本發(fā)明涉及一種以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量設(shè)備及方法，尤其是涉及一種單頻干涉直線度誤差及其位置測(cè)量與補(bǔ)償?shù)难b置及方法。

背景技術(shù)：

精密線性導(dǎo)軌是計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等精密制造和測(cè)量設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件，作為精密線性導(dǎo)軌的主要性能指標(biāo)，直線度結(jié)合其他自由度參數(shù)直接影響精密設(shè)備的精度，因此對(duì)高精度直線度測(cè)量?jī)x的需求也日益增長(zhǎng)。目前高精度直線度測(cè)量方法主要分為激光準(zhǔn)直法、激光光柵衍射法和激光干涉法。與激光準(zhǔn)直法、激光光柵衍射法等直線度測(cè)量方法相比，激光干涉直線度測(cè)量方法具有測(cè)量精度高、靈敏度高、穩(wěn)定性好以及測(cè)量范圍大的優(yōu)點(diǎn)。但直線度干涉儀一般僅能實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象直線度誤差這一個(gè)自由度參數(shù)的檢測(cè)。針對(duì)這一問題，本課題組的發(fā)明專利(專利號(hào)：ZL200910100065.2和ZL200910100068.6)公開了一種基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測(cè)量方法及裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)被測(cè)對(duì)象的直線度誤差及其位置二個(gè)自由度參數(shù)的同時(shí)檢測(cè)。在此基礎(chǔ)上，本課題組公開了發(fā)明專利—具有六自由度檢測(cè)的激光外差干涉直線度測(cè)量裝置及方法(申請(qǐng)?zhí)枺?01510067188.6)，實(shí)現(xiàn)了被測(cè)對(duì)象的偏擺角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、水平直線度、垂直直線度以及直線度誤差位置的六自由度同時(shí)檢測(cè)，其中，采用激光外差干涉方法實(shí)現(xiàn)直線度誤差及其位置的測(cè)量，采用激光光斑檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)偏擺角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和水平直線度誤差的測(cè)量。然而，由于激光光斑檢測(cè)方法的測(cè)量精度受限于位置敏感探測(cè)器或四象限探測(cè)器的分辨率，導(dǎo)致被測(cè)對(duì)象的轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量精度較低。此外，雖然激光外差干涉儀具有良好的抗環(huán)境干擾的能力，但是激光外差干涉儀的周期非線性誤差比激光單頻干涉儀的周期非線性誤差大，這限制了直線度及其位置測(cè)量精度的提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種單頻干涉直線度誤差及其位置測(cè)量與補(bǔ)償?shù)难b置及方法，直線度誤差及其位置檢測(cè)部分以渥拉斯頓棱鏡型激光單頻干涉儀為感測(cè)單元，分別處理形成的圓偏振和線偏振的干涉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了直線度誤差及其位置的同時(shí)測(cè)量；誤差檢測(cè)及補(bǔ)償部分以邁克爾遜型激光單頻干涉儀為感測(cè)單元，分析形成的等厚干涉條紋圖像，實(shí)現(xiàn)了偏擺角和俯仰角的測(cè)量，并根據(jù)測(cè)得的俯仰角對(duì)直線度誤差及其位置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了補(bǔ)償，提高了直線度誤差及其位置的測(cè)量精度。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

一、一種單頻干涉直線度誤差及其位置測(cè)量與補(bǔ)償?shù)难b置：

選擇能夠輸出線偏振光的單頻激光器，其輸出的線偏振光束經(jīng)半波片后，偏振方向被調(diào)整成相對(duì)于紙面成45°；調(diào)制后的線偏振光束被第一消偏振分光棱鏡分光，透射光束進(jìn)入由第三消偏振分光棱鏡、渥拉斯頓棱鏡、由上下直角棱鏡組成的測(cè)量反射鏡、第四消偏振分光棱鏡、第一四分之一波片、第五消偏振分光棱鏡、偏振片、第一偏振分光棱鏡、第二偏振分光棱鏡、第二四分之一波片和第三偏振分光棱鏡組成的渥拉斯頓棱鏡型激光單頻干涉儀，反射光束進(jìn)入由第二消偏振分光棱鏡、第一平面反射鏡和第二平面反射鏡組成的邁克爾遜型激光單頻干涉儀；

在渥拉斯頓棱鏡型激光單頻干涉儀中，激光光束被第三消偏振分光棱鏡分成兩束，其中的透射光束通過渥拉斯頓棱鏡分成兩束正交的線偏振光束即p偏振光束和s偏振光束，兩束發(fā)散的測(cè)量光束由上下直角棱鏡組成的測(cè)量反射鏡反射，返回到渥拉斯頓棱鏡并在另一點(diǎn)重新組合，重組的測(cè)量光束被第四消偏振分光棱鏡分光，反射光束通過第一四分之一波片，被轉(zhuǎn)換為右旋圓偏振光束和左旋圓偏振光束，兩束圓偏振光束干涉，合成為一束偏振方向由兩束圓偏振光束相位決定的線偏振光束，隨后該線偏振光束被第五消偏振分光棱鏡分光，反射光束通過通光方向相對(duì)于紙面成45°的偏振片到達(dá)第一光電探測(cè)器，而透射光束被第一偏振分光棱鏡分成兩束正交的線性偏振光束，分別到達(dá)第二探測(cè)器與第三光電探測(cè)器，所述三個(gè)光電探測(cè)器產(chǎn)生三個(gè)圓偏振干涉信號(hào)，用于被測(cè)對(duì)象的直線度誤差測(cè)量；同時(shí)第四消偏振分光棱鏡的透射光束到達(dá)第二偏振分光棱鏡，并與由第三消偏振分光棱鏡反射的參考光束交匯，測(cè)量光束的p偏振光與參考光束的s偏振光通過第二偏振分光棱鏡，經(jīng)第二四分之一波片與第三偏振分光棱鏡后被轉(zhuǎn)換成兩束透射的p偏振光束和兩束反射的s偏振光束，兩束p偏振光束和兩束s偏振光束分別干涉，第四光電探測(cè)器、第五光電探測(cè)器產(chǎn)生兩個(gè)線偏振干涉信號(hào)，用于直線度誤差位置的測(cè)量；

在邁克爾遜型激光單頻干涉儀中，激光光束被第二消偏振分光棱鏡分成參考光束和測(cè)量光束，測(cè)量光束由安裝在測(cè)量反射鏡上方的第二平面反射鏡反射回到第二消偏振分光棱鏡，并與由第一平面反射鏡反射的參考光束重新組合，重組的光束形成等厚干涉條紋圖像，被圖像傳感器捕獲，用于被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程中偏擺角和俯仰角的測(cè)量；

所述五個(gè)光電探測(cè)器分別經(jīng)信號(hào)處理板后與圖像傳感器接計(jì)算機(jī)。

二、一種單頻干涉直線度誤差及其位置測(cè)量與補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法的步驟如下：

1)將第二平面反射鏡與測(cè)量反射鏡組合安裝在被測(cè)對(duì)象移動(dòng)平臺(tái)上；

2)直線度誤差及其位置的測(cè)量以渥拉斯頓棱鏡型激光單頻干涉儀為感測(cè)單元，兩束測(cè)量光束被轉(zhuǎn)換為右旋圓偏振光束和左旋圓偏振光束，兩束圓偏振光束干涉，通過第一、第二和第三光電探測(cè)器產(chǎn)生的三個(gè)相互成90°相位差的圓偏振干涉信號(hào)，得到兩束測(cè)量光的相位差進(jìn)而得到兩束測(cè)量光的光程差為式中λ是激光波長(zhǎng)；p偏振測(cè)量光束與參考光束分別被轉(zhuǎn)換成兩束正交的線偏振光束，兩束p偏振光束和兩束s偏振光束分別干涉，通過第四和第五光電探測(cè)器產(chǎn)生的兩個(gè)線偏振干涉信號(hào)，經(jīng)干涉條紋大小數(shù)計(jì)數(shù)得到p偏振測(cè)量光與參考光的光程差為L(zhǎng)₁＝(N+ε)λ/2，式中N和ε分別是干涉條紋的大小數(shù)計(jì)數(shù)；假設(shè)初始位置測(cè)量鏡到渥拉斯頓棱鏡的距離是s₀，測(cè)量鏡移動(dòng)s距離后到達(dá)具有直線度誤差Δh的當(dāng)前位置，根據(jù)幾何關(guān)系，直線度誤差Δh及其相對(duì)于初始位置的相對(duì)位置s分別表示為

直線度誤差：

直線度誤差位置：

式中：θ是1/2渥拉斯頓棱鏡分束角度；

3)偏擺角和俯仰角的測(cè)量以邁克爾遜型激光單頻干涉儀為感測(cè)單元，測(cè)量光束與參考光束形成等厚干涉條紋圖像，圖像中干涉條紋的間距隨著測(cè)量光束傳播方向變化，該方向由第二平面反射鏡的偏轉(zhuǎn)角與俯仰角決定，通過檢測(cè)第二平面反射鏡旋轉(zhuǎn)前后的干涉條紋間距，得到被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程中的偏擺角和俯仰角，分別表示為

偏擺角：

俯仰角：

式中Δx_CCD、Δx′_CCD、Δ_yCCD與Δy′_CCD分別為旋轉(zhuǎn)前后通過圖像處理技術(shù)得到的干涉條紋水平與垂直方向上的間距；

4)通過測(cè)得的被測(cè)對(duì)象的俯仰角對(duì)直線度誤差及其位置的測(cè)量結(jié)果按以下公式進(jìn)行補(bǔ)償：

補(bǔ)償后直線度誤差位置：

補(bǔ)償后直線度誤差：

式中s'和Δh'表示補(bǔ)償前的測(cè)量值。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1)該測(cè)量方法充分利用了高精度激光干涉儀來實(shí)現(xiàn)多自由度參數(shù)測(cè)量，采用單頻干涉方法實(shí)現(xiàn)了直線度誤差、直線度誤差的位置、偏擺角和俯仰角四個(gè)自由度參數(shù)的測(cè)量；

2)該測(cè)量方法采用共光路結(jié)構(gòu)，通過直接計(jì)算兩束測(cè)量光束的光程差實(shí)現(xiàn)直線度的測(cè)量，避免了兩束測(cè)量光束的光程差單獨(dú)計(jì)算誤差，提高了直線度的測(cè)量精度；

3)該測(cè)量方法補(bǔ)償了激光單頻干涉直線度誤差及其位置測(cè)量過程中被測(cè)對(duì)象俯仰角串?dāng)_效應(yīng)的影響，提高了直線度誤差及其位置的測(cè)量精度，完善了激光單頻干涉直線度誤差及其位置的測(cè)量方法。

本發(fā)明主要適用于超精密機(jī)械加工、微光機(jī)電系統(tǒng)、集成電路芯片制造和精密儀器等技術(shù)領(lǐng)域所涉及的精密工作臺(tái)及精密導(dǎo)軌的直線度、位移以及其他多自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)的同時(shí)檢測(cè)。

附圖說明

圖1是單頻干涉直線度誤差及其位置測(cè)量與補(bǔ)償?shù)墓饴穲D。

圖2是直線度誤差及其位置測(cè)量的原理圖。

圖3是偏擺角和俯仰角測(cè)量的原理圖。

圖4是俯仰角對(duì)兩束測(cè)量光束對(duì)應(yīng)光程的影響示意圖。

圖中：1、單頻激光器，2、半波片，3、第一消偏振分光棱鏡，4、第二消偏振分光棱鏡，5、第一平面反射鏡，6、圖像傳感器，7、第三消偏振分光棱鏡，8、渥拉斯頓棱鏡，9、測(cè)量反射鏡，10、第二平面反射鏡，11、被測(cè)對(duì)象移動(dòng)平臺(tái)，12、測(cè)量鏡支架，13、第四消偏振分光棱鏡，14、第一四分之一波片，15、第五消偏振分光棱鏡，16、偏振片，17、第一偏振分光棱鏡，18、第一光電探測(cè)器，19、第二光電探測(cè)器，20、第三光電探測(cè)器，21、第二偏振分光棱鏡，22、第二四分之一波片，23、第三偏振分光棱鏡，24、第四光電探測(cè)器，25、第五光電探測(cè)器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明選擇能夠輸出線偏振光的單頻激光器1，其輸出的線偏振光束經(jīng)半波片2后，偏振方向被調(diào)整成相對(duì)于紙面成45°；

調(diào)制后的線偏振光束被第一消偏振分光棱鏡3分光，透射光束進(jìn)入由第三消偏振分光棱鏡7、渥拉斯頓棱鏡8、由上下直角棱鏡組成的測(cè)量反射鏡9、第四消偏振分光棱鏡13、第一四分之一波片14、第五消偏振分光棱鏡15、偏振片16、第一偏振分光棱鏡17、第二偏振分光棱鏡21、第二四分之一波片22和第三偏振分光棱鏡23組成的渥拉斯頓棱鏡型激光單頻干涉儀，反射光束進(jìn)入由第二消偏振分光棱鏡4、第一平面反射鏡5和第二平面反射鏡10組成的邁克爾遜型激光單頻干涉儀。

在渥拉斯頓棱鏡型激光單頻干涉儀中，激光光束被第三消偏振分光棱鏡7分成兩束，其中的透射光束通過渥拉斯頓棱鏡分成兩束正交的線偏振光束即p偏振光束和s偏振光束，兩束發(fā)散的測(cè)量光束由上下直角棱鏡組成的測(cè)量反射鏡9反射，返回到渥拉斯頓棱鏡8并在另一點(diǎn)重新組合，重組的測(cè)量光束被第四消偏振分光棱鏡13分光，反射光束通過第一四分之一波片14，被轉(zhuǎn)換為右旋圓偏振光束和左旋圓偏振光束，兩束圓偏振光束干涉，合成為一束偏振方向由兩束圓偏振光束相位決定的線偏振光束，隨后該線偏振光束被第五消偏振分光棱鏡15分光，反射光束通過通光方向相對(duì)于紙面成45°的偏振片16到達(dá)第一光電探測(cè)器18，而透射光束被第一偏振分光棱鏡17分成兩束正交的線性偏振光束，分別到達(dá)第二探測(cè)器19與第三光電探測(cè)器20，所述三個(gè)光電探測(cè)器產(chǎn)生三個(gè)圓偏振干涉信號(hào)，用于被測(cè)對(duì)象的直線度誤差測(cè)量；同時(shí)第四消偏振分光棱鏡13的透射光束到達(dá)第二偏振分光棱鏡21，并與由第三消偏振分光棱鏡21反射的參考光束交匯，測(cè)量光束的p偏振光與參考光束的s偏振光通過第二偏振分光棱鏡21，經(jīng)第二四分之一波片22與第三偏振分光棱鏡23后被轉(zhuǎn)換成兩束透射的p偏振光束和兩束反射的s偏振光束，兩束p偏振光束和兩束s偏振光束分別干涉，第四光電探測(cè)器24、第五光電探測(cè)器25產(chǎn)生兩個(gè)線偏振干涉信號(hào)，用于直線度誤差位置的測(cè)量的信號(hào)來源。

在邁克爾遜型激光單頻干涉儀中，激光光束被第二消偏振分光棱鏡4分成參考光束和測(cè)量光束，測(cè)量光束由安裝在測(cè)量反射鏡9上方的第二平面反射鏡10反射回到第二消偏振分光棱鏡4，并與由第一平面反射鏡5反射的參考光束重新組合，重組的光束形成等厚干涉條紋圖像，被圖像傳感器6捕獲，作為偏擺角和俯仰角測(cè)量的信號(hào)來源；以上這些信號(hào)被送入信號(hào)處理板與計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)處理和顯示，實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象的直線度誤差、直線度誤差的位置、偏擺角和俯仰角四自由度參數(shù)的同時(shí)檢測(cè)，并對(duì)直線度誤差及其位置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，提高直線度誤差及其位置的測(cè)量精度。

所述五個(gè)光電探測(cè)器18、19、20、24和25分別經(jīng)信號(hào)處理板后與圖像傳感器6接計(jì)算機(jī)。

具體的單頻激光器采用Renishaw公司生產(chǎn)的XL80單頻穩(wěn)頻He-Ne激光器，五個(gè)光電探測(cè)器采用Thorlabs公司生產(chǎn)的PDA36A-EC增益可調(diào)硅探測(cè)器，圖像傳感器采用Baumer公司生產(chǎn)的VLG-20M CCD工業(yè)相機(jī)，信號(hào)處理板采用Altera公司生產(chǎn)的EP4CE15F23C8FPGA芯片的高速信號(hào)處理板，計(jì)算機(jī)采用戴爾公司生產(chǎn)的OptiPlex360臺(tái)式機(jī)。

在圖1中，光路中的黑點(diǎn)和短線表示偏振方向正交的相同頻率的線偏振光。結(jié)合圖2、圖3以及圖4，單頻干涉直線度誤差及其位置測(cè)量與補(bǔ)償?shù)木唧w實(shí)現(xiàn)如下：

該方法的步驟如下：

1)測(cè)量開始前，將測(cè)量反射鏡9通過測(cè)量鏡支架12安裝在被測(cè)對(duì)象移動(dòng)平臺(tái)11上，將該平臺(tái)移動(dòng)至被測(cè)對(duì)象的一端作為測(cè)量初始位置，并測(cè)量相關(guān)常數(shù)，包括測(cè)量反射鏡9的上下直角棱鏡直角棱邊交點(diǎn)與被測(cè)對(duì)象移動(dòng)平臺(tái)11之間的距離H，測(cè)量鏡支架12與測(cè)量反射鏡9的上下直角棱鏡直角棱邊交點(diǎn)的距離B，測(cè)量反射鏡9的上下直角棱鏡斜邊的寬度W，測(cè)量鏡支架12與渥拉斯頓棱鏡8之間的距離s₀；調(diào)節(jié)圖像傳感器6，使激光光斑能入射到傳感器的中心；

2)測(cè)量開始后，被測(cè)對(duì)象移動(dòng)平臺(tái)11從初始位置以設(shè)定的步進(jìn)位移向另一端運(yùn)動(dòng)，各個(gè)探測(cè)器探測(cè)相關(guān)的信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理板，送計(jì)算機(jī)處理后得到被測(cè)對(duì)象的四個(gè)自由度參數(shù)；

3)對(duì)于直線度誤差及其位置的檢測(cè)，如圖2所示，測(cè)量反射鏡9從初始位置運(yùn)動(dòng)到當(dāng)前位置，移動(dòng)的距離為s，引起p偏振測(cè)量光束與s偏振測(cè)量光束的光程差變化，則對(duì)應(yīng)于兩束測(cè)量光的光程差為

式中λ是激光波長(zhǎng)，為兩束測(cè)量光的相位差，其由第一光電探測(cè)器18、第二光電探測(cè)器19與第三光電探測(cè)器20產(chǎn)生的三個(gè)圓偏振干涉信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理得到；同時(shí)p偏振測(cè)量光束與第三消偏振分光棱鏡7反射的參考光束的光程差為

式中N和ε分別是干涉條紋的大小數(shù)計(jì)數(shù)，由第四光電探測(cè)器24與第五光電探測(cè)器25產(chǎn)生的兩個(gè)線偏振干涉信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理得到；

根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系，求出被測(cè)對(duì)象的直線度誤差及其位置，分別表示為

直線度誤差：

直線度誤差位置：

式中：θ是1/2渥拉斯頓棱鏡分束角度，當(dāng)上下直角棱鏡反射鏡9相對(duì)于測(cè)量基準(zhǔn)線向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，即由圖2中的虛線位置移動(dòng)到實(shí)線位置，Δh為正，反之為負(fù)；

4)對(duì)于偏擺角及俯仰角的檢測(cè)，如圖3所示，在當(dāng)前位置時(shí)被測(cè)對(duì)象存在偏擺角誤差α與俯仰角誤差β，則測(cè)量光束經(jīng)過第二平面反射鏡10反射后的光束方向?qū)a(chǎn)生2α偏擺角與2β俯仰角變化，通過檢測(cè)測(cè)量第二平面反射鏡10旋轉(zhuǎn)前后的等厚干涉條紋間距，得到被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程中的偏擺角和俯仰角，分別表示為

偏擺角：

俯仰角：

式中Δx_CCD、Δx′_CCD、Δy_CCD與Δy′_CCD分別為旋轉(zhuǎn)前后通過圖像處理技術(shù)得到的干涉條紋水平與垂直方向上的間距；

5)測(cè)量過程中，被測(cè)對(duì)象的俯仰角會(huì)對(duì)直線度誤差及其位置的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生串?dāng)_效應(yīng)影響，如圖4所示，俯仰角會(huì)引起兩束測(cè)量光束包括渥拉斯頓棱鏡8內(nèi)部光束的光程變化，M₁和M₂是由渥拉斯頓棱鏡8的制造參數(shù)決定的輪廓平面，輪廓平面和渥拉斯頓棱鏡8上的出射點(diǎn)之間的光路等效于對(duì)應(yīng)于測(cè)量光束在渥拉斯頓棱鏡8內(nèi)部的光路，與分別是兩束測(cè)量光束包括渥拉斯頓棱鏡8內(nèi)部光束的光路，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生俯仰角誤差時(shí)，p偏振光的往返光路變?yōu)榕c而s偏振光的往返光路變?yōu)榕c則補(bǔ)償后的直線度誤差及其位置分別表示為

補(bǔ)償后直線度位置：

補(bǔ)償后直線度誤差：

式中：s'和Δh'表示補(bǔ)償前的測(cè)量值；

測(cè)量結(jié)束后，將相關(guān)常數(shù)以及測(cè)量值代入以上公式，對(duì)直線度誤差及其位置的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后，得到消除了被測(cè)對(duì)象俯仰角串?dāng)_效應(yīng)影響的直線度誤差及其位置的準(zhǔn)確值。

通過以上步驟實(shí)現(xiàn)了直線度誤差及其位置的同時(shí)測(cè)量，并通過檢測(cè)被測(cè)對(duì)象運(yùn)動(dòng)過程中的俯仰角與偏擺角，消除了被測(cè)對(duì)象的俯仰角對(duì)直線度誤差及其位置測(cè)量結(jié)果的串?dāng)_效應(yīng)影響，提高了直線度誤差及其位置的測(cè)量精度。