具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种激光外差干涉直线度测量装置及方法，尤其是涉及一种具有六自 由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 在现代精密机械及仪器的制造中，直线度作为表征工作台或导轨零件形状的主要 几何要素之一，在机械精度检测中有着重要的地位和作用。目前直线度测量方法很多，根据 是否采用激光作为测量载体可以分为激光类测量法和非激光类测量法，前者相较于后者能 够达到更高的测量精度且测量方便，因此一直是国内外学者及企业研宄的主要对象。在激 光类测量法中，激光外差直线度干涉仪因具有良好的抗干扰性、高信噪比、高精度等性能， 在直线度测量领域得到了比较广泛的应用。激光外差直线度干涉仪主要由双频激光器、渥 拉斯顿棱镜和V型反射镜等组成，一般仅实现被测对象直线度误差这一个自由度参数的检 测。发明专利（200910100065. 2和200910100068. 6)采用消偏振分光镜、渥拉斯顿棱镜、V 型反射镜和偏振分光镜的光路结构，实现了对被测对象的直线度误差及其位置二个自由度 参数的检测。
[0003] 在实际直线度测量过程中，激光外差直线度干涉仪的测量镜安装在被测对象的移 动平台上，该平台在运动过程中存在六个自由度的误差参数，包括三个线性参数（垂直直 线度误差、水平直线度误差和直线度误差的位置）和三个转动参数（偏摆角误差、俯仰角误 差和滚转角误差），其中三个转动误差会严重影响直线度误差及其位置的测量结果，导致测 量精度降低。因此，目前的激光外差干涉直线度测量装置及方法存在没有消除这些转动误 差对直线度测量结果带来影响的技术问题，同时也并未实现被测对象六个自由度误差参数 的同时测量。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置 及方法。采用激光外差干涉及激光光斑检测的原理，既实现了被测对象的多个自由度运动 参数的同时检测，又实现了对直线度及其位置检测的误差补偿，解决了激光外差干涉直线 度测量中转动误差对测量结果影响的技术问题，提高了直线度及其位置检测的测量精度， 同时实现了被测对象的六个自由度误差参数的同时测量。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] 一、一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置：
[0007] 包括激光外差干涉直线度与其位置检测部分以及误差检测与补偿部分，激光外差 干涉直线度与其位置检测部分包括具有拍频信号输出的双频激光器、消偏振分光镜、渥拉 斯顿棱镜、反射棱镜、第一偏振分光镜、第一检偏器、第二检偏器、第一光电探测器和第二光 电探测器；误差检测与补偿部分包括第一普通分光镜、第二普通分光镜、平面反射镜、凸透 镜、位置敏感探测器、第三普通分光镜、第二偏振分光镜、第一四象限探测器和第二四象限 探测器；平面反射镜和反射棱镜组成测量镜通过测量镜支架安装在被测对象的移动平台 上；
[0008] 双频激光器拍频信号输出端输出的拍频信号作为参考信号，双频激光器输出光束 经第一普通分光镜透射后入射到消偏振分光镜上，经消偏振分光镜的透射和反射后分为消 偏振分光镜透射光束和消偏振分光镜反射光束，消偏振分光镜反射光束入射到第一偏振分 光镜分别经透射和反射分为频率为的透射光束和频率为f 2的反射光束，消偏振分光镜的 透射光束入射到渥拉斯顿棱镜上分光，分为频率为^和频率为￡2的光束；渥拉斯顿棱镜分 光后的两束光束经反射棱镜反射后叠加有被测对象运动导致的多普勒频移，反射叠加后的 两束光束的频率分别变为f\± Af1和f2± Af2，两束反射光束入射回到渥拉斯顿棱镜合成 一束光出射；
[0009] 渥拉斯顿棱镜的合成出射光经过第三普通分光镜透射后入射到第一偏振分光镜， 经第一偏振分光镜的透射和反射后分为透射光束和反射光束：合成出射光入射到第一偏振 分光镜输出频率为f\± Af1的透射光束与消偏振分光镜反射光束入射到第一偏振分光镜 输出频率为的反射光束合成一束射向第一检偏器，经第一检偏器入射到第一光电探测器 接收，产生第一路测量信号；合成出射光入射到第一偏振分光镜输出频率为f 2± Af2的反 射光束与消偏振分光镜反射光束入射到第一偏振分光镜输出频率为的透射光束合成一 束射向第二检偏器，经第二检偏器入射到第二光电探测器接收，产生第二路测量信号； [0010] 双频激光器输出光束经第一普通分光镜透射外还反射有一路反射光束，该反射光 束经第二普通分光镜反射后入射到平面反射镜，平面反射镜反射后的光束再依次经第二普 通分光镜透射、凸透镜聚焦后形成光斑，投射到位置敏感探测器接收；
[0011] 渥拉斯顿棱镜的合成出射光经第三普通分光镜透射外还反射有一路反射光束，该 反射光束入射到第二偏振分光镜经透射和反射后分为透射光束和反射光束，透射光束入射 到第二四象限探测器，反射光束入射到第一四象限探测器。
[0012] 所述的反射棱镜包括分别位于上、下位置的两个直角棱镜，渥拉斯顿棱镜分光后 的两束光束分别射向上、下位置的两个直角棱镜，所述的第二偏振分光镜将来自于反射棱 镜上直角棱镜的光束反射到第一四象限探测器，将来自于反射棱镜下直角棱镜的光束透射 到第二四象限探测器。
[0013] 所述的测量装置包含有数据采集模块以及计算机，双频激光器、第一光电探测器 和第二光电探测器均经数据采集模块与计算机连接，第一光电探测器和第二光电探测器输 出的两路测量信号与双频激光器的参考信号一起经数据采集模块传输到计算机处理。
[0014] 所述的平面反射镜固定在反射棱镜的正上方。
[0015] 所述的双频激光器输出光束为正交线偏振光。
[0016] 二、一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量方法：
[0017] 1)采用所述测量装置，平面反射镜和反射棱镜组成的测量镜通过测量镜支架安装 在的移动平台上，选择能够输出正交线偏振光且具有拍频信号输出端的双频激光器，其输 出的线偏振光频率分别为f JP f2，双频激光器输出的光束经历有激光外差干涉光路和误差 检测与补偿光路；
[0018] I. 1)激光外差干涉光路：
[0019] 双频激光器拍频信号输出端输出的拍频信号作为参考信号，双频激光器输出光束 经第一普通分光镜透射后入射到消偏振分光镜上，经消偏振分光镜的透射和反射后分为消 偏振分光镜透射光束和消偏振分光镜反射光束，消偏振分光镜反射光束入射到第一偏振分 光镜分别经透射和反射分为频率为的透射光束和频率为f 2的反射光束，消偏振分光镜的 透射光束入射到渥拉斯顿棱镜上分光，分为频率为^和频率为￡2的光束；渥拉斯顿棱镜分 光后的两束光束经反射棱镜反射后叠加有被测对象运动导致的多普勒频移，反射叠加后的 两束光束的频率分别变为f\± Af1和f2± Af2，两束反射光束入射回到渥拉斯顿棱镜合成 一束光出射；渥拉斯顿棱镜的合成出射光经过第三普通分光镜透射后入射到第一偏振分光 镜，经第一偏振分光镜的透射和反射后分为透射光束和反射光束：合成出射光入射到第一 偏振分光镜输出频率为Af 1的透射光束与消偏振分光镜反射光束入射到第一偏振分 光镜输出频率为的反射光束合成一束射向第一检偏器，经第一检偏器入射到第一光电探 测器接收，产生第一路测量信号；合成出射光入射到第一