CN100570276C - 二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置，包括：双频激光器光源、依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的望远镜、分光镜，平行分光镜、第一个及第二个二维渥拉斯顿棱镜和二维直角棱镜，第二个二维渥拉斯顿棱镜和第一个二维渥拉斯顿棱镜还依次位于从二维直角棱镜反射后返回光的光路上，在该返回光的光路上在第一个二维渥拉斯顿棱镜之后还依次设置有第二检偏器和第二光电接收器、第三检偏器和第三光电接收器；分光镜参考光路上设置有第一检偏器和第一光电接收器，以及与三个光电接收器相连的双路信号处理单元和显示单元。本发明缩短了测量时间，提高了安装精度，可以更精确地评价被测物体的直线度/同轴度误差状况。

Description

二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置

技术领域

本发明涉及激光精密测量技术，尤其涉及一种应用激光进行高精度准直测量技术。

背景技术

直线度的测量是几何计量领域中最基本的计量项目之一，长距离直线度测量在导轨的安装准直、大型仪器的安装定位、精密仪器制造与检测、大尺寸测量、军工产品制造等领域有着广泛的应用。许多工程中要求对多组轴、孔的同轴度测量，要求测量能断续进行，相对于直线度，同轴度测量提出了更高的要求。

清华大学殷纯永等人提出一种利用横向赛曼双频激光器测量直线度/同轴度的方法，利用一维直线度/同轴度干涉仪分别进行水平方向和垂直方向直线度/同轴度的测量，在进行水平方向测量和垂直方向测量切换时，需要将构成干涉仪的两个渥拉斯顿棱镜和直角棱镜旋转90度。该方法的测量范围达到30m。

该方法的实现装置如图1所示，包括：横向赛曼稳频双频激光器光源101、望远镜102、分光镜103、可转动90度的活动套筒106、一对玻璃光楔(图中未示出)、第一、第二渥拉斯顿棱镜107、108和直角棱镜109，分别设置在该分光镜103的反射光路和渥拉斯顿棱镜107返回光路上的第一检偏器104和第一光电接收器105、第二检偏器110和第二光电接收器111，以及与两个光电接收器相连的由信号放大电路、相位器112和计算机113构成的信号处理单元。

所说的光源采用横向赛曼激光器，直接出射两个相互正交的线偏振光；所说的两个渥拉斯顿棱镜107和108，其分束角完全相同；所说的一对光楔(图中未示出)安装在第一渥拉斯顿棱镜的两个端面上，调节它们可以校正从第一渥拉斯顿棱镜107出射的两束光(两束光未完全分开)相对于原入射光的不对称；所说的第二检偏器110和第二光电接收器111固定在活动套筒106上，可以与活动套筒106一同转动，光束通过活动套筒106的非中心小孔可以被第二光电接收器111接收；所说的激光源101、望远镜102、分光镜103、活动套筒106、检偏器104和110、光电接收器105和112都安装在一个底座(图中未示出)上，构成激光头。

上述装置的工作过程为：正交偏振光先经过分光镜103，将入射光分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。参考光经过第一检偏器104进行合成，由第一光电接收器105接收转换成交流电信号，即参考信号。测量光先通过第一渥拉斯顿棱镜107后，分开一小角度，再通过第二渥拉斯顿棱镜108后，变成两束平行光，经直角棱镜109反射后，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜108和第一渥拉斯顿棱镜107，又变成一束光，经过第二检偏器110进行合成，由第二光电接收器111接收转换成交流电信号，即测量信号。第一渥拉斯顿棱镜107或第二渥拉斯顿棱镜108的垂直于光路方向的移动会使测量信号相对于参考信号间的相位发生变化，用相位器112将参考信号和测量信号进行相位比较，将结果送到计算机113进行数据处理，就可得到第一渥拉斯顿棱镜107或第二渥拉斯顿棱镜108的移动量。

若将第二渥拉斯顿棱镜108和直角棱镜109放于导轨一端，激光头放于另一端，调整光路使之平行于导轨，使第一渥拉斯顿棱镜107沿导轨移动，即可测得导轨的水平或垂直方向上的直线度偏差，将第一渥拉斯顿棱镜107装在特定的靶子上即可用于同轴度测量。

该方法的测量原理为：为了实现断续测量，在量程范围内产生的光程差变化不能超过一个波长，信号相位的变化必须在±180°内，这样就必须对测量范围和分辨率作统一考虑。取测量信号和参考信号相位变化0.1°对应W1横向移动1μm，这样对渥拉斯顿棱镜107和108来说：

式中：λ：激光波长

      θ：渥拉斯顿棱镜107和108的两出射光之间的夹角

      C：相位卡计数器的累加数

根据设计，有S＝1μm，λ＝0.6328μm，C＝0.1°得：

θ/2＝0.0025°

再根据                sin(θ/2)＝(n₀-n_e)tgβ

得渥拉斯顿棱镜的楔角：β＝0.28°

信号相位每变化0.1°对应渥拉斯顿棱镜107或108横向移动1μm，信号一个周期±180°就代表W1移动±1.8mm，这个测量范围在通常的直线度/同轴度测量中是足够的。在测量相位时，由于信号不会跨越一个周期，保证了读数的单值性，而且相位测量是状态测量，渥拉斯顿棱镜移出光路，再放回光路中，测量还能继续进行，因而可用于同轴度的测量。

按上述参数，两光束分开角度θ≈0.005°，可计算得在30m处两光束中心分开约2.6mm，光斑本身直径约为8mm左右，因而在30m内两光束中心间距小于光斑半径，此时两光束波前倾斜相关性大于0.9，对空气扰动有较强的抵抗力。对于更长距离的测量要求，可以重新设计渥拉斯顿棱镜的楔角，减小两光束的分开角度，这样增大了位移当量，降低了灵敏度，可获得更好的测量效果。

采用该装置进行直线度/同轴度测量方法包括以下步骤：

1、采用低频差横向赛曼激光器做光源101，该激光器输出两个正交的线偏振光，它们的频差很低，约为240KHz；

2、该相互正交的线偏振光通过望远镜102准直扩束后，通过一个分光镜103后分成两部分光；

3、第一部分光经过第一检偏器104进行合成，由第一光电接收器105接收形成参考信号；

4、第二部分光经过活动套筒106的中心小孔射出，通过第一渥拉斯顿棱镜107后，这束光含有两种频率、偏振方向正交的光分成夹有一小角度的两束光，再通过第二渥拉斯顿棱镜108后，变成两束平行光，这两束光没有完全分开；

5、该两束平行光被直角棱镜109反射后，反射光束和入射光束平行，再依次通过渥拉斯顿棱镜108、107后又变成一束光；

6、该束光经过活动套筒106的非中心小孔射出，经过第二检偏器110进行合成，由第二光电接收器111接收形成测量信号；

7、该测量信号和第4步骤所说的参考信号被送入相位器112进行相位比较，得到该测量信号和参考信号的相位差。当渥拉斯顿棱镜107或108在水平面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即水平方向的直线度；

8、将直角棱镜绕入射光路轴线旋转90度，此时被直角棱镜109反射的光束也相对于原位置转过了90度，接着再将渥拉斯顿棱镜108、107也旋转90度，使反射光束通过它们射出，然后将固定有第二检偏器110和第二光电接收器111的活动套筒106旋转90度，使反射光仍能通过活动套筒106的非中心小孔，被第二光电接收器111接收。此时当渥拉斯顿棱镜107或108在竖直面内沿着垂直于光线传播方向有移动时，此相位差的变化就反映了移动量，即垂直方向的直线度；

9、将渥拉斯顿棱镜107或108装在测量同轴度的靶子上，将靶子装在被测孔中，按前述方法分别测出各点的水平方向和垂直方向上的偏差，最后将其合成起来，即得到孔的同轴度偏差测量结果。

该方法的直线度/同轴度测量范围为1.8mm，分辨率0.1μm。该方法的步骤8要求将直角棱镜109、渥拉斯顿棱镜107或108和活动套筒106都手动旋转90度，一来说明不能同时测量水平方向直线度和垂直方向直线度/同轴度，需要测量两趟，比较费时，而且两趟测量设置的起始位置会存在微小差异，所以测量得到的水平和垂直直线度/同轴度不是对应于相同的一系列位置。这样将两个方向的直线度/同轴度合成以评价其综合的直线度/同轴度时，就存在误差。二来手动旋转存在误差，无法保证角度转动的一致性，这样就会因为安装位置不理想又引入了新的测量误差。

发明内容

为了克服现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种新型的二维横向赛曼双频激光直线度/同轴度测量装置，可以同时获得渥拉斯顿棱镜在水平面和竖直面内沿垂直于光线传播方向移动时产生的相位差，进而就可以同时得到水平方向和垂直方向的直线度/同轴度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用二维渥拉斯顿棱镜代替普通渥拉斯顿棱镜、二维直角棱镜代替普通直角棱镜、双接收器和双路相位处理卡代替可旋转的活动套筒和单路相位处理卡，然后在双频激光出射的光路前端增加一个平行分光镜，把光分成两束分别通过二维渥拉斯顿棱镜的水平轴和垂直轴。

本发明二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置，包括：双频激光器光源、依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的望远镜、分光镜，平行分光镜、第一个二维渥拉斯顿棱镜、第二个二维渥拉斯顿棱镜和二维直角棱镜，第二个二维渥拉斯顿棱镜和第一个二维渥拉斯顿棱镜还依次位于从二维直角棱镜反射后返回光的光路上，在该返回光的光路上在第一个二维渥拉斯顿棱镜之后还依次设置有第二检偏器和第二光电接收器、第三检偏器和第三光电接收器；该分光镜的参考光路上设置有第一检偏器和第一光电接收器，以及与三个光电接收器相连的双路信号处理单元和显示单元。

所述的第一个和第二个二维渥拉斯顿棱镜的结构和参数完全相同，都由两个分束角相同的渥拉斯顿棱镜组成，成十字交叉状放置，两个棱镜的分光方向相互垂直，并可作为整体移动或旋转，两个棱镜的中心部分相互遮挡，两端剩余部分都足以让激光光束通过。

所述的二维直角棱镜由两个光轴相互垂直的直角棱镜组成，成十字交叉状放置，其中心部分相互遮挡，两端剩余部分都足以让激光光束通过。

所说的平行分光镜是由一个斜方棱镜与一个直角棱镜胶合而成，其作用是把一束入射光分开成两束相互平行的出射光，且在空间上错开一个距离。

本发明的测量原理及渥拉斯顿棱镜的参数设计同已有的横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置。

本发明的有益效果是，本发明采用二维光学元件代替一维光学元件，使得水平方向和垂直方向的直线度装置的安装调试和测量一次完成，缩短了测量时间，提高了安装精度，测量出来的水平方向和垂直方向直线度/同轴度是对应于同一个测量点的，可以直接矢量合成得到综合的直线度/同轴度，可以更精确地评价被测物体的直线度/同轴度误差状况。由激光源、望远镜、分光镜、第一检偏器和第一光电接收器构成的激光头结构简单，仪器尺寸小。激光光源的稳频精度高，长距离漂移的偏差小。

附图说明

图1为已有的一维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置结构示意图。

图2为本发明二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置的一种实施例的结构示意图，可用来测量直线度或长孔的同轴度。

图3为图2所示的二维直角棱镜采用金字塔形状的棱镜的结构示意图。

图4为图2所示的二维直角棱镜采用正方体玻璃和四个直角棱镜的结构示意图。

图5为本发明二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置的另一种实施例的结构示意图，可用其测量导轨的直线度。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步说明。

图2为本发明二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置的一种实施例的结构示意图。该装置的双频激光器201采用横向赛曼激光器，直接出射两个相互正交的线偏振光，两个不同频率的线偏振分量，方向分别为水平和垂直方向，并且都垂直于光线方向。依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的有望远镜202和分光镜203，分光镜为中性非偏振分光镜；平行分光镜206，由一个斜方棱镜与一个直角棱镜胶合而成，胶合用的直角棱镜斜面上镀50％分光膜，斜方棱镜的一个斜面镀50％分光膜，并与直角棱镜的斜面胶合，另一个斜面镀金属全反射膜，使其把一束入射光分开成两束相互平行的出射光，且在空间上错开一个距离；第一对玻璃光楔(图中未示出)，分别安装在平行分光镜206的两个出射光端面上，调节它们可以保证两束出射光相互平行；第一个二维渥拉斯顿棱镜207，由两个分束角相同的渥拉斯顿棱镜组成，成十字交叉状放置，通过机械设计保证两个棱镜的分光方向相互垂直，并可作为整体移动或旋转，两个棱镜的中心部分相互遮挡，两端剩余部分都足以让激光光束通过，两个渥拉斯顿棱镜中楔角和分光方向在水平面内的称为水平渥拉斯顿棱镜，楔角和分光方向在垂直面内的称为垂直渥拉斯顿棱镜；第二、第三对玻璃光楔(图中未示出)，分别安装在第一个二维渥拉斯顿棱镜207的四个端面上，调节它们可以校正从第一个二维渥拉斯顿棱镜207出射的四束光相对于原入射光的不对称，保证其分束角完全相同；第二个二维渥拉斯顿棱镜208，其结构和参数与第一个二维渥拉斯顿棱镜207的完全相同；二维直角棱镜209，由两个光轴相互垂直的直角棱镜组成，成十字交叉状放置，其中心部分相互遮挡，两端剩余部分都足以让激光光束通过，两个直角棱镜中反射光和入射光在一个水平面内的称为水平直角棱镜，反射光和入射光在一个竖直面内的称为垂直直角棱镜。设置在分光镜203与第一个二维渥拉斯顿棱镜207之间的第二检偏器210和第二光电接收器211以及第三检偏器212和第三光电接收器213，用来接收返回光。在分光镜203的反射光路上设置有第一检偏器204和第一光电接收器205。与三个光电接收器相连的双路信号处理卡214和显示单元215相连。

双路信号处理卡214由信号放大电路、双路相位器和数据处理器构成。

双频激光器201、望远镜202、分光镜203、第一检偏器204和第一光电接收器205均安装在一个底座(图中未示出)上，构成激光头。

第二检偏器210和第三检偏器212、第二光电接收器211和第三光电接收器213均安装在一个底座(图中未示出)上，构成一个双路接收器。

该装置的工作过程：正交偏振光先经过分光镜203，将入射光分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。参考光经过第一检偏器204进行合成，由第一光电接收器205接收转换成交流电信号，即参考信号。测量光先通过平行分光镜206，分成两束平行光，再分别通过第一个二维渥拉斯顿棱镜207的水平方向和垂直方向的两个渥拉斯顿棱镜后，各分开一小角度，再通过第二个二维渥拉斯顿棱镜208后，各变成两束平行光，分别入射到二维直角棱镜209的水平和垂直方向反射棱镜上，反射后再依次通过第二个二维渥拉斯顿棱镜208和第一个二维渥拉斯顿棱镜207，得到两束平行光，分别经过第二检偏器210及第三检偏器212合成和第二光电接收器211及第三光电接收器213接收转换成交流电信号，即水平方向和垂直方向测量信号。第一个二维渥拉斯顿棱镜207或第二个二维渥拉斯顿棱镜208的在竖直面内和水平面内垂直于光路方向的移动会使测量信号相对于参考信号间的相位发生变化，用相位器将参考信号和两路测量信号进行相位比较，将结果送到双路信号处理卡214进行数据处理，就可得到第一个二维渥拉斯顿棱镜207或第二个二维渥拉斯顿棱镜208的移动量。

若将第二个二维渥拉斯顿棱镜208和二维直角棱镜209放于导轨(图中未示出)一端，激光头放于另一端，调整光路使之平行于导轨，使第一个二维渥拉斯顿棱镜207沿导轨移动，即可同时测得导轨的水平和垂直方向上的直线度偏差，将第一个渥拉斯顿棱镜207装在特定的靶子上即可用于同轴度测量。

图2所示的结构可用来测量直线度或测量长孔的同轴度。

一、测量直线度的测量过程如下：

1、由双频激光器201发出的正交双频激光通过望远镜202准直扩束，作为入射光被分光镜203分为反射光和透射光两部分。反射光经过第一检偏器204发生干涉，形成参考拍频信号，其相位在测量过程中不发生变化。这部分光路称为参考光路。

2、透射光经平行分光镜206分开成相互平行的两束光，平行分光镜206的分光面与竖直面成45度夹角，这样出射的两束光在水平方向和垂直方向都分开一定距离。

3、这两束光中的一束通过第一个二维渥拉斯顿棱镜207中的水平渥拉斯顿棱镜，两个频率分量的光被分开一个小的夹角，再经过第二个二维渥拉斯顿棱镜208中的水平渥拉斯顿棱镜，变成两束平行光，这两束光没有完全分开。再经二维直角棱镜209中的垂直直角棱镜反射后返回，再次通过二维渥拉斯顿棱镜208、207中的水平渥拉斯顿棱镜，合成一束光，经过第二检偏器210合成后被第二光电接收器211转换成水平直线度拍频信号，当第一个二维渥拉斯顿棱镜207沿导轨移动时，测量拍频信号的相位变化就对应于导轨水平方向的直线度变化。

4、同理，这两束光中的另外一束将通过第一个二维渥拉斯顿棱镜207中的垂直渥拉斯顿棱镜，两个频率分量的光被分开一个小的夹角，再经过第二个二维渥拉斯顿棱镜208中的垂直渥拉斯顿棱镜，变成两束平行光，这两束光没有完全分开。再经二维直角棱镜209中的水平直角棱镜反射后返回，再次通过二维渥拉斯顿棱镜208、207中的垂直渥拉斯顿棱镜，合成一束光，经过第三检偏器212合成后被第三光电接收器213转换成垂直直线度拍频信号，当第一个二维渥拉斯顿棱镜207沿导轨移动时，测量拍频信号的相位变化就对应于导轨垂直方向的直线度变化。

5、步骤3、4中得到的两个测量信号和步骤1所述的参考信号被送入双路相位器进行相位比较，双路相位器具有同步锁存功能，可以同时记录两路测量信号与参考信号的相位差，由双路信号处理卡214计算得到这两个相位差。

6、当第一个二维渥拉斯顿棱镜207所在的平台沿导轨移动时，相位差发生变化，其变化就直接反映了导轨的水平和垂直直线度。测出平台在各个位置时两路测量信号相对于参考信号的相位差，经过双路信号处理卡214处理后就得到了这个导轨水平和垂直方向上的直线度偏差。

二、测量长孔同轴度：

其结构是将图2中的激光头放于被测长孔的一端，将二维直角棱镜209和第二个二维渥拉斯顿棱镜208放置于被测长孔的另一端，测量此长孔同轴度的靶子外径和长孔的内径相等，第一个二维渥拉斯顿棱镜207被镶嵌在靶子正中，靶子放在被测长孔中并能沿长孔移动。

其测量方法如下：

1、同上述“一”项中的步骤1-5，由双路信号处理卡214计算得到水平方向和垂直方向的两路相位差。

2、当装有第一个二维渥拉斯顿棱镜207的靶子在被测长孔中移动时，相位差发生变化，其变化就直接反映了长孔的水平和垂直方向同轴度。测出靶子在各个位置时两路测量信号相对于参考信号的相位差，经过双路信号处理卡214处理后就得到了长孔水平和垂直方向上的同轴度偏差。

图3和图4分别示出二维直角棱镜209还可以采用的两种结构示意图。图3是采用金字塔形状的棱镜，其底面是一个正方形，相对的两个侧面相互垂直。图4所示的二维直角棱镜209由一块正方体玻璃和四个直角棱镜胶合而成，四个直角棱镜的斜面镀有反射膜，如图4中箭头所指的斜面。

图5为本发明二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置的另一种实施例的结构示意图，可用来测量导轨的直线度。

在结构上，与图2所示结构的区别仅在于，通过使用4个楔角相同的固定块(图中未示出)，使其中的平行分光镜206，第一个、第二个二维渥拉斯顿棱镜207、208，二维直角棱镜209和第二、第三检偏器210、212，第二、第三光电接收器211、213都绕光轴逆时针旋转了一个θ角放置。

其测量过程如下：

1、同上述“一”项中的步骤1-5，由双路信号处理卡214计算得到两路相位差

和

它们可以转换成水平方向直线度

和垂直方向直线度

即

2、当装有第一个二维渥拉斯顿棱镜207的平台在导轨上移动时，相位差发生变化，其变化就可以转换成导轨的水平和垂直方向直线度。测出平台在各个位置时两路测量信号相对于参考信号的相位差，经过双路信号处理卡214处理后就得到了导轨水平和垂直方向上的直线度误差。

Claims (9)

1、二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置，包括：双频激光器光源、依次设置在该激光器发射端的光路轴线上的望远镜、分光镜，其特征在于，其后在分光镜的测量光路上还依次设置有平行分光镜、第一个二维渥拉斯顿棱镜、第二个二维渥拉斯顿棱镜和二维直角棱镜，所述第二个二维渥拉斯顿棱镜和第一个二维渥拉斯顿棱镜还依次位于从二维直角棱镜反射后返回光的光路上，在该返回光的光路上在第一个二维渥拉斯顿棱镜之后还依次设置有第二检偏器和第二光电接收器、第三检偏器和第三光电接收器；该分光镜的参考光路上设置有第一检偏器和第一光电接收器，以及与三个光电接收器相连的双路信号处理单元和显示单元。

2、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的第一个二维渥拉斯顿棱镜，由两个分束角完全相同的渥拉斯顿棱镜组成，成十字交叉状放置，两个渥拉斯顿棱镜的分光方向相互垂直，并作为整体移动或旋转，两个渥拉斯顿棱镜的中心部分相互遮挡，两端剩余的部分都足以让激光光束通过；所述的第二个二维渥拉斯顿的结构和参数与第一个二维渥拉斯顿棱镜的完全相同。

3、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的二维直角棱镜由两个光轴相互垂直的直角棱镜组成，成十字交叉状放置，其中心部分相互遮挡，两端剩余部分都足以让激光光束通过。

4、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的二维直角棱镜采用一个金字塔形状的棱镜，其底面是一个正方形，相对的两个侧面相互垂直。

5、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的二维直角棱镜采用一块正方体玻璃和斜面镀有反射膜的四个直角棱镜胶合而成。

6、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的平行分光镜由一个斜方棱镜与一个直角棱镜胶合而成，能将入射光分成互相平行的两束光出射，并分别通过两个二维渥拉斯顿棱镜入射到二维直角棱镜，反射返回。

7、根据权利要求6所述的测量装置，其特征在于，所述的平行分光镜的胶合用的直角棱镜斜面上镀50％分光膜，斜方棱镜一个斜面镀50％分光膜，并与直角棱镜的斜面胶合，另一个斜面镀金属全反射膜，使其把一束入射光分开成两束相互平行的出射光，且在空间上错开一个距离。

8、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的双路信号处理单元由信号放大电路、双路相位器和数据处理器构成，结合所采用的第二检偏器及第二光电接收器和第三检偏器及第三光电接收器构成的双路接收器，同时采样锁存，从而同时获得水平方向和垂直方向的直线度数据。

9、根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，通过使用4个楔角相同的固定块，使在光路上的平行分光镜、第一个二维渥拉斯顿棱镜、第二个二维渥拉斯顿棱镜和二维直角棱镜共同旋转相同角度，由测量到的两个直线度数据做几何投影后，求得水平方向和垂直方向直线度。

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