本专利技术的技术方案本光学测量系统包括激光发射器、误差敏感单元、光电接收单元 以及信号处理单元。其技术特征是误差敏感单元包括两个空间摆放位置固定的直角棱镜，他们通过支架或其他的手段固定 在一起，并被放置在被测装置上。光电接受单元包括光电接收器(QPD或PSD)和准直物镜。 信号处理单元完成对探测到的信号进行采集、处理与输出等功能。本专利技术的测量方法是由半导体激光器位置固定并发出准直激光束，经过两个棱镜反射 并通过准直透镜后的光斑成像在光电接收器件的光敏面上。其中光电接收单元位置固定，且 光电接收器件置于准直物镜的焦平面上，固定在被测物体上。这样，当误差敏感单元与被测 物一起运动时，光斑就会在光敏面上产生位移变化，经过信号处理单元和软件计算，就可以 通过位移变化量来反应物体的二维角度(或位移)改变量。由于激光器与光电接收器件的相 对位置是固定的，即光程是恒定的，因此照射到光敏面上的光斑大小和形状是不会改变的， 这样就保证了信号采集的准确性。^通过实验，采用此多自由度光电测量系统的光电自准直仪能检测到的最小角度为o. r，测量范围土100"。附图说明图l为原理示意图。图2为图1中两个直角棱镜位置左视图。 图3为图1中两个直角棱镜位置俯视图。 图4为两直角棱镜空间位置图。 图5为信号处理框图。具体实施方案请参考图l一图3所示，本专利技术的光学测量系统包括激光发射器、误差敏感单元、光电 接收单元以及信号处理单元。其中半导体激光器l，直角棱镜2，直角棱镜3，准直物镜4， 光电接收器件5的摆放位置参考图1。光电接收单元中的光电接收器件5位于准直物镜4的 焦平面上，从激光光源发出的准直光线经两个棱镜反射，通过准直物镜后其光斑成像与光电 接收器件的光敏面上。两个棱镜的位置参考图2—图4所示，直角面AAFA和A2C2F2D2互相平行，面AAd与面 &(:2&02垂直且过边D2&的中点，面D2E^过边AA的中点。保证光路经4次反射后能继续沿 着初始光线的方向顺利被光电接收器件5接收。设准直物镜的焦距为f，光斑的位移为d，当棱镜绕边B^或边B2E2的转动角度6时，可 以推出sin2 9 *f=cos2 9 *d激光器采用波长为635mn的fflW级半导体激光器，准直物镜采用焦距为38. lmm，直径为 12.7的的双凸透镜。信号处理方案参考图5所示，当误差敏感单元转动一个小角度时光电接收器件上的光斑 产生一个微小的位移量，光电接收器件将这个位移量转换成电信号，电信号由一系列的电路 处理后，经A/D采集卡把数据传给计算机，再通过计算机软件处理最终将获得的光斑位置信 息转换成角度量。测量结果由LCD实时显示。权利要求1、一种多自由度光学测量系统包括半导体激光器(1)、直角棱镜(2)、直角棱镜(3)、准直物镜(4)，光电接收器件(5)以及信号处理单元，其特征是光电接收器件(5)和准直物镜(4)组成光电接收单元，而且光电接收器件(5)位于准直物镜(4)的焦平面上，半导体激光器(1)发出的基准光束首先进入经直角棱镜(3)，再由直角棱镜(2)反射出来，然后通过准直物镜(4)，将激光光斑成像在光电接收器件的光敏面上，通过计算光斑在光电器件上的位移量得到二维角度变化，准直物镜(4)在测量微位移时须去掉，这样计算光斑在光电器件上的位移量就得到位移变化。2、 根据权利要求1所述的装置，直角棱镜(2)和直角棱镜(3)两个棱镜的空间位置相互固 定，共同组成误差敏感单元，其特征是直角面A^FJX和A2(iF2D2互相平行，面AAd与面A2C2F2 D2垂直且过边D2F2的中点，面D2E2F2过边的中点。3、 根据权利要求1所述和权利要求2所述的装置，半导体激光器(1)与光电接收单元位置 固定，其特征是半导体激光器(O与光电接收单元分别位于误差敏感单元的两侧，其之间距 离保持恒定。4、 根据权利要求2所述的装置，误差敏感单元由夹具装夹，其特征是夹具体被安装在被测物 体上，随被测对象一起移动。5、 根据权利要求2所述的装置，两直角棱镜可由4个反射镜代替，其特征是2个反射镜为 一组，共2组，组成类似权利要求2中所示特征。全文摘要本专利技术公开了一种多自由度光学测量系统，可应用于二维小角度(或微位移)的测量。此种系统包括激光发射器、误差敏感单元、光电接收单元以及信号处理单元。误差敏感单元包括两个直角棱镜(2)、(3)；光电接收单元包括光电接收器件(5)和准直物镜(4)；测量位移时须把准直物镜(4)去掉。光电接收器件(5)置于准直物镜(4)的焦平面上，半导体激光器(1)发出的基准光束经直角棱镜(3)和直角棱镜(2)反射后，通过准直物镜(4)将其光斑成像在光电接收器件(5)的光敏面上，其中半导体激光器(1)和光电接收单元安装在固定位置，而误差敏感单元由夹具装夹后安装在被测物体上，随被测物体同步移动。此系统在测量过程中的光程是恒定的，从而消除由于激光发散角而引起的远近光点光束直径不同的影响。通过光斑在光敏面上的位移量计算出被测物体在运动过程中小角度(或微位移)的变化。误差敏感单元可以安装在导轨、工作台等装置上，实现其角度(或位移)的实时动态测量，测量范围大、精度高，可广泛运用与生产、检测等领域。文档编号G01B11/02GK101545761SQ200910061970公开日2009年9月30日 申请日期2009年5月6日 优先权日2009年5月6日专利技术者于永志, 杨练根, 王选择, 翟中生, 钟毓宁 申请人:湖北工业大学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多自由度光学测量系统包括：半导体激光器（１）、直角棱镜（２）、直角棱镜（３）、准直物镜（４），光电接收器件（５）以及信号处理单元，其特征是：光电接收器件（５）和准直物镜（４）组成光电接收单元，而且光电接收器件（５）位于准直物镜（４）的焦平面上，半导体激光器（１）发出的基准光束首先进入经直角棱镜（３），再由直角棱镜（２）反射出来，然后通过准直物镜（４），将激光光斑成像在光电接收器件的光敏面上，通过计算光斑在光电器件上的位移量得到二维角度变化，准直物镜（４）在测量微位移时须去掉，这样计算光斑在光电器件上的位移量就得到位移变化。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王选择，于永志，钟毓宁，翟中生，杨练根，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]