专利名称：用于位移直线度测量的激光干涉系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种精密测量技术，特别涉及一种用于位移直线度测量的激光干涉系统。
背景技术：
在军工、航天、数控机床等高科技领域中，精密基准计量和几何量精密测量具有非常重要的作用，特别是直线度的测量技术，越来越引起人们的重视。
授予Sommargren等人的美国专利No. 4，787，747揭示了一种测量机械装置行进时直线度的干涉系统，该文献以全文引用的方式包含在本文中。在该美国专利揭示的干涉系统中，采用了两个部分反射镜(partial retroreflector)来分别反射两束线偏振光束。 由于反射镜的光轴沿水平方向相隔的距离需设定为等于两束线偏振光束之间相隔的间距， 因此增加了干涉系统调试的难度。发明内容
本发明是针对现有直线度测量的干涉系统调试难的问题，提出了一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，结构简单且调试方便。
本发明的技术方案为一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，包括激光源、相位检测装置、光干涉装置、楔角棱镜、光反射装置，激光源产生第一光束入射到光干涉装置， 同时产生参考信号到相位检测装置，光干涉装置位于楔角棱镜一侧，在楔角棱镜与激光源之间，光反射装置位于楔角棱镜的另一侧，楔角棱镜随被测件一起运动，所述光干涉装置接收激光源产生的第一光束后，产生平行入射到楔角棱镜的第三和第四光束，第三和第四光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射路径相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述返回的第三和第四光束分别再次产生平行入射到所述楔角棱镜的第五光束和第六光束，第五光束和第六光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从返回的所述第五光束和第六光束产生所述第二光束进入相位检测装置，所述第三至第六的四条光束入射到所述楔角棱镜的位置构成一个矩形的四个顶点，其中所述第三和第五光束的入射位置构成所述矩形的一侧的两个顶点，所述第四和第六光束的入射位置构成所述矩形的另一侧的两个顶点，相位检测装置接收激光源的参考信号和从所述光干涉装置输入的第二光束，根据两个分量的相位差的变化量计算输出被测件的直线度。
所述激光源产生第一光束和参考信号，第一光束包含两个分量，所述两个分量具有不同的频率并且线偏振方向相互正交，所述参考信号的频率对应于所述两个分量的频率差。
所述激光源产生第一光束，第一光束通过所述光干涉装置产生两个不同频率的线偏振分量，所述两个分量的线偏振方向相互正交，所述激光源给相位检测装置提供的参考信号为基准信号。
所述光干涉装置包括偏振分光棱镜、四分之一波片、角隅棱镜，偏振分光棱镜从第一面接收第一光束，将该第一光束分解为相互平行且正交的第七光束和第八光束从第二面射出，第七光束和第八光束入射到四分之一波片上出射为第三光束和第四光束，第三光束和第四光束经过楔角棱镜入射到光反射装置，经过光发射装置反射后依次经楔角棱镜、 四分之一波片入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后从第三面射出第九光束， 该第九光束经角隅棱镜反射为与该第九光束平行且不在同一高度上的第十光束，该第十光束经第三面入射到该偏振分光镜，该偏振分光棱镜将该第十光束分解为相互平行且正交的第十一光束和第十二光束从第二面射出，该四分之一波片接收第十一光束和第十二光束射出第五光束和第六光束，该第五光束和第六光束经楔角棱镜入射到光反射装置上，经该光反射装置反射后依次经过楔角棱镜、四分之一波片从第二面入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后以合成的第二光束从第一面射出。所述第二面、四分之一波片、楔角棱镜和楔角反射镜的中心轴线平行或位于同一直线上，并且该四分之一波片位于该偏振分光棱镜和该楔角棱镜之间；该角隅棱镜和第三面的中心轴线平行或位于同一直线上；该第一面和第三面沿该偏振分光棱镜的中心轴线对称。所述偏振分光棱镜由两块直角棱镜沿一直角边粘合而成，在胶合面上镀有一层偏振分光膜，在该偏振分光膜上进行光的合并与分束。
所述相位检测装置包括起偏器，混合该第二光束的两个正交分量并产生第十三光束；光电检测器，接收所述第十三光束并产生电测量信号；相位计接收电测量信号和电参考信号并计算输出被测件的直线度。
所述楔角棱镜为双面楔角或者单面楔角，所述光反射装置为与楔角棱镜配套的楔角反射镜，所述单面楔角棱镜的楔角为1°，所述楔角反射镜的楔角为接近单面楔角棱镜的楔角的一半。
本发明的有益效果在于本发明用于位移直线度测量的激光干涉系统，系统所需光学器件少、结构简单、使用方便、便于生产和加工、成本较低。此外，由于光路结构对两个频率分量对称，当温度或者机械变化对光学元件产生各种影响时，都将同时作用于两个光频率分量，不会引起它们之间相位差的变化，从而降低了产生误差的可能性，所以系统稳定、分辨率高，完全可以达到高精度的测量指标，特别适用于几何量精密测量和计量基准的建立，其中包括军工、航天等精密基准计量、各种数控机床和三坐标测量仪的定位或校准、 光栅刻划工作台及各种测量定位工作台的定位测量等。
图1为本发明用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1结构示意图；图2为本发明用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1的光路平面展开示意图； 图3为本发明用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1的空间四对称光路的剖面图；图4为本发明用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例1的空间四对称光路的截面图；图5为本发明用于位移直线度测量的激光干涉系统实施例2结构示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个较佳实施例的激光干涉系统的结构示意图，包括激光源1、 光干涉装置100、楔角棱镜10、光反射装置11、相位检测装置110。
其中该光干涉装置100包括偏振分光棱镜2、四分之一波片9、角隅棱镜8。相位检测装置包括偏振器12、光电检测器13和相位计14。
激光源1采用双频激光，激光源1 一方面对偏振分光棱镜2提供频率稳定的入射光束15，该光束含有两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量，同时也对相位计14给出一个稳定的正弦电参考信号68，该参考信号68的频率等于激光源1的两个分量的频率差。
偏振分光棱镜2位于激光源1所产生的入射光束的光路上。偏振分光棱镜2例如由两块直角棱镜粘合而成，在粘合面镀有一层偏振分光膜，棱镜面4和棱镜面6的合适区域均镀有增透膜，粘合面等效于偏振分光镜故称为偏振分光面3，与偏振分光面3对称的棱镜面4和棱镜面5的合适区域镀有反射膜，其作用是使从棱镜面4入射的并由偏振分光面3 分开的偏振方向相互正交的两束光束经棱镜面4和棱镜面5的反射后从棱镜面6出射，在角隅棱镜8、楔角反射镜11和四分之一波片9的共同作用下，光束两次通过楔角棱镜10，最后反射回棱镜面6并通过偏振分光面3合成一路，从棱镜面4出射。
四分之一波片9位于棱镜面6的一侧且与其平行，其作用是将两次通过四分之一波片9的光束转化成圆偏振光束，或者反过来将两次通过四分之一波片的圆偏振光转化成线偏振光。
角隅棱镜8设置在棱镜面5的一侧且其轴线与棱镜面5垂直。角隅棱镜8和棱镜面5的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。角隅棱镜8将从棱镜面5出射的光束反射回去，而且入射光束与反射光束相互平行且不在一个高度上。
楔角棱镜10和光反射装置11依次设置在四分之一波片9的后面，且均与棱镜面 6平行；楔角棱镜10用于折射从楔角棱镜10前后入射的偏振光束，而且两次入射到楔角棱镜10前表面和两次由光反射装置11返回到楔角棱镜10前表面的四个偏振光束构成重合的矩形，且呈左右分布，即位于同一侧的光束源自同一光束，具有相同的频率(如位于其中一侧的光束22、光束55、光束22A、光束55A源自一个光束，以及位于另外一侧的光束23、光束M、光束23 A、光束M A源自另一光束)。楔角棱镜10随被测件移动，当被测件发生偏移时，使得通过楔角棱镜10的光学路径发生变化，从而引起被测光程差的变化；光反射装置11为固定设置，其作用是反射来自楔角棱镜10的光束。需要指出的是，在本说明书中， 正方形被视为矩形的一个特例。
起偏器12与棱镜面4平行设置，其作用是使从棱镜面4出射的两正交光束中与起偏器12的偏振轴同一方向的正交分量通过，从而形成干涉光束。
光电检测器13接收来自起偏器12的光束并产生电测量信号输入相位计14，相位计14用来测量上述电测量信号和前述电参考信号之间的相位差，该相位差的变化与因楔角棱镜10的偏移引起的光程差成正比。
虽然图1中的楔角棱镜为单面楔角棱镜，但本发明并没有对此做出限定，该楔角棱镜同样可以例如为双面楔角棱镜。
在图1所示的较佳实施例中，光反射装置11可以为但不限于楔角反射镜。
在图1所示的较佳实施例中，当楔角棱镜为单面楔角棱镜时，楔角反射镜的楔角约为单面楔角棱镜楔角的二分之一；当该楔角棱角为双面楔角棱镜时，楔角反射镜的楔角约为双面楔角棱镜的楔角的四分之一。
在图1所示的较佳实施例中，单面楔角棱镜的楔角优选为1°，此时楔角反射镜的楔角接近为0.5°。
图2为根据本发明一个较佳实施例的激光干涉系统的光路平面展开示意图。
来自激光源1的光束15从棱镜面4入射到偏振分光棱镜2，并且同时提供电参考信号68到相位计14。偏振分光棱镜2的偏振分光面3镀有偏振分光膜，将两束偏振方向相互正交的平行入射面的P光16和垂直入射面的s光17分开。两光束经过棱镜面4和棱镜面5反射后，从棱镜面6射出偏振分光棱镜2，即光束20和21。
光束20和21经过四分之一波片9后分别转化成圆偏振光束22和23，光束22和 23经过楔角棱镜10的70A和70B折射成为光束M和25，经过70C和70D折射出来形成光束沈和27。光束沈和27被楔角反射镜11的面71A和71B反射后得到光束26A和27A， 经过70C和70D折射后进入楔角棱镜10形成光束24A和25A，经过70A和70B折射出来形成光束22A和23A。光束22A和23A再次经过四分之一波片9后转化成偏振方向与原入射光束20和21相互正交的线偏振光28和四，光束28和四进入偏振分光棱镜2，经棱镜面 4和棱镜面5反射后，在偏振分光面3合并成光束32。
光束32射出偏振分光棱镜2后被角隅棱镜8反射后成为光束35，由于角隅棱镜8 的特性，光束32和光束35相互平行，但不在一个高度。
光束35再次入射偏振分光棱镜2，在偏振分光面3上分成两束偏振方向相互垂直的光束51和50，它们分别源于入射光束20和21。光束51和50经棱镜面4和棱镜面5反射后成为光束53和52出射偏振分光棱镜2，然后经过四分之一波片9成为光束55和54， 再次入射楔角棱镜前表面，它们和第一次入射楔角棱镜前表面的光束22和23共同构成正四方形，而且左右分布，即每一侧对称分布，即同一侧的两路光束为同一频率。光束55和M 经过楔角棱镜10的面70A和70B折射成为光束57和56，经过面70C和70D折射出来形成光束59和58，被楔角反射镜11的面7IA和7IB反射后得到光束59A和58A(其中面7IA和 71B分别垂直于光束59A和58A)，经过面70C和70D折射后进入楔角棱镜10，形成光束57A 和56A，经过面70A和70B折射出来形成光束55A和54A，它们和第一次回到楔角棱镜前表面的光束22A和23A也共同构成矩形，并与由光束22、23、55和M构成的矩形重合。光束 55A和54A再次经过四分之一波片9后转化成偏振方向与原入射光束52和53相互正交的线偏振光61和60，光束61和60进入偏振分光棱镜2，经棱镜面4和棱镜面5反射后，到达偏振分光面3，经过透射和反射后，合并成光束64。光束64通过起偏器12后由光电检测器 13接收，成为电测量信号67，与电参考信号68 —同进入相位计14，以便测量正弦电测量信号和正弦电参考信号之间的相位差。
下面将利用参考图3和图4来描述相位差的具体计算过程。
所谓双频激光干涉仪，是指采用两束频率不同并且偏振方向正交的激光束来形成干涉效应的干涉仪。这两束激光束分别经过干涉仪不同的干涉臂，从而在返回光束中携带有不同的光学相位信息，当两束激光再度会合时，将形成拍频干涉测量光信号，令其与来自激光源的参考信号进行相位比较，则可得到相位差Δ φ和两干涉臂之间光程差U的下列线性关系
权利要求
1.一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，包括激光源、相位检测装置、光干涉装置、楔角棱镜、光反射装置，激光源产生第一光束入射到光干涉装置，同时产生参考信号到相位检测装置，光干涉装置位于楔角棱镜一侧，在楔角棱镜与激光源之间，光反射装置位于楔角棱镜的另一侧，楔角棱镜随被测件一起运动，所述光干涉装置接收激光源产生的第一光束后，产生平行入射到楔角棱镜的第三和第四光束，第三和第四光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射路径相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述返回的第三和第四光束分别再次产生平行入射到所述楔角棱镜的第五光束和第六光束，第五光束和第六光束依次经过楔角棱镜和光反射装置沿与入射相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从返回的所述第五光束和第六光束产生所述第二光束进入相位检测装置，所述第三至第六的四条光束入射到所述楔角棱镜的位置构成一个矩形的四个顶点，其中所述第三和第五光束的入射位置构成所述矩形的一侧的两个顶点，所述第四和第六光束的入射位置构成所述矩形的另一侧的两个顶点，相位检测装置接收激光源的参考信号和从所述光干涉装置输入的第二光束，根据两个分量的相位差的变化量计算输出被测件的直线度。
2.根据权利要求1所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述激光源产生第一光束和参考信号，第一光束包含两个分量，所述两个分量具有不同的频率并且线偏振方向相互正交，所述参考信号的频率对应于所述两个分量的频率差。
3.根据权利要求1所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述激光源产生第一光束，第一光束通过所述光干涉装置产生两个不同频率的线偏振分量，所述两个分量的线偏振方向相互正交，所述激光源给相位检测装置提供的参考信号为基准信号。
4.根据权利要求1所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述光干涉装置包括偏振分光棱镜、四分之一波片、角隅棱镜，偏振分光棱镜从第一面接收第一光束将该第一光束分解为相互平行且正交的第七光束和第八光束从第二面射出，第七光束和第八光束入射到四分之一波片上出射为第三光束和第四光束，第三光束和第四光束经过楔角棱镜入射到光反射装置，经过光发射装置反射后依次经楔角棱镜、四分之一波片入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后从第三面射出第九光束，该第九光束经角隅棱镜反射为与该第九光束平行且不在同一高度上的第十光束，该第十光束经第三面入射到该偏振分光镜，该偏振分光棱镜将该第十光束分解为相互平行且正交的第十一光束和第十二光束从第二面射出，该四分之一波片接收第十一光束和第十二光束射出第五光束和第六光束，该第五光束和第六光束经楔角棱镜入射到光反射装置上，经该光反射装置反射后依次经过楔角棱镜、四分之一波片从第二面入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后以合成的第二光束从第一面射出。
5.根据权利要求4所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述第二面、四分之一波片、楔角棱镜和楔角反射镜的中心轴线平行或位于同一直线上，并且该四分之一波片位于该偏振分光棱镜和该楔角棱镜之间；该角隅棱镜和第三面的中心轴线平行或位于同一直线上；该第一面和第三面沿该偏振分光棱镜的中心轴线对称。
6.根据权利要求4所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜由两块直角棱镜沿一直角边粘合而成，在胶合面上镀有一层偏振分光膜，在该偏振分光膜上进行光的合并与分束。
7.根据权利要求1所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述相位检测装置包括起偏器，混合该第二光束的两个正交分量并产生第十三光束；光电检测器， 接收所述第十三光束并产生电测量信号；相位计接收电测量信号和电参考信号并计算输出被测件的位移直线度。
8.根据权利要求1所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述楔角棱镜为双面楔角或者单面楔角。
9.根据权利要求7所述用于位移直线度测量的激光干涉系统，其特征在于，所述光反射装置为与楔角棱镜配套的楔角反射镜，所述单面楔角棱镜的楔角为1°，所述楔角反射镜的楔角接近单面楔角棱镜的楔角的一半。
全文摘要
本发明涉及一种用于位移直线度测量的激光干涉系统，包含激光源、随被测件一起运动的楔角棱镜、位于该楔角棱镜一侧的光反射装置、位于所述楔角棱镜的另一侧与所述激光源之间的光干涉装置以及相位检测装置。其中，激光源产生频率稳定的入射光束，入射光束在光干涉装置的作用下，两次通过楔角棱镜，并相应两次被楔角和光反射装置反射，最后被输入相位检测装置，以相位差的变化量确定被测件的直线度。本发明的优点是结构简单、测量精度高，可广泛应用于军工、航天及数控机床等领域的几何量精密测量和计量基准的建立。
文档编号G01B11/26GK102506764SQ20111031075
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月14日 优先权日2011年10月14日
发明者乐燕芬, 侯文玫, 句爱松 申请人:上海理工大学