本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及精確位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，針對(duì)回轉(zhuǎn)體工件的幾何測(cè)量方面，主要有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、輪廓儀、光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)等。盡管光學(xué)探頭的測(cè)量精度可以達(dá)到數(shù)十納米或者是納米級(jí)別，但是在很多情況下，由于定位及監(jiān)測(cè)精度不夠，使用該測(cè)頭給出的測(cè)量精度往往微米量級(jí)，甚至更差。為實(shí)現(xiàn)精密乃至超精密的測(cè)量，無論是三坐標(biāo)或者是光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)，都需要對(duì)測(cè)量傳感器進(jìn)行精確的定位，也就是需要對(duì)傳感器的位置精確監(jiān)測(cè)。

目前商品化測(cè)量系統(tǒng)中，較為典型的定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，可移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡4代表定位系統(tǒng)與z軸方向的相對(duì)移動(dòng)，可移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡5代表定位系統(tǒng)與x軸方向的相對(duì)移動(dòng)，多波長(zhǎng)干涉測(cè)頭3和多波長(zhǎng)干涉測(cè)頭1分別測(cè)量的是測(cè)量系統(tǒng)在z軸和x軸方向上的位移變化量。多波長(zhǎng)干涉測(cè)頭6通過監(jiān)測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)柱面鏡9之間的距離變化，可以監(jiān)測(cè)測(cè)頭8在工作過程中的跳動(dòng)。多波長(zhǎng)干涉測(cè)頭6和多波長(zhǎng)干涉測(cè)頭8保持同軸心并且與旋轉(zhuǎn)臺(tái)7的旋轉(zhuǎn)軸相交。通過測(cè)頭1、3、6測(cè)量到的位移變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件7和8的位置的實(shí)時(shí)精確監(jiān)測(cè)。但是這樣的系統(tǒng)需要精度極高的標(biāo)準(zhǔn)柱面鏡以及3個(gè)多波長(zhǎng)干涉測(cè)頭，成本較高。

激光具有高強(qiáng)度、高方向性、高單色性和高相干性等優(yōu)點(diǎn)，雙頻激光干涉儀則是以激光波長(zhǎng)為已知長(zhǎng)度，利用邁克爾遜系統(tǒng)測(cè)量位移的一種通用長(zhǎng)度測(cè)量設(shè)備。雙頻激光干涉儀具有大測(cè)量范圍、高精度、高分辨率以及高速度等優(yōu)點(diǎn)，可以通過與其他運(yùn)動(dòng)部件聯(lián)動(dòng)，可以完成長(zhǎng)度、角度、直線度和垂直度等參數(shù)的測(cè)量，在超精密測(cè)量與檢測(cè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。比如精密機(jī)床的標(biāo)定，高精度傳感器的標(biāo)定，以及光刻機(jī)工作臺(tái)的精確定位等。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種精確監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)部件位置變化的解決方案-基于雙頻激光干涉原理的精確位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)部件位移的精確、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高運(yùn)動(dòng)部件的定位精度。

本發(fā)明的基本思想就是在激光光源后加上一塊分光鏡，分出兩路光，分別作為兩個(gè)雙頻激光干涉儀的光源，實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)方向?qū)\(yùn)動(dòng)部件的實(shí)時(shí)位置監(jiān)控。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種位移監(jiān)測(cè)裝置，包括一臺(tái)雙頻激光器，在該激光器的輸出光路上設(shè)置一個(gè)四分之一波片，在四分之一波片后放置一塊分光鏡，該分光鏡的分光面與激光器輸出光路呈45°夾角，在該分光鏡的兩路輸出光方向分別放置兩個(gè)與輸出光路呈45°夾角的偏振分光鏡，在偏振分光鏡的反射方向放置一塊固定標(biāo)準(zhǔn)平面鏡，在透射方向放置一塊與輸出光路呈45°的反射鏡，在反射鏡輸出光方向放置一塊凸透鏡，凸透鏡焦點(diǎn)位置在標(biāo)準(zhǔn)球面的球心，在偏振分光鏡的反射光路的反側(cè)還分別有一個(gè)探測(cè)器。參見圖2所示。

本發(fā)明由于使用了兩路雙頻激光干涉儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的精確實(shí)時(shí)定位，提升了使用光學(xué)三坐標(biāo)方法測(cè)量回轉(zhuǎn)體幾何參量的測(cè)量精度。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有的位移精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明位移精確監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)先參閱圖2，圖2是本發(fā)明的基于雙頻激光干涉原理的精確位移監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。本定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含了一臺(tái)雙頻激光器7以及一個(gè)光纖耦合準(zhǔn)直系統(tǒng)1，雙頻激光器產(chǎn)生的激光為左旋和右旋兩種頻率的圓偏激光光源，經(jīng)過一個(gè)四分之一波片2，會(huì)產(chǎn)生偏振方向垂直的兩束線偏振光。在輸出光路上設(shè)置一個(gè)分光鏡3，該分光鏡的分光面與激光的輸出光路呈45°。光源經(jīng)過分光鏡會(huì)產(chǎn)生兩束光，分別作為透射光路方向測(cè)量光路和反射光路方向測(cè)量光路的光源。由于兩側(cè)光路完全對(duì)稱，對(duì)透射光路方向光路進(jìn)行詳細(xì)分析。

在輸出光路上設(shè)置一偏振分光鏡4，分光面與輸出光路呈45°。由于偏振方向不同，不同偏振方向光分開，分開為兩束頻率為f1和f2的兩束光。其中測(cè)量光沿分光鏡反射方向前進(jìn)，經(jīng)過相對(duì)運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)平面鏡5，反射回的光由于多普勒效應(yīng)產(chǎn)生了δf的頻率偏移，經(jīng)過分光面進(jìn)入光電探測(cè)器12。參考光沿分光鏡透射方向前進(jìn)，在光路前進(jìn)方向放置一塊反射鏡，反射鏡與光路呈45°，在光路方向上放置一塊凸透鏡14，凸透鏡的焦點(diǎn)處于標(biāo)準(zhǔn)球15的球心，參考光照射到標(biāo)準(zhǔn)球面上沿原光路返回，經(jīng)過偏振分光鏡4分光面反射進(jìn)入光電探測(cè)器12.同理，探測(cè)器13也能采集到相應(yīng)的信息。

由于光電探測(cè)器的頻率響應(yīng)特性，光電探測(cè)器12，13可以采集到頻率為(f1-f2±δf)的信號(hào)，其中頻率變化量δf可以通過多普勒頻移公式計(jì)算出與運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)反射鏡5的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度ν的關(guān)系表達(dá)式。計(jì)算出運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)速度的積分可以得到測(cè)頭16相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)反射鏡5的位移變化量，通過對(duì)光電探測(cè)器12中的信息解耦合，可以得到測(cè)頭16在z軸方向上的跳動(dòng)。同理，光電探測(cè)器13可以得到測(cè)頭16相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)反射鏡8在x軸方向上的位移與測(cè)頭16在工作時(shí)在x軸向上的跳動(dòng)。

相對(duì)于圖1中商品化的運(yùn)動(dòng)元件的定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本發(fā)明只需要兩個(gè)干涉測(cè)量光路，兩個(gè)光電探測(cè)器，在不降低測(cè)量精度的情況下，節(jié)約了成本。對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件的精確定位提供了很好的解決方案。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于雙頻激光干涉原理的精確位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本發(fā)明系統(tǒng)包括雙頻激光器，在該激光器的輸出光路上設(shè)置一個(gè)四分之一波片，在波片后放置分光鏡，分光鏡的分光面與激光器輸出光路呈45°夾角，在分光鏡的兩路輸出光方向分別放置兩個(gè)與輸出光路呈45°夾角的偏振分光鏡，在偏振分光鏡的反射方向放置一塊固定標(biāo)準(zhǔn)平面鏡，在透射方向放置一塊與輸出光路呈45°的反射鏡，在反射鏡輸出光方向放置一塊凸透鏡，凸透鏡焦點(diǎn)位置在標(biāo)準(zhǔn)球面的球心，在偏振分光鏡的反射光路的反側(cè)還分別有一個(gè)探測(cè)器。本發(fā)明使用兩路雙頻激光干涉儀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的精確實(shí)時(shí)定位，提升了使用光學(xué)三坐標(biāo)方法測(cè)量回轉(zhuǎn)體幾何參量的測(cè)量精度。

技術(shù)研發(fā)人員：孔令豹;周攀宇;徐敏
受保護(hù)的技術(shù)使用者：復(fù)旦大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.21
技術(shù)公布日：2017.11.10