CN101581577B - 基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置，它包括输出正交线偏振光的激光器，普通分光镜，消偏振分光棱镜，偏振分光棱镜，渥拉斯顿棱镜，三个检偏器，三个光电探测器和由直角棱镜组成的测量反射镜。本发明利用光学器件的偏振特性和分光特性组成了基于外差干涉原理的双光路测量结构，通过测量双光路的光程差实现了直线度及其位置的同时测量，具有纳米级的直线度及其位置的测量精度。本发明主要适用于超精密加工技术、微光机电系统、集成电路芯片制造技术等领域所涉及的精密工作台的运动位移测量、精密导轨的直线度检测等。

Description

基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置

技术领域

本发明涉及以采用光学方法为特征的测量装置，尤其是涉及一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置。

背景技术

纵观国内外直线度的测量方法，按照有无直线基准，可将直线度的测量方法大致分为两类：第一类是无直线基准的测量方法，主要采用误差分离法，而按照信息获取的途径不同，无直线基准测量法又可分为反向法、错位法和多测头法，误差分离法实用可靠，适用于在线或离线测量，一次测量可获得多项测量误差，但该方法受多种因素的影响，如测量装置结构参数选择不当、测头间距误差、传感器标定误差等，使测量准确度下降。第二类是有直线基准的测量方法，该方法采用一定的直线基准，并以此基准来检测被测表面的直线度误差，主要有：光隙法、节距法、测微仪法、三坐标法、平晶干涉法、激光准直法、激光全息法和双频激光干涉法等。以上这些测量方法中，基于双频激光干涉的直线度测量方法具有纳米级高测量精度的优点，但是其仅是实现了直线度的单独测量，存在没有给出被测直线度的具体位置的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置。采用激光外差干涉原理，既实现了纳米级精度的直线度测量，又实现了被测直线度位置的纳米级位移测量，解决了纳米级高精度的直线度及其位置同时测量的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

光源为横向塞曼效应He-Ne双频激光器发出的激光束经普通分光镜分成两束，第一反射光束入射至第一检偏器，被第一光电探测器接收作为参考信号，第一透射光束经消偏振分光棱镜再次分为第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束入射到偏振分光棱镜，第二透射光束经渥拉斯顿棱镜透射后将f₁和f₂两个频率的光分成两路测量光束，射向由直角棱镜组成的测量反射镜，测量反射镜放置于被测对象上，测量反射镜在被测对象上移动时，产生含有多普勒频差±Δf₁和±Δf₂的两测量光束f₁±Δf₁和f₂±Δf₂，经测量反射镜反射后至渥拉斯顿棱镜的另一点汇合成一束光，再次透过渥拉斯顿棱镜后射向偏振分光棱镜，其中，频率为f₁±Δf₁的光透射偏振分光棱镜与第二反射光束中经偏振分光棱镜反射的频率为f₂的光形成第一路测量光束，频率为f₂±Δf₂的光经偏振分光棱镜反射后与第二反射光束中经偏振分光棱镜透射的频率为f₁的光形成第二路测量光束；第一路测量光束入射至第二检偏器，检偏器的透振方向与第一路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第二光电探测器接收形成第一路测量信号，其频率为f₁-f₂±Δf₁；第二路测量光束入射第三检偏器，检偏器的透振方向与第二路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第三光电探测器接收形成第二路测量信号，其频率为f₁-f₂±Δf₂，第一路测量信号、第二路测量信号和参考信号经后续的数据采集和机算机进行处理和显示，可得到测量的直线度及其位置。

本发明具有的有益效果是：

(1)基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法在测量直线度的同时，可以定位直线度的绝对位置，实现了直线度及其位置的同时测量，这极大的方便了实际中的应用。

(2)该测量方法采用了激光外差干涉方法，具有纳米级测量精度。

(3)采用共光路结构，有利于消除环境因素的影响。

(4)光路结构简单，使用方便。

本发明主要适用于超精密加工技术、微光机电系统、集成电路芯片制造技术等领域所涉及的精密工作台的运动位移测量、精密导轨的直线度检测等。

附图说明

图1是基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置的光路图。

图2是基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法的示意图。

图中：1、双频激光器，2、普通分光镜，3、第一检偏器，4、第一光电探测器，5、消偏振分光棱镜，6、渥拉斯顿棱镜，7、测量反射镜，8、偏振分光棱镜，9、第二检偏器，10、第二光电探测器，11、第三检偏器，12、第三光电探测器，13、被测对象。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法如图1所示：光源为横向塞曼效应He-Ne双频激光器1，该激光器的中心波长为632.8nm、输出两个不同频率f₁和f₂的正交线偏振光，其频差为1.9MHz。激光器1发出的激光束经普通分光镜2分成两束，其中反射光束入射至第一检偏器3，由于检偏器的透振方向与两正交线偏振光成45°角，可将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第一光电探测器4接收作为参考信号，其频率为f₁-f₂，透射光束经消偏振分光棱镜5再次分为第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束入射到偏振分光棱镜8，第二透射光束经渥拉斯顿棱镜6透射后将f₁和f₂两个频率的光分成有一定角度的两路测量光束，射向由直角棱镜组成的测量反射镜7，测量反射镜放置于被测对象13上，测量反射镜在被测对象上移动后，产生含有多普勒频差±Δf₁和±Δf₂的两测量光束f₁±Δf₁和f₂±Δf₂，经测量反射镜7反射后至渥拉斯顿棱镜6的另一点汇合成一束光，再次透过渥拉斯顿棱镜6后射向偏振分光棱镜8，其中，频率为f₁±Δf₁的光透射偏振分光棱镜8与第二反射光束中经偏振分光棱镜8反射的频率为f₂的光形成第一路测量光束，频率为f₂±Δf₂的光经偏振分光棱镜8反射后与第二反射光束中经偏振分光棱镜8透射的频率为f₁的光形成第二路测量光束；第一路测量光束入射至第二检偏器9，检偏器的透振方向与第一路测量光束的两正交线偏振光成45°角，可将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第二光电探测器10接收形成第一路测量信号，其频率为f₁-f₂±Δf₁；第二路测量光束入射第三检偏器11，检偏器的透振方向与第二路测量光束的两正交线偏振光成45°角，可将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第三光电探测器12接收形成第二路测量信号，其频率为f₁-f₂±Δf₂，第一路测量信号、第二路测量信号和参考信号经后续的数据采集和机算机进行处理和显示，可得到测量的直线度及其位置。

具体是经基于Altera公司生产的FPGA芯片EP2C20Q240的硬件电路数据采集系统连接至用于数据处理和显示的计算机系统。

如图1所示，光路中的黑点和竖直短线表示偏振方向正交的两个不同频率的线偏振光，而上方带有三角的黑点和带有三角的竖直短线代表含有多普勒频差信息的正交线偏振光。

结合图2所示，本方法的直线度及其位置的测量，具体实现如下：

测量时，设测量反射镜7由初始位置1移动至被测位置2，沿测量基准轴线方向的速度为v，根据多普勒效应及图2所示可得：

${f_1}^{\′}=f_1(1\±\frac{2v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{c})$

${f_2}^{\′}=f_2(1\±\frac{2v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{c})$

式中：f₁、f₂为双频激光器输出正交线偏振光的两个频率，f′₁、f₂′为含有多普勒频差的两个频率，c为光在真空中的速度，θ为渥拉斯顿棱镜的分束角度。

当测量反射镜7与激光器相向运动时速度为v取正，相背运动时速度为v取负。由多普勒效应引起的测量光束f₁和f₂的频率变化为：

$\mathrm{\Δ}{f}_1={f_1}^{\′}-f_1=\±\frac{2v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{c}{f}_1=\±\frac{v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{\frac{1}{2}\frac{c}{f_1}}=\±\frac{v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}}$

$\mathrm{\Δ}{f}_2={f_2}^{\′}-f_2=\mathrm{\μ}\frac{2v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{c}{f}_2=\mathrm{\μ}\frac{v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{\frac{1}{2}\frac{c}{f_2}}=\mathrm{\μ}\frac{v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}{\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}}$

式中：λ₁、λ₂为两个频率的激光波长。

设测量反射镜7移动距离为S、时间为t，由参考信号(频率为f₁-f₂)和第一路测量信号(频率为f₁-f₂±Δf₁)求差频可得Δf₁，由参考信号(频率为f₁-f₂)和第二路测量信号(频率为f₁-f₂±Δf₂)求差频可得Δf₂，则对应的两光路的光程(位移)变化为：

$L_1={\∫}_0^{t}v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dt}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{2}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{f}_1\mathrm{dt}$

$L_2={\∫}_0^{t}v\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dt}=\frac{{\mathrm{\λ}}_2}{2}{\∫}_0^t\mathrm{\Δ}{f}_2\mathrm{dt}$

两光路的光程差为：

ΔL＝L₂-L₁

根据图2所示的几何关系，可求出被测对象的直线度值为：

$\mathrm{\Δh}=\frac{\frac{\mathrm{\ΔL}}{2}}{\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}}=\frac{L_2-L_1}{2\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}}---\left(1\right)$

式中：当Δh为负时，测量反射镜7向上偏离基准轴线；当Δh为正时，测量反射镜7向下偏离基准轴线。

该直线度所对应的位置为：

$S=\frac{L_1+\frac{\mathrm{\ΔL}}{2}}{\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}=\frac{L_1+L_2}{2\cos \frac{\mathrm{\θ}}{2}}---\left(2\right)$

综上可知，由公式(1)和公式(2)即可求出被测对象的直线度及其位置。

如图2所示，虚线表示测量反射镜未产生直线度偏差时位于基准轴线上。

Claims (1)

1.一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置，其特征在于：光源为横向塞曼效应He-Ne双频激光器(1)发出的激光束经普通分光镜(2)分成两束，第一反射光束入射至第一检偏器(3)，由于检偏器的透振方向与两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第一光电探测器(4)接收作为参考信号，其频率为f₁-f₂，第一透射光束经消偏振分光棱镜(5)再次分为第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束入射到偏振分光棱镜(8)，第二透射光束经渥拉斯顿棱镜(6)透射后将f₁和f₂两个频率的光分成两路测量光束，射向由直角棱镜组成的测量反射镜(7)，测量反射镜放置于被测对象(13)上，测量反射镜在被测对象上移动时，产生含有多普勒频差±Δf₁和±Δf₂的两测量光束f₁±Δf₁和f₂±Δf₂，经测量反射镜(7)反射后至渥拉斯顿棱镜(6)的另一点汇合成一束光，再次透过渥拉斯顿棱镜(6)后射向偏振分光棱镜(8)，其中，频率为f₁±Δf₁的光透射偏振分光棱镜(8)与第二反射光束中经偏振分光棱镜(8)反射的频率为f₂的光形成第一路测量光束，频率为f₂±Δf₂的光经偏振分光棱镜(8)反射后与第二反射光束中经偏振分光棱镜(8)透射的频率为f₁的光形成第二路测量光束；第一路测量光束入射至第二检偏器(9)，检偏器的透振方向与第一路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第二光电探测器(10)接收形成第一路测量信号，其频率为f₁-f₂±Δf₁；第二路测量光束入射第三检偏器(11)，检偏器的透振方向与第二路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第三光电探测器(12)接收形成第二路测量信号，其频率为f₁-f₂±Δf₂，第一路测量信号、第二路测量信号和参考信号经后续的数据采集和机算机进行处理和显示，得到测量的直线度及其位置；具体实现如下：

测量时，设测量反射镜(7)由初始位置1移动至被测位置2，沿测量基准轴线方向的速度为v，根据多普勒效应可得：

式中：f₁、f₂为双频激光器输出正交线偏振光的两个频率，f₁′、f₂′为含有多普勒频差的两个频率，c为光在真空中的速度，θ为渥拉斯顿棱镜的分束角度；

当测量反射镜(7)与激光器相向运动时速度为v取正，相背运动时速度为v取负，由多普勒效应引起的测量光束f₁和f₂的频率变化为：

式中：λ₁、λ₂为两个频率的激光波长；

设测量反射镜(7)移动距离为S、时间为t，由参考信号，频率为f₁-f₂和第一路测量信号，频率为f₁-f₂±Δf₁，求差频可得Δf₁，由参考信号，频率为f₁-f₂和第二路测量信号，频率为f₁-f₂Δf₂，求差频可得Δf₂，则对应的两光路的光程，即位移变化为：

两光路的光程差为：

ΔL＝L₂-L₁

根据几何关系，可求出被测对象的直线度值为：

式中：当Δh为负时，测量反射镜(7)向上偏离基准轴线；当Δh为正时，测量反射镜7向下偏离基准轴线；

该直线度所对应的位置为：

综上可知，由公式(1)和公式(2)即求出被测对象的直线度及其位置。

Images