具有六自由度檢測的激光外差干涉直線度測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種激光外差干涉直線度測量裝置及方法，尤其是涉及一種具有六自 由度檢測的激光外差干涉直線度測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 在現(xiàn)代精密機械及儀器的制造中，直線度作為表征工作臺或導軌零件形狀的主要 幾何要素之一，在機械精度檢測中有著重要的地位和作用。目前直線度測量方法很多，根據(jù) 是否采用激光作為測量載體可以分為激光類測量法和非激光類測量法，前者相較于后者能 夠達到更高的測量精度且測量方便，因此一直是國內(nèi)外學者及企業(yè)研宄的主要對象。在激 光類測量法中，激光外差直線度干涉儀因具有良好的抗干擾性、高信噪比、高精度等性能， 在直線度測量領域得到了比較廣泛的應用。激光外差直線度干涉儀主要由雙頻激光器、渥 拉斯頓棱鏡和V型反射鏡等組成，一般僅實現(xiàn)被測對象直線度誤差這一個自由度參數(shù)的檢 測。發(fā)明專利（200910100065. 2和200910100068. 6)采用消偏振分光鏡、渥拉斯頓棱鏡、V 型反射鏡和偏振分光鏡的光路結構，實現(xiàn)了對被測對象的直線度誤差及其位置二個自由度 參數(shù)的檢測。
[0003] 在實際直線度測量過程中，激光外差直線度干涉儀的測量鏡安裝在被測對象的移 動平臺上，該平臺在運動過程中存在六個自由度的誤差參數(shù)，包括三個線性參數(shù)（垂直直 線度誤差、水平直線度誤差和直線度誤差的位置）和三個轉動參數(shù)（偏擺角誤差、俯仰角誤 差和滾轉角誤差），其中三個轉動誤差會嚴重影響直線度誤差及其位置的測量結果，導致測 量精度降低。因此，目前的激光外差干涉直線度測量裝置及方法存在沒有消除這些轉動誤 差對直線度測量結果帶來影響的技術問題，同時也并未實現(xiàn)被測對象六個自由度誤差參數(shù) 的同時測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有六自由度檢測的激光外差干涉直線度測量裝置 及方法。采用激光外差干涉及激光光斑檢測的原理，既實現(xiàn)了被測對象的多個自由度運動 參數(shù)的同時檢測，又實現(xiàn)了對直線度及其位置檢測的誤差補償，解決了激光外差干涉直線 度測量中轉動誤差對測量結果影響的技術問題，提高了直線度及其位置檢測的測量精度， 同時實現(xiàn)了被測對象的六個自由度誤差參數(shù)的同時測量。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0006] 一、一種具有六自由度檢測的激光外差干涉直線度測量裝置：
[0007] 包括激光外差干涉直線度與其位置檢測部分以及誤差檢測與補償部分，激光外差 干涉直線度與其位置檢測部分包括具有拍頻信號輸出的雙頻激光器、消偏振分光鏡、渥拉 斯頓棱鏡、反射棱鏡、第一偏振分光鏡、第一檢偏器、第二檢偏器、第一光電探測器和第二光 電探測器；誤差檢測與補償部分包括第一普通分光鏡、第二普通分光鏡、平面反射鏡、凸透 鏡、位置敏感探測器、第三普通分光鏡、第二偏振分光鏡、第一四象限探測器和第二四象限 探測器；平面反射鏡和反射棱鏡組成測量鏡通過測量鏡支架安裝在被測對象的移動平臺 上；
[0008] 雙頻激光器拍頻信號輸出端輸出的拍頻信號作為參考信號，雙頻激光器輸出光束 經(jīng)第一普通分光鏡透射后入射到消偏振分光鏡上，經(jīng)消偏振分光鏡的透射和反射后分為消 偏振分光鏡透射光束和消偏振分光鏡反射光束，消偏振分光鏡反射光束入射到第一偏振分 光鏡分別經(jīng)透射和反射分為頻率為的透射光束和頻率為f 2的反射光束，消偏振分光鏡的 透射光束入射到渥拉斯頓棱鏡上分光，分為頻率為^和頻率為￡2的光束；渥拉斯頓棱鏡分 光后的兩束光束經(jīng)反射棱鏡反射后疊加有被測對象運動導致的多普勒頻移，反射疊加后的 兩束光束的頻率分別變?yōu)閒\± Af1和f2± Af2，兩束反射光束入射回到渥拉斯頓棱鏡合成 一束光出射；
[0009] 渥拉斯頓棱鏡的合成出射光經(jīng)過第三普通分光鏡透射后入射到第一偏振分光鏡， 經(jīng)第一偏振分光鏡的透射和反射后分為透射光束和反射光束：合成出射光入射到第一偏振 分光鏡輸出頻率為f\± Af1的透射光束與消偏振分光鏡反射光束入射到第一偏振分光鏡 輸出頻率為的反射光束合成一束射向第一檢偏器，經(jīng)第一檢偏器入射到第一光電探測器 接收，產(chǎn)生第一路測量信號；合成出射光入射到第一偏振分光鏡輸出頻率為f 2± Af2的反 射光束與消偏振分光鏡反射光束入射到第一偏振分光鏡輸出頻率為的透射光束合成一 束射向第二檢偏器，經(jīng)第二檢偏器入射到第二光電探測器接收，產(chǎn)生第二路測量信號； [0010] 雙頻激光器輸出光束經(jīng)第一普通分光鏡透射外還反射有一路反射光束，該反射光 束經(jīng)第二普通分光鏡反射后入射到平面反射鏡，平面反射鏡反射后的光束再依次經(jīng)第二普 通分光鏡透射、凸透鏡聚焦后形成光斑，投射到位置敏感探測器接收；
[0011] 渥拉斯頓棱鏡的合成出射光經(jīng)第三普通分光鏡透射外還反射有一路反射光束，該 反射光束入射到第二偏振分光鏡經(jīng)透射和反射后分為透射光束和反射光束，透射光束入射 到第二四象限探測器，反射光束入射到第一四象限探測器。
[0012] 所述的反射棱鏡包括分別位于上、下位置的兩個直角棱鏡，渥拉斯頓棱鏡分光后 的兩束光束分別射向上、下位置的兩個直角棱鏡，所述的第二偏振分光鏡將來自于反射棱 鏡上直角棱鏡的光束反射到第一四象限探測器，將來自于反射棱鏡下直角棱鏡的光束透射 到第二四象限探測器。
[0013] 所述的測量裝置包含有數(shù)據(jù)采集模塊以及計算機，雙頻激光器、第一光電探測器 和第二光電探測器均經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊與計算機連接，第一光電探測器和第二光電探測器輸 出的兩路測量信號與雙頻激光器的參考信號一起經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊傳輸?shù)接嬎銠C處理。
[0014] 所述的平面反射鏡固定在反射棱鏡的正上方。
[0015] 所述的雙頻激光器輸出光束為正交線偏振光。
[0016] 二、一種具有六自由度檢測的激光外差干涉直線度測量方法：
[0017] 1)采用所述測量裝置，平面反射鏡和反射棱鏡組成的測量鏡通過測量鏡支架安裝 在的移動平臺上，選擇能夠輸出正交線偏振光且具有拍頻信號輸出端的雙頻激光器，其輸 出的線偏振光頻率分別為f JP f2，雙頻激光器輸出的光束經(jīng)歷有激光外差干涉光路和誤差 檢測與補償光路；
[0018] I. 1)激光外差干涉光路：
[0019] 雙頻激光器拍頻信號輸出端輸出的拍頻信號作為參考信號，雙頻激光器輸出光束 經(jīng)第一普通分光鏡透射后入射到消偏振分光鏡上，經(jīng)消偏振分光鏡的透射和反射后分為消 偏振分光鏡透射光束和消偏振分光鏡反射光束，消偏振分光鏡反射光束入射到第一偏振分 光鏡分別經(jīng)透射和反射分為頻率為的透射光束和頻率為f 2的反射光束，消偏振分光鏡的 透射光束入射到渥拉斯頓棱鏡上分光，分為頻率為^和頻率為￡2的光束；渥拉斯頓棱鏡分 光后的兩束光束經(jīng)反射棱鏡反射后疊加有被測對象運動導致的多普勒頻移，反射疊加后的 兩束光束的頻率分別變?yōu)閒\± Af1和f2± Af2，兩束反射光束入射回到渥拉斯頓棱鏡合成 一束光出射；渥拉斯頓棱鏡的合成出射光經(jīng)過第三普通分光鏡透射后入射到第一偏振分光 鏡，經(jīng)第一偏振分光鏡的透射和反射后分為透射光束和反射光束：合成出射光入射到第一 偏振分光鏡輸出頻率為Af 1的透射光束與消偏振分光鏡反射光束入射到第一偏振分 光鏡輸出頻率為的反射光束合成一束射向第一檢偏器，經(jīng)第一檢偏器入射到第一光電探 測器接收，產(chǎn)生第一路測量信號；合成出射光入射到第一