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CN103697807B - 一种双频激光位移和角度干涉仪 - Google Patents

一种双频激光位移和角度干涉仪 Download PDF

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Abstract

一种双频激光位移和角度干涉仪，包括由左向右依次设置的稳频双频激光器、部分反射分光镜、干涉组件、倍程组件和靶镜组件，还包括第一光电转换单元、第二光电转换单元、第三光电转换单元以及与其连接的相位测量模块；干涉组件包括自上而下设置的第一角锥棱镜、第一四分之一波片、非偏振分光棱镜和第一偏振分光棱镜；倍程组件包括自上而下设置的第二角锥棱镜、第二偏振分光棱镜和反射镜；靶镜组件包括角锥棱镜夹持底座及粘接在其内的第三角锥棱镜和第四角锥棱镜；本发明通过增加干涉组件A部分，解决了没有位移信息的问题；通过改进倍程组件B部分，单个角锥棱镜的位移量为光学四细分，因此角度测量为光学四细分。位移测量为光学八细分，测量分辨率提高。

Description

一种双频激光位移和角度干涉仪
技术领域
本发明属于精密位移测量及角度测量领域，具体涉及一种双频激光位移和角度干涉仪。
背景技术
在测量高精密数控机床导轨的多轴运动误差时，双频激光干涉测角仪由于高分辨率、高精度、高速度、重复性好、量程大的优势一直获得广泛的应用。
传统双频激光干涉仪的角度测量的原理示意图如图1所示，双频激光干涉仪发出的双频正交偏振激光经偏振分光镜1按偏振方向分为两束，其中偏振态平行于YZ平面频率为f1的光透过偏振分光镜1射向角锥棱镜3；偏振态平行于XY平面频率为f2的光经过偏振分光棱镜1反射后经过反射镜2后射向角锥棱镜4。分别由这两个角锥棱镜反射的光束由光电接收器5接收，双角锥棱镜组A安放在被测物体上，被测物件前后移动且没有摆动时，拍频中Δf1-Δf2为常数，角度输出值不变。如果角锥棱镜在移动过程中绕X轴倾斜θ角，则两角锥棱镜在Y轴方向将产生一个相对位移量Δ，因此获得的角度变化为：
θ = sin - 1 Δ L = sin - 1 ∫ ( Δ f 1 - Δ f 2 ) dt L
式中：L为角锥棱镜3和4的棱尖间距。
该方案没有光学细分，而且根本问题在于无法获得当前角度对应的位移信息，在测量高精密数控机床导轨的多轴运动误差时，角度误差无法准确的定位到导轨。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双频激光位移和角度干涉仪，解决了现有双频激光干涉测角仪没有位移信息的问题，测量灵敏度高，机构紧凑，装配简单，可广泛应用于几何量精密测量中。
为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种双频激光位移和角度干涉仪，包括由左向右依次设置的稳频双频激光器1、部分反射分光镜2、干涉组件A、倍程组件B和靶镜组件C，还包括第一光电转换单元D1、第二光电转换单元D2、第三光电转换单元D3以及与第一光电转换单元D1、第二光电转换单元D2和第三光电转换单元D3连接的相位测量模块14；
所述稳频双频激光器1输出激光为正交偏振的稳频双频激光，输出光分别为偏振态平行于YZ平面的f1光即P光和偏振态平行于XY平面的f2光即S光；
所述部分反射分光镜2由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，在直角棱镜的斜面上镀有非偏振部分反射分光膜；
所述干涉组件A包括自上而下依次设置的第一角锥棱镜3、第一四分之一波片4、非偏振分光棱镜5和第一偏振分光棱镜6，所述非偏振分光棱镜5和第一偏振分光棱镜6均由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，所述第一四分之一波片4的上表面粘接到第一角锥棱镜3的底面，下表面粘接到非偏振分光棱镜5的上直角面，所述非偏振分光棱镜5的下直角面粘接到第一偏振分光棱镜6的上直角面；在所述非偏振分光棱镜5的直角棱镜的斜面上镀有非偏振分光膜，达到50:50的分光比，在所述第一偏振分光棱镜6的直角棱镜的斜面上镀有偏振分光膜；
所述倍程组件B包括自上而下依次设置的第二角锥棱镜7、第二偏振分光棱镜8和反射镜10，所述第二偏振分光棱镜8由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，所述反射镜10为一个在斜面镀有消偏振全反射膜的直角梯形棱镜，其斜面与所述第二偏振分光棱镜8的直角棱镜的斜面平行，所述第二偏振分光棱镜8的上直角面粘接到第二角锥棱镜7的底面，下直角面粘接到反射镜10的上直角面，在所述第二偏振分光棱镜8的直角棱镜的斜面上镀有偏振分光膜，还包括粘接到所述第二偏振分光棱镜8和反射镜10右端面的第二四分之一波片9；
所述靶镜组件C包括角锥棱镜夹持底座13，以及粘接到角锥棱镜夹持底座13内部的第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12；
所述第一角锥棱镜3、第二角锥棱镜7、第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12的三个角锥面镀有全反射膜；
所述第一四分之一波片4和第二四分之一波片9的光轴与稳频双频激光器1发出f1光的偏振方向的夹角为45°；
上述部件的位置关系满足如下要求：
稳频双频激光器1发出的f1光即P光，经过部分反射分光镜2，f1光的一部分光反射到第一光电转换单元D1，f1光的透射光经过非偏振分光棱镜5分成等光强的两束光即反射光和透射光；反射光依次经过第一四分之一波片4、由第一角锥棱镜3、第一四分之一波片4、非偏振分光棱镜5、第一偏振分光棱镜6后进入第三光电转换单元D3；透射光依次经过第二偏振分光棱镜8、第二四分之一波片9，由第三角锥棱镜11、第二四分之一波片9、第二偏振分光棱镜8、第二角锥棱镜7、第二偏振分光棱镜8、第二四分之一波片9、由第三角锥棱镜11、第二四分之一波片9、第二偏振分光棱镜8、非偏振分光棱镜5、第一偏振分光棱镜6后进入第二光电转换单元D2；
稳频双频激光器1发出的f2光即S光，经过部分反射分光镜2，f2光的一部分光反射到第一光电转换单元D1，f2光的透射光经过非偏振分光棱镜5分成等光强的两束光即反射光和透射光；反射光依次经过第一四分之一波片4、由第一角锥棱镜3、第一四分之一波片4、非偏振分光棱镜5、第一偏振分光棱镜6后进入第二光电转换单元D2；透射光依次经过第二偏振分光棱镜8、反射镜10、第二四分之一波片9、由第四角锥棱镜12、第二四分之一波片9、反射镜10、第二偏振分光棱镜8、第二角锥棱镜7、第二偏振分光棱镜8、反射镜10、第二四分之一波片9、由第四角锥棱镜12、第二四分之一波片9、反射镜10、第二偏振分光棱镜8、非偏振分光棱镜5、第一偏振分光棱镜6后进入第三光电转换单元D3。
所述部分反射分光镜2斜面上镀有的非偏振部分反射分光膜达到10:90的分光比。
所述稳频双频激光器1、部分反射分光镜2、组件A和组件B位置固定，组件C安装于被测物件上，随被测物件移动。
所述第一光电转换单元D1、第二光电转换单元D2和第三光电转换单元D3将光信号转换为电信号后传输到相位测量模块14，相位测量模块14比较第一光电转换单元D1和第二光电转换单元D2输出电信号的相位差变化量，得到第三角锥棱镜11的位移量，比较第一光电转换单元D1和第三光电转换单元D3输出电信号的相位差变化量，得到第四角锥棱镜12的位移量，第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12位移量取平均值得到被测物件的位移量；第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12位移量相减得到位移差，将位移差除以第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12之间的棱尖间距后，再求反正弦得到被测物件绕X轴的角度值；将光路置于XY平面后可以测量被测物件绕Z轴的角度值。
位移测量为光学八细分，角度测量为光学四细分。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明通过增加干涉组件A部分，在现有双频激光干涉测角仪的基础上，解决了没有位移信息的问题。在测量高精密数控机床导轨的多轴运动误差时，角度误差可以准确的定位到导轨上。
2、本发明中通过改进倍程组件B部分，增加了第二角锥棱镜7和第二四分之一波片9使得测量光倍程，单个角锥棱镜的位移量为光学四细分，因此角度测量为光学四细分。位移测量为光学八细分，测量分辨率得到了提高。
附图说明
图1为现有双频激光干涉测角仪的原理示意图。
图2为本发明双频激光位移和角度干涉仪原理与装置示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例题，对本发明作进一步的详细描述。
为了易于说明，本发明使用“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件相对于另一个元件的关系，应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件“下”的元件将定位在其他元件“上”，因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转900或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。
如图2所示，本发明一种双频激光位移和角度干涉仪，包括由左向右依次设置的稳频双频激光器1、部分反射分光镜2、干涉组件A、倍程组件B和靶镜组件C，还包括第一光电转换单元D1、第二光电转换单元D2、第三光电转换单元D3以及与第一光电转换单元D1、第二光电转换单元D2和第三光电转换单元D3连接的相位测量模块14；
所述稳频双频激光器1输出激光为正交偏振的稳频双频激光，输出光分别为偏振态平行于YZ平面的f1光即P偏振态光和偏振态平行于XY平面的f2光即S偏振态光；
所述部分反射分光镜2由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，在直角棱镜的斜面上镀有非偏振部分反射分光膜；
所述干涉组件A包括自上而下依次设置的第一角锥棱镜3、第一四分之一波片4、非偏振分光棱镜5和第一偏振分光棱镜6，所述非偏振分光棱镜5和第一偏振分光棱镜6均由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，所述第一四分之一波片4的上表面粘接到第一角锥棱镜3的底面，下表面粘接到非偏振分光棱镜5的上直角面，所述非偏振分光棱镜5的下直角面粘接到第一偏振分光棱镜6的上直角面；在所述非偏振分光棱镜5的直角棱镜的斜面上镀有非偏振分光膜，达到50:50的分光比，在所述第一偏振分光棱镜6的直角棱镜的斜面上镀有偏振分光膜；
所述倍程组件B包括自上而下依次设置的第二角锥棱镜7、第二偏振分光棱镜8和反射镜10，所述第二偏振分光棱镜8由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，所述反射镜10为一个在斜面镀有消偏振全反射膜的直角梯形棱镜，其斜面与所述第二偏振分光棱镜8的直角棱镜的斜面平行，所述第二偏振分光棱镜8的上直角面粘接到第二角锥棱镜7的底面，下直角面粘接到反射镜10的上直角面，在所述第二偏振分光棱镜8的直角棱镜的斜面上镀有偏振分光膜，还包括粘接到所述第二偏振分光棱镜8和反射镜10右端面的第二四分之一波片9；
所述靶镜组件C包括角锥棱镜夹持底座13，以及粘接到角锥棱镜夹持底座13内部的第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12；
所述第一角锥棱镜3、第二角锥棱镜7、第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12的三个角锥面镀有全反射膜；
所述第一四分之一波片4和第二四分之一波片9的光轴与稳频双频激光器1发出f1光的偏振方向的夹角为45°；
所述部分反射分光镜2斜面上镀有的非偏振部分反射分光膜达到10:90的分光比。
所述稳频双频激光器1、部分反射分光镜2、组件A和组件B位置固定，组件C安装于被测物件上，随被测物件移动。
本发明的工作原理为：稳频双频激光器1发出频率为f1和f2的正交偏振激光，经过部分反射分光镜2后将一小部分光反射到第一光电转换单元D1转换成电信号后传输到相位测量模块14，透射光经过非偏振分光棱镜5分成两束光，一束用来测量，一路作为参考。测量光经过倍程组件B分光后垂直入射到第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12后返回与参考光合光。测量光和参考光的合光经由第一偏振分光棱镜6分光后入射到第二光电转换单元D2和第三D3光电转换单元转换成电信号后传输到相位测量模块14。当被测物体连同靶镜组件C一起沿着Y方向移动的时候，相位测量模块14同时检测第一光电转换单元D1和第二光电转换单元D2，第一光电转换单元D1和第三光电转换单元D3输出电信号的相位差变化量得到第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12的位移量，两者平均就可以测量出被测物体的位移量。第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12的位移量之差与第三角锥棱镜11和第四角锥棱镜12棱尖间距的比值求反正弦就得到被测物体绕X轴的微小角度值。将光路置于XY平面后可以测量被测物件绕Z轴的角度值。

Claims (5)

1.一种双频激光位移和角度干涉仪，其特征在于：包括由左向右依次设置的稳频双频激光器（1）、部分反射分光镜（2）、干涉组件（A）、倍程组件（B）和靶镜组件（C），还包括第一光电转换单元（D1）、第二光电转换单元（D2）、第三光电转换单元（D3）以及与第一光电转换单元（D1）、第二光电转换单元（D2）和第三光电转换单元（D3）连接的相位测量模块（14）；
所述稳频双频激光器（1）输出激光为正交偏振的稳频双频激光，输出光分别为偏振态平行于YZ平面的f1光即P光和偏振态平行于XY平面的f2光即S光；
所述部分反射分光镜（2）由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，在直角棱镜的斜面上镀有非偏振部分反射分光膜；
所述干涉组件（A）包括自上而下依次设置的第一角锥棱镜（3）、第一四分之一波片（4）、非偏振分光棱镜（5）和第一偏振分光棱镜（6），所述非偏振分光棱镜（5）和第一偏振分光棱镜（6）均由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，所述第一四分之一波片（4）的上表面粘接到第一角锥棱镜（3）的底面，下表面粘接到非偏振分光棱镜（5）的上直角面，所述非偏振分光棱镜（5）的下直角面粘接到第一偏振分光棱镜（6）的上直角面；在所述非偏振分光棱镜（5）的直角棱镜的斜面上镀有非偏振分光膜，达到50:50的分光比，在所述第一偏振分光棱镜（6）的直角棱镜的斜面上镀有偏振分光膜；
所述倍程组件（B）包括自上而下依次设置的第二角锥棱镜（7）、第二偏振分光棱镜（8）和反射镜（10），所述第二偏振分光棱镜（8）由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，所述反射镜（10）为一个在斜面镀有消偏振全反射膜的直角梯形棱镜，其斜面与所述第二偏振分光棱镜（8）的直角棱镜的斜面平行，所述第二偏振分光棱镜（8）的上直角面粘接到第二角锥棱镜（7）的底面，下直角面粘接到反射镜（10）的上直角面，在所述第二偏振分光棱镜（8）的直角棱镜的斜面上镀有偏振分光膜，还包括粘接到所述第二偏振分光棱镜（8）和反射镜（10）右端面的第二四分之一波片（9）；
所述靶镜组件（C）包括角锥棱镜夹持底座（13），以及粘接到角锥棱镜夹持底座（13）内部的第三角锥棱镜（11）和第四角锥棱镜（12）；
所述第一角锥棱镜（3）、第二角锥棱镜（7）、第三角锥棱镜（11）和第四角锥棱镜（12）的三个角锥面镀有全反射膜；
所述第一四分之一波片（4）和第二四分之一波片（9）快轴与稳频双频激光器（1）发出f1光的偏振方向的夹角为45°；
上述部件的位置关系满足如下要求：
稳频双频激光器（1）发出的f1光即P光，经过部分反射分光镜（2），f1光的一部分光反射到第一光电转换单元（D1），f1光的透射光经过非偏振分光棱镜（5）分成等光强的两束光即反射光和透射光；反射光依次经过第一四分之一波片（4）、由第一角锥棱镜（3）、第一四分之一波片（4）、非偏振分光棱镜（5）、第一偏振分光棱镜（6）后进入第三光电转换单元（D3）；透射光依次经过第二偏振分光棱镜（8）、第二四分之一波片（9），由第三角锥棱镜（11）、第二四分之一波片（9）、第二偏振分光棱镜（8）、第二角锥棱镜（7）、第二偏振分光棱镜（8）、第二四分之一波片（9）、由第三角锥棱镜（11）、第二四分之一波片（9）、第二偏振分光棱镜（8）、非偏振分光棱镜（5）、第一偏振分光棱镜（6）后进入第二光电转换单元（D2）；
稳频双频激光器（1）发出的f2光即S光，经过部分反射分光镜（2），f2光的一部分光反射到第一光电转换单元（D1），f2光的透射光经过非偏振分光棱镜（5）分成等光强的两束光即反射光和透射光；反射光依次经过第一四分之一波片（4）、由第一角锥棱镜（3）、第一四分之一波片（4）、非偏振分光棱镜（5）、第一偏振分光棱镜（6）后进入第二光电转换单元（D2）；透射光依次经过第二偏振分光棱镜（8）、反射镜（10）、第二四分之一波片（9）、由第四角锥棱镜（12）、第二四分之一波片（9）、反射镜（10）、第二偏振分光棱镜（8）、第二角锥棱镜（7）、第二偏振分光棱镜（8）、反射镜（10）、第二四分之一波片（9）、由第四角锥棱镜（12）、第二四分之一波片（9）、反射镜（10）、第二偏振分光棱镜（8）、非偏振分光棱镜（5）、第一偏振分光棱镜（6）后进入第三光电转换单元（D3）。
2.根据权利要求1所述的一种双频激光位移和角度干涉仪，其特征在于：所述部分反射分光镜（2）斜面上镀有的非偏振部分反射分光膜达到10:90的分光比。
3.根据权利要求1所述的一种双频激光位移和角度干涉仪，其特征在于：所述稳频双频激光器（1）、部分反射分光镜（2）、干涉组件（A）和倍程组件（B）位置固定，靶镜组件（C）安装于被测物件上，随被测物件移动。
4.根据权利要求3所述的一种双频激光位移和角度干涉仪，其特征在于：所述第一光电转换单元（D1）、第二光电转换单元（D2）和第三光电转换单元（D3）将光信号转换为电信号后传输到相位测量模块（14），相位测量模块（14）比较第一光电转换单元（D1）和第二光电转换单元（D2）输出电信号的相位差变化量，得到第三角锥棱镜（11）的位移量，比较第一光电转换单元（D1）和第三光电转换单元（D3）输出电信号的相位差变化量，得到第四角锥棱镜（12）的位移量，第三角锥棱镜（11）和第四角锥棱镜（12）位移量取平均值得到被测物件的位移量；第三角锥棱镜（11）和第四角锥棱镜（12）位移量相减得到位移差，将位移差除以第三角锥棱镜（11）和第四角锥棱镜（12）之间的棱尖间距后，再求反正弦得到被测物件绕X轴的角度值；将光路置于XY平面后可以测量被测物件绕Z轴的角度值。
5.根据权利要求4所述的一种双频激光位移和角度干涉仪，其特征在于：位移测量为光学八细分，角度测量为光学四细分。
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