CN111735391B - 双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置和方法。包含具有拍频信号输出的双频激光器和以渥拉斯顿棱镜和半透射半反射平面镜组合为测量镜的测量单元，直线度误差及位移分别采用双相位测量模式，每种相位测量模式用两个光电探测器测量，四路测量信号与双频激光器输出的参考信号一起经信号处理板和计算机处理后，同时得到被测物体的直线度误差及位移。本发明通过半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜的组合，采用双相位测量以及双正交锁相放大信号处理方法，对直线度误差及位移测量的非线性误差进行了补偿，提高了直线度误差及位移测量精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学测量设备和方法，尤其是涉及一种双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置和方法。
背景技术
激光干涉类直线度测量技术可以实现高精度的直线度误差测量，比较成功的范例是激光直线度干涉仪。现有的激光直线度干涉仪中一类是以渥拉斯顿棱镜为移动测量镜，可以避免被测物体旋转对直线度误差测量结果的影响，但其仅能实现直线度误差的测量，而无法获取直线度误差所在的位置信息；另一类是是以反射镜为移动测量镜，可以实现直线度误差及位移的同时测量，但直线度误差以及位移的测量结果受反射镜旋转影响而引入测量偏差，两类激光直线度干涉仪都存在各自的缺点。
现有技术在前期研究中以渥拉斯顿棱镜和半透射半反射平面镜为测量镜，公开了一种渥拉斯顿棱镜移动式激光干涉直线度及位移同时测量装置(申请号：201811569945.X)，在一套激光干涉装置中实现了直线度及位移的同时测量，同时利用渥拉斯顿棱镜作为测量镜对转角误差不敏感的特点，降低了被测物体转角误差对直线度误差测量结果的影响。然而，上述直线度误差或位移采用单相位测量模式，偏振非线性误差限制了测量精度的提高。
发明内容
本发明公开了一种双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置和方法，将半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组合作为测量镜，直线度误差及位移分别采用双相位测量模式，在一套激光干涉装置中实现了直线度误差及位移的同时测量，采用双相位测量以及双正交锁相放大信号处理方法，对直线度误差及位移测量结果的非线性误差进行补偿，提高了直线度误差及位移测量精度和稳定性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置：
装置包括具有拍频信号输出的双频激光器和直线度误差及位移同时测量单元，直线度误差及位移同时测量单元包括分光棱镜、四分之一波片、反射平面镜、半透射半反射平面镜、渥拉斯顿棱镜、双直角反射棱镜、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、半波片、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器；双频激光器发出两束不同频率f1和f2的正交线偏振光束到直线度误差及位移同时测量单元中，两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束到分光棱镜分光发生反射和透射；经分光棱镜反射的两束正交线偏振光束作为位移测量的参考光束，参考光束经过四分之一波片透射后变为两束圆偏振光，再经过反射平面镜后逆反回到四分之一波片透射后使得f1频率线偏振光束和f2频率线偏振光束的偏振方向均分别垂直于自身的原偏振方向，然后入射回到分光棱镜发生透射；经分光棱镜透射的两束正交线偏振光束作为测量光束，测量光束经过半透射半反射平面镜后一部分被反射作为位移测量的测量光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的测量光束；半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组成测量镜，测量镜整体移动而使位移测量的测量光束引入了多普勒频差，具体为频率f1±Δf和频率f2±Δf的正交线偏振光束，在被测量镜反射后回到分光棱镜发生反射；位移测量的参考光束和测量光束各自逆反回到分光棱镜中汇合合束，合束后再经第一偏振分光棱镜发生反射和透射而分束，反射的参考光束的频率f1偏振分量和测量光束的频率f2±Δf偏振分量发生干涉被第一光电探测器接收，透射的参考光束的频率f2偏振分量和测量光束的频率f1±Δf偏振分量发生干涉被第二光电探测器接收，获得两路180°相位差的位移测量信号；同时，直线度误差测量的测量光束经渥拉斯顿棱镜分成两束发散的含有不同多普勒频差的第一测量光束和第二测量光束，第一测量光束为频率f1±Δf1的p偏振光束，第二测量光束为频率f2±Δf2的s偏振光束；第一测量光束和第二测量光束均经双直角反射棱镜反射后返回到渥拉斯顿棱镜重新汇合合束，再经半波片后两测量光束的偏振方向均旋转45°；旋转后的两测量光束均再被第二偏振分光棱镜发生透射和反射而分束，透射的两测量光束偏振方向相同并发生干涉被第三光电探测器接收，反射的两测量光束偏振方向相同并发生干涉被第四光电探测器接收，获得两路180°相位差的直线度误差测量信号。
所述的直线度误差及位移同时测量单元中，直线度误差及位移均采用双相位测量模式，位移采用第一光电探测器和第二光电探测器测量，直线度误差采用第三光电探测器和第四光电探测器测量。
所述的直线度误差及位移同时测量单元中，半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组成的测量镜被固定安装在被测物体上，双直角反射棱镜位置固定。
所述的四分之一波片自身光轴被调整成相对于光路的光轴成45°旋转夹角，半波片自身光轴被调整成相对于光路的光轴成22.5°旋转夹角。
所述的双频激光器输出的参考信号与第三光电探测器和第四光电探测器输出的两路直线度误差测量信号一起经信号处理板双相位测量模块一进行相位测量和非线性误差补偿，得到被测物体的直线度误差，双频激光器输出的参考信号与第一光电探测器和第二光电探测器输出的两路位移测量信号一起经信号处理板双相位测量模块二进行相位测量和非线性误差补偿，得到被测物体的位移。
二、双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置的测量方法：
1)测量前，将半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组成的测量镜固定安装在被测物体上，将双直角反射棱镜固定放置；
2)测量时，将测量半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组成的测量镜从初始位置移动到当前位置，经过时间为t，移动的距离为Δz，且当前位置存在Δx的直线度误差；
位移测量的测量光束与参考光束被第一偏振分光棱镜分束后，发生干涉后分别被第一光电探测器和第二光电探测器接收，获得两路位移测量信号，频率分别表示为：
fD1＝f1-f2±Δf+ΔεD1
fD2＝f1-f2±Δf-ΔεD2
式中，ΔεD1和ΔεD2分别是第一光电探测器和第二光电探测器输出的两路位移测量信号的误差项；fD1、fD2分别表示第一光电探测器和第二光电探测器输出的两路位移测量信号的频率；Δf表示位移引起的多普勒频差；
直线度误差测量的两测量光束均被第二偏振分光棱镜分束后，发生干涉后分别被第三光电探测器和第四光电探测器接收，获得两路直线度误差测量信号，频率分别表示为：
fD3＝f1-f2±(Δf1-Δf2)+ΔεD3
fD4＝f1-f2±(Δf1-Δf2)-ΔεD4
式中，ΔεD3和ΔεD4分别是第三光电探测器和第四光电探测器接收的两路直线度误差测量信号的误差项；fD3、fD4分别表示第三光电探测器和第四光电探测器输出的两路直线度误差测量信号的频率；
3)四路测量信号与双频激光器1输出的参考信号(频率为f1-f2)进行频差计算后得到四路测量信号的频率变化，采用以下公式获得两路位移测量信号对应的位移测量值和两路直线度误差测量信号对应的两路直线度误差测量光束之间位移差测量值，分别表示为：
式中，v1为沿测量基准轴线/光轴方向的速度，v2为垂直于测量基准轴线方向的速度，λ为双频激光器发出的正交线偏振光束在空气中的中心波长，θ为渥拉斯顿棱镜分束角的一半；LD1、LD2分别表示第一光电探测器和第二光电探测器输出的两路位移测量信号对应的位移测量值，ΔLD3、ΔLD4分别表示第三光电探测器和第四光电探测器输出的两路直线度误差测量信号对应的两路直线度误差测量光束之间位移差测量值；
最终采用以下公式处理计算获得被测物体的直线度误差及位移，表示为：
直线度误差：
位移：
本发明通过半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜的组合，采用双相位测量以及双正交锁相放大信号处理方法，对直线度误差及位移测量的非线性误差进行了补偿，提高了直线度误差及位移测量精度和稳定性。
本发明具有的有益效果是：
1)本发明测量装置将半透射半反射平面镜和渥拉斯顿棱镜组合作为测量镜，直线度误差及位移分别采用双相位测量模式，在一套激光干涉装置中实现了直线度误差及位移的同时测量。
2)本发明测量装置采用双相位测量以及双正交锁相放大信号处理方法，对直线度误差及位移测量结果的非线性误差进行补偿，提高了直线度误差及位移测量精度；
3)本发明测量装置采用激光外差干涉测量技术，直线度及位移测量具有米溯源性、测量分辨率高、抗干扰能力强等优点。
本发明适用于超精密加工、微电子制造、微机电***等领域所涉及的精密导轨、精密运动工作台的直线度误差及位移的同时测量。
附图说明
图1是本发明装置的光路图。
图2是直线度及位移测量光程变化示意图。
图中：1、双频激光器，2、分光棱镜，3、四分之一波片，4、反射平面镜，5、半透射半反射平面镜，6、渥拉斯顿棱镜，7、双直角反射棱镜，8、第一偏振分光棱镜，9、第二偏振分光棱镜，10、半波片，11、第一光电探测器，12、第二光电探测器，13、第三光电探测器，14、第四光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，以激光外差干涉方法为例，本发明选择能够输出拍频信号的双频激光器1，输出具有两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束，其中f1频率线偏振光的偏振方向平行于图1中的纸面，f2频率线偏振光的偏振方向垂直于图1中的纸面，正交线偏振光束进入直线度误差及位移同时测量单元。
直线度误差及位移同时测量单元包括分光棱镜2、四分之一波片3、反射平面镜4、半透射半反射平面镜5、渥拉斯顿棱镜6、双直角反射棱镜7、第一偏振分光棱镜8、第二偏振分光棱镜9、半波片10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、第三光电探测器13和第四光电探测器14，双频激光器、分光棱镜和半透射半反射平面镜依次同光轴布置，第二光电探测器、第一偏振分光棱镜、分光棱镜、四分之一波片和反射平面镜依次同光轴布置，半波片、第二偏振分光棱镜和第三光电探测器依次同光轴布置，渥拉斯顿棱镜布置于测量半透射半反射平面镜侧方，渥拉斯顿棱镜两端分别位于双频激光器和第三光电探测器所在光轴上。其中四分之一波片3的光轴被调整成相对于纸面成45°，半波片10的光轴被调整成相对于纸面成22.5°，半透射半反射平面镜5和渥拉斯顿棱镜6组成的测量镜被安装在被测物体上，双直角反射棱镜7被固定放置在合适位置。
双频激光器1发出两束不同频率f1和f2的正交线偏振光束到直线度误差及位移同时测量单元中，然后在直线度误差及位移同时测量单元中，两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束到分光棱镜2分光均发生反射和透射；经分光棱镜2反射的频率f1和f2的两束正交线偏振光束作为位移测量的参考光束，参考光束经过四分之一波片3透射后变为两束圆偏振光，再经过反射平面镜4后逆反回到四分之一波片3透射后使得f1频率的线偏振光束和f2频率线偏振光束的偏振方向均分别垂直于自身的原偏振方向，然后入射回到分光棱镜2发生透射。经分光棱镜2透射的频率f1和f2的两束正交线偏振光束作为测量光束，测量光束经过半透射半反射平面镜5后一部分被反射作为位移测量的测量光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的测量光束。
半透射半反射平面镜5和渥拉斯顿棱镜6组成测量镜，测量镜整体移动时产生位移测量的频率改变量Δf，使得位移测量的测量光束引入了多普勒频差，具体为频率f1±Δf和频率f2±Δf的正交线偏振光束，在被测量镜反射后回到分光棱镜2发生反射；位移测量的参考光束和测量光束各自逆反回到分光棱镜2中各自分别经透射和反射后汇合合束，合束后再经第一偏振分光棱镜8发生反射和透射而分束，反射的参考光束的频率f1偏振分量和测量光束的频率f2±Δf偏振分量发生干涉被第一光电探测器11接收，透射的参考光束的频率f2偏振分量和测量光束的频率f1±Δf偏振分量发生干涉被第二光电探测器12接收，获得两路180°相位差的位移测量信号。
同时，直线度误差测量的测量光束经渥拉斯顿棱镜6分成两束发散的含有不同多普勒频差的第一测量光束和第二测量光束，第一测量光束为频率f1±Δf1的p偏振光束，第二测量光束为频率f2±Δf2的s偏振光束；第一测量光束和第二测量光束均经双直角反射棱镜7反射后返回到渥拉斯顿棱镜6重新汇合合束，再经半波片10后两测量光束的偏振方向均旋转45°；旋转后的两测量光束均再被第二偏振分光棱镜9发透射和反射而分束，透射的两测量光束偏振方向相同并发生干涉被第三光电探测器13接收，反射的两测量光束偏振方向相同并发生干涉被第四光电探测器14接收，获得两路180°相位差的直线度误差测量信号。
双频激光器1输出的参考信号与第三光电探测器13和第四光电探测器14输出的两路直线度误差测量信号一起经信号处理板双相位测量模块一进行相位测量和非线性误差补偿，得到被测对象的直线度误差，双频激光器1输出的参考信号与第一光电探测器11和第二光电探测器12输出的两路位移测量信号一起经信号处理板双相位测量模块二进行相位测量和非线性误差补偿，得到被测对象的位移。
具体的双频激光器采用安捷伦公司生产的5517A双纵模稳频He-Ne激光器，信号处理板采用Altera公司生产的FPGA(现场可编程门阵列)芯片EP2S90F1020的高速信号处理板，计算机采用联想公司生产的启天M415台式机。
在图1中，光路中的粗短线和实心椭圆表示f1频率的线偏振光和圆偏振光，双短线和空心椭圆表示f2频率的线偏振光和圆偏振光，带空心三角形的粗短线和双短线分别表示含有多普勒频差的f1±Δf频率和f2±Δf频率线偏振光，带实心三角形的粗短线和双短线分别表示含有不同多普勒频差的f1±Δf1频率线偏振光和f2±Δf2频率线偏振光束。
结合图2，双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置和方法的具体实现如下：
1)测量前，将半透射半反射平面镜5和渥拉斯顿棱镜6组成的测量镜固定安装在被测物体上，将双直角反射棱镜7固定放置在另一侧合适位置。
2)测量时，将测量半透射半反射平面镜5和渥拉斯顿棱镜6组成的测量镜从初始位置移动到当前位置，时间为t，移动的距离为Δz，且当前位置存在Δx的直线度误差。根据图1所示，位移测量的测量光束与参考光束被第一偏振分光棱镜分束后，发生干涉后分别被第一光电探测器11和第二光电探测器12接收，获得的两路位移测量信号的频率分别表示为：
fD1＝f1-f2±Δf+ΔεD1
fD2＝f1-f2±Δf-ΔεD2
式中，ΔεD1和ΔεD2是两路位移测量信号误差项。直线度误差测量的两测量光束均被第二偏振分光棱镜分束后，发生干涉后分别被第三光电探测器13和第四光电探测器14接收，获得的两路直线度误差测量信号的频率分别表示为：
fD3＝f1-f2±(Δf1-Δf2)+ΔεD3
fD4＝f1-f2±(Δf1-Δf2)-ΔεD4
式中，ΔεD3和ΔεD4是两路直线度误差测量信号误差项。
3)四路测量信号与双频激光器1输出的参考信号(频率为f1-f2)进行频差计算后可得四路测量信号的频率变化，则两路位移测量信号对应的位移测量值和两路直线度误差测量信号对应的两路直线度误差测量光束之间位移差测量值分别表示为：
式中，v1为沿测量基准轴线方向的速度，v2为垂直于测量基准轴线方向的速度，λ为空气中的激光中心波长，θ为渥拉斯顿棱镜分束角的一半。当测量镜和激光器相背运动时速度v1为正，反之为负；测量镜相对于测量基准线向上运动时，速度v2为正，反之为负。
由于公式中误差项主要是由非线性误差导致，ΔεD1和ΔεD2两者接近且符号相反，ΔεD3和ΔεD4两者接近且符号相反，因此，通过求和取平均可使非线性误差相消减小。根据图2所示的几何关系，被测物体的直线度误差及位移分别表示为：
直线度误差：
位移：
当测量镜相对于测量基准线向上运动时，即由图2中的虚线位置移动到实线位置，Δx为正，反之为负。
具体的信号处理是由基于FPGA的高速信号处理板完成，包括信号的锁相环跟踪、混频、滤波等双正交锁相放大操作，以及对测量信号和参考信号进行反正切相位计数。四路测量信号与双频激光器输出的参考信号输入到FPGA后，参考信号与两路直线度误差测量信号经双相位测量信号处理后得到非线性误差补偿后的直线度误差值，参考信号与两路位移测量信号经双相位测量信号处理后得到非线性误差补偿后的位移值，FPGA完成数据处理后传输送到计算机进行软件处理及显示。当双频激光器输出双纵模的频差为1.7MHz、激光中心波长为632.8nm时，测量信号与参考信号分别采用混频滤波和正交解调，相位测量分辨率可达0.01°。位移测量分辨率可达0.01nm，测量范围为0.1-4.0m；当渥拉斯顿棱镜分束角为1.5°时，直线度误差测量分辨率可达0.40nm，测量范围为±2.5mm。
通过以上步骤实现了直线度误差及位移的同时测量，通过检测两路直线度误差测量光束之间位移差，直接计算直线度误差降低了测量误差，采用双相位测量以及双正交锁相放大信号处理技术，对直线度误差及位移测量结果的非线性误差进行补偿，提高了直线度误差及位移测量精度和稳定性。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：
包括具有拍频信号输出的双频激光器(1)和直线度误差及位移同时测量单元，直线度误差及位移同时测量单元包括分光棱镜(2)、四分之一波片(3)、反射平面镜(4)、半透射半反射平面镜(5)、渥拉斯顿棱镜(6)、双直角反射棱镜(7)、第一偏振分光棱镜(8)、第二偏振分光棱镜(9)、半波片(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)；
双频激光器(1)发出两束不同频率f1和f2的正交线偏振光束到直线度误差及位移同时测量单元中，两个不同频率f1和f2的正交线偏振光束到分光棱镜(2)分光发生反射和透射；经分光棱镜(2)反射的两束正交线偏振光束作为位移测量的参考光束，参考光束经过四分之一波片(3)透射后变为两束圆偏振光，再经过反射平面镜(4)后逆反回到四分之一波片(3)透射后使得f1频率线偏振光束和f2频率线偏振光束的偏振方向均分别垂直于自身的原偏振方向，然后入射回到分光棱镜(2)发生透射；经分光棱镜(2)透射的两束正交线偏振光束作为测量光束，测量光束经过半透射半反射平面镜(5)后一部分被反射作为位移测量的测量光束，另一部分被透射作为直线度误差测量的测量光束；
半透射半反射平面镜(5)和渥拉斯顿棱镜(6)组成测量镜，测量镜整体移动而使位移测量的测量光束引入了多普勒频差，具体为频率f1±Δf和频率f2±Δf的正交线偏振光束，在被测量镜反射后回到分光棱镜(2)发生反射；位移测量的参考光束和测量光束各自逆反回到分光棱镜(2)中汇合合束，合束后再经第一偏振分光棱镜(8)发生反射和透射而分束，反射的参考光束的频率f1偏振分量和测量光束的频率f2±Δf偏振分量发生干涉被第一光电探测器(11)接收，透射的参考光束的频率f2偏振分量和测量光束的频率f1±Δf偏振分量发生干涉被第二光电探测器(12)接收，获得两路180°相位差的位移测量信号；
同时，直线度误差测量的测量光束经渥拉斯顿棱镜(6)分成两束发散的含有不同多普勒频差的第一测量光束和第二测量光束，第一测量光束为频率f1±Δf1的p偏振光束，第二测量光束为频率f2±Δf2的s偏振光束；第一测量光束和第二测量光束均经双直角反射棱镜(7)反射后返回到渥拉斯顿棱镜(6)重新汇合合束，再经半波片(10)后两测量光束的偏振方向均旋转45°；旋转后的两测量光束均再被第二偏振分光棱镜(9)发生透射和反射而分束，透射的两测量光束偏振方向相同并发生干涉被第三光电探测器(13)接收，反射的两测量光束偏振方向相同并发生干涉被第四光电探测器(14)接收，获得两路180°相位差的直线度误差测量信号。
2.根据权利要求1所述的双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的直线度误差及位移同时测量单元中，直线度误差及位移均采用双相位测量模式，位移采用第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)测量，直线度误差采用第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)测量。
3.根据权利要求1所述的双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的直线度误差及位移同时测量单元中，半透射半反射平面镜(5)和渥拉斯顿棱镜(6)组成的测量镜被固定安装在被测物体上，双直角反射棱镜(7)位置固定。
4.根据权利要求1所述的双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的四分之一波片(3)自身光轴被调整成相对于光路的光轴成45°旋转夹角，半波片(10)自身光轴被调整成相对于光路的光轴成22.5°旋转夹角。
5.根据权利要求1所述的双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置，其特征在于：所述的双频激光器(1)输出的参考信号与第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)输出的两路直线度误差测量信号一起经信号处理板双相位测量模块一进行相位测量和非线性误差补偿，得到被测物体的直线度误差，双频激光器(1)输出的参考信号与第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出的两路位移测量信号一起经信号处理板双相位测量模块二进行相位测量和非线性误差补偿，得到被测物体的位移。
6.应用于权利要求1-5任一所述双相位测量式激光干涉直线度及位移同时测量装置的测量方法，其特征在于：
1)测量前，将半透射半反射平面镜(5)和渥拉斯顿棱镜(6)组成的测量镜固定安装在被测物体上，将双直角反射棱镜(7)固定放置；
2)测量时，将测量半透射半反射平面镜(5)和渥拉斯顿棱镜(6)组成的测量镜从初始位置移动到当前位置，经过时间为t，移动的距离为Δz，且当前位置存在Δx的直线度误差；
位移测量的测量光束与参考光束被第一偏振分光棱镜(8)分束后，发生干涉后分别被第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)接收，获得两路位移测量信号，频率分别表示为：
fD1＝f1-f2±Δf+ΔεD1
fD2＝f1-f2±Δf-ΔεD2
式中，ΔεD1和ΔεD2分别是第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出的两路位移测量信号的误差项；fD1、fD2分别表示第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出的两路位移测量信号的频率；Δf表示位移引起的多普勒频差；
直线度误差测量的两测量光束均被第二偏振分光棱镜(9)分束后，发生干涉后分别被第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)接收，获得两路直线度误差测量信号，频率分别表示为：
fD3＝f1-f2±(Δf1-Δf2)+ΔεD3
fD4＝f1-f2±(Δf1-Δf2)-ΔεD4
式中，ΔεD3和ΔεD4分别是第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)接收的两路直线度误差测量信号的误差项；fD3、fD4分别表示第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)输出的两路直线度误差测量信号的频率；
3)四路测量信号与双频激光器( 1) 输出的参考信号进行频差计算后得到四路测量信号的频率变化，采用以下公式获得两路位移测量信号对应的位移测量值和两路直线度误差测量信号对应的两路直线度误差测量光束之间位移差测量值，分别表示为：
式中，v1为沿测量基准轴线/光轴方向的速度，v2为垂直于测量基准轴线方向的速度，λ为双频激光器(1)发出的正交线偏振光束在空气中的中心波长，θ为渥拉斯顿棱镜(6)分束角的一半；LD1、LD2分别表示第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)输出的两路位移测量信号对应的位移测量值，ΔLD3、ΔLD4分别表示第三光电探测器(13)和第四光电探测器(14)输出的两路直线度误差测量信号对应的两路直线度误差测量光束之间位移差测量值；
最终采用以下公式处理计算获得被测物体的直线度误差及位移，表示为：
直线度误差：
位移：
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5757489A (en) * | 1995-08-24 | 1998-05-26 | Nikon Corporation | Interferometric apparatus for measuring a physical value |
| CN101067546A (zh) * | 2006-06-20 | 2007-11-07 | 哈尔滨工业大学 | 减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的方法与装置 |
| CN101581576A (zh) * | 2009-06-22 | 2009-11-18 | 浙江理工大学 | 基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法 |
| CN106225667A (zh) * | 2016-08-05 | 2016-12-14 | 合肥工业大学 | 一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置 |
| CN106885535A (zh) * | 2017-02-10 | 2017-06-23 | 浙江理工大学 | 单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置及方法 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5757489A (en) * | 1995-08-24 | 1998-05-26 | Nikon Corporation | Interferometric apparatus for measuring a physical value |
| CN101067546A (zh) * | 2006-06-20 | 2007-11-07 | 哈尔滨工业大学 | 减小外差干涉非线性误差一次谐波分量的方法与装置 |
| CN101581576A (zh) * | 2009-06-22 | 2009-11-18 | 浙江理工大学 | 基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法 |
| CN106225667A (zh) * | 2016-08-05 | 2016-12-14 | 合肥工业大学 | 一种单频激光干涉仪非线性误差补偿装置 |
| CN106885535A (zh) * | 2017-02-10 | 2017-06-23 | 浙江理工大学 | 单频干涉直线度误差及其位置测量与补偿的装置及方法 |
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 基于锁相放大的外差激光干涉仪非线性测试技术研究_;张瑀珊;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20180315(第3期);第2、14-15页 * |
| 激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究;楼盈天;《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》;20190115(第12期);第29-34页 * |
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