一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统论文和设计

全文摘要

一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，包括半导体激光器、第一偏振分光棱镜、激光多普勒干涉单元和激光迈克尔逊干涉单元；该第一偏振分光棱镜位于半导体激光器的发射端以将光束分成S偏振分量和P偏振分量；该激光多普勒干涉单元接收P偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量线性直线度误差；该激光迈克尔逊干涉单元接收S偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量角度直线度误差。本实用新型系统不仅拥有较高的精度，还简化了系统结构与检测过程，能够提供完备的直线度信息。

主设计要求

1.一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，包括半导体激光器，其特征在于：还包括第一偏振分光棱镜、激光多普勒干涉单元和激光迈克尔逊干涉单元；该第一偏振分光棱镜位于半导体激光器的发射端以将光束分成S偏振分量和P偏振分量；该激光多普勒干涉单元接收P偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量线性直线度误差；该激光迈克尔逊干涉单元接收S偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量角度直线度误差。

设计方案

2.如权利要求1所述的一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，其特征在于：所述激光多普勒干涉单元包括第一四分之一波片、光路调节器、衍射光栅、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、半波片、第四平面反射镜、第四偏振分光棱镜、第二四分之一波片和第一鉴相模块；该第一四分之一波片用于将P偏振分量变成圆偏振光，该光路调节器用于将圆偏振光垂直入射至衍射光栅；该衍射光栅与平台相对固定，且将圆偏振光衍射成+1级衍射光和-1级衍射光，-1级衍射光经第三平面反射镜反射后经第三偏振分光棱镜、半波片进入第四偏振分光棱镜，+1级衍射光经第二偏振分光棱镜、第四平面反射镜进入第四偏振分光棱镜，经第四偏振分光棱镜聚集，再经第二四分之一波片变成两束旋向相反的圆偏振光；该第一鉴相模块采集该两束圆偏振光得到所述干涉信号。

3.如权利要求2所述的一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，其特征在于：所述光路调节器包括第一平面反射镜和第二平反射面镜，该第一平面反射镜和第二平面反射镜平行。

4.如权利要求2所述的一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，其特征在于：所述第一鉴相模块包括第一消偏振分光棱镜、第五偏振分光棱镜、第六偏振分光棱镜、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。

5.如权利要求1所述的一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，其特征在于：所述激光迈克尔逊干涉单元包括直角棱镜、第三四分之一波片、衍射光栅、第一偏振分光棱镜、第四四分之一波片和第二鉴相模块；该直角棱镜将和第三四分之一波片将S偏振分量变成圆偏振光并垂直入射至衍射光栅，该衍射光栅与平台相对固定，其零级衍射光经第三四分之一波片变成P偏振光，经直角棱镜反射至第一偏振分光棱镜；所述激光多普勒干涉单元中，所述P偏振分量经的零级衍射光经通过第一四分之一波片变成S偏振光，在第一偏振分光棱镜中与P偏振光汇聚，经过第四四分之一产生左旋光和右旋光；所述第二鉴相模块采集该左旋光和右旋光得到所述干涉信号。

6.如权利要求5所述的一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，其特征在于：所述第二鉴相模块包括第二消偏振分光棱镜、第七偏振分光棱镜、第八偏振分光棱镜、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及以光学技术为基础的精密测量方法领域，特别是一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统。

背景技术

直线度误差分为线性直线度误差和角度直线度误差，是线性位移平台必须得到精密测量与严格控制的基本几何公差之一，也是表征其性能的重要几何参数。在精密加工领域，线性位移平台的稳定性、动态性和精度至关重要，它们是提高产品生产率和可靠性的基础。位移平台在工作时难免存在直线度误差，而为了达到理想的补偿效果，首先必须有一种高精度、高分辨率以及高稳定性的误差检测方法。因此，一种完备直线度测量方法的设计有着非常实际的意义和广泛的用途。

据查阅相关文献，传统的位移平台直线度测量方法大致包含以下几类：第一类是水平仪测量法，将水平仪放置于待测平台上，记录并分析位移平台工作时，水平仪气泡的移动情况；第二类是自准直仪测量法，利用光学的自准直原理，通过记录反射光线焦点的偏离中心位移情况，换算出位移平台的角度偏转；第三类是激光干涉仪测量法，同上述两种直线度测量方法相比，其最主要的优点就是测量距离长、速度快、精度高，但其体积往往比较大，且对工作环境的要求极为严格，外部环境的变化会使得测量结果不稳定。

针对现存的直线度测量方法，它们的系统结构往往略显复杂、体积臃肿、数据采集与处理难度较大、分辨率不高，难以实现高精度测量。不仅如此，市面上的仪器还存在着一个共同的缺点，那就是它们往往只能提供线性位移平台的角度直线度误差信息，然而国家标准规定的却是线性直线度误差。因此，检测完成后还必须将传统测量仪器给出的角度误差信息换算成线性误差信息，这便增加了额外的工作量。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种于光栅干涉原理的直线度测量系统，不仅拥有较高的精度，还简化了系统结构与检测过程，能够提供完备的直线度信息。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，包括半导体激光器，还包括第一偏振分光棱镜、激光多普勒干涉单元和激光迈克尔逊干涉单元；该第一偏振分光棱镜位于半导体激光器的发射端以将光束分成S偏振分量和P偏振分量；该激光多普勒干涉单元接收P偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量线性直线度误差；该激光迈克尔逊干涉单元接收S偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量角度直线度误差。

所述激光多普勒干涉单元包括第一四分之一波片、光路调节器、衍射光栅、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、半波片、第四平面反射镜、第四偏振分光棱镜、第二四分之一波片和第一鉴相模块；该第一四分之一波片用于将P偏振分量变成圆偏振光，该光路调节器用于将圆偏振光垂直入射至衍射光栅；该衍射光栅与平台相对固定，且将圆偏振光衍射成+1级衍射光和-1级衍射光，-1级衍射光经第三平面反射镜反射后经第三偏振分光棱镜、半波片进入第四偏振分光棱镜，+1级衍射光经第二偏振分光棱镜、第四平面反射镜进入第四偏振分光棱镜，经第四偏振分光棱镜聚集，再经第二四分之一波片变成两束旋向相反的圆偏振光；该第一鉴相模块采集该两束圆偏振光得到所述干涉信号。

所述光路调节器包括第一平面反射镜和第二平反射面镜，该第一平面反射镜和第二平面反射镜平行。

所述第一鉴相模块包括第一消偏振分光棱镜、第五偏振分光棱镜、第六偏振分光棱镜、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。

所述激光迈克尔逊干涉单元包括直角棱镜、第三四分之一波片、衍射光栅、第一偏振分光棱镜、第四四分之一波片和第二鉴相模块；该直角棱镜将和第三四分之一波片将S偏振分量变成圆偏振光并垂直入射至衍射光栅，该衍射光栅与平台相对固定，其零级衍射光经第三四分之一波片变成P偏振光，经直角棱镜反射至第一偏振分光棱镜；所述激光多普勒干涉单元中，所述P偏振分量经的零级衍射光经通过第一四分之一波片变成S偏振光，在第一偏振分光棱镜中与P偏振光汇聚，经过第四四分之一产生左旋光和右旋光；所述第二鉴相模块采集该左旋光和右旋光得到所述干涉信号。

所述第二鉴相模块包括第二消偏振分光棱镜、第七偏振分光棱镜、第八偏振分光棱镜、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器。

由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1)该测量方法使用光栅多普勒干涉原理和迈克尔逊干涉原理同时测量平台的线性直线度误差和角度直线度误差。系统可同时产生两种干涉现象，并通过分别解析的方式获得两种直线度误差。

2)小型、模块化设计。本系统由两部分光路构成，两部分体积及重量都很小且均衡，因此均可作为随平台位移的动子，和固定于参考系的定子，根据具体应用场合可灵活配置。

3)为了提高测量精度与读数的稳定性，本系统采用的位移标准是光栅的栅距，而非激光波长。并且，由于激光的光点直径远大于栅距，刻线误差的影响也被降到了最小。

附图说明

图1为本实用新型系统图；

图2为本实用新型激光多普勒干涉单元原理图；

图3为激光迈克尔逊干涉单元原理图。

1、半导体激光器，2、第一偏振分光棱镜，3、第一四分之一波片，4、直角棱镜，5、第一平面反射镜，6、第二平面反射镜，7、衍射光栅，8、第三平面反射镜，9、第二偏振分光棱镜，10、第三偏振分光棱镜，11、半波片，12、第四平面反射镜，13、第四偏振分光棱镜，14、第二四分之一波片，15、第一消偏振分光棱镜，16、第五偏振分光棱镜，17、第六偏振分光棱镜，18、第一光电探测器，19、第二光电探测器，20、第三光电探测器，21、第四光电探测器，22、第三四分之一波片，23、第四四分之一波片，24、第二消偏振分光棱镜，25、第七偏振分光棱镜，26、第八偏振分光棱镜，27、第五光电探测器，28、第六光电探测器，29、第七光电探测器，30、第八光电探测器。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

参照图1至图3,本实用新型的一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，在基于多普勒频移的光栅干涉仪的基础上再结合迈克尔逊干涉仪，便能够同时测量位移平台运动的线性直线度误差和角度直线度误差。

光栅干涉仪是是一种结合了偏振光学与光栅衍射原理的传统高精度位移传感器，其结构相对简单，受外部环境影响而造成的测量误差也比较小。再通过对衍射光栅信号的高精度相位细分，可以大大提高测量系统的分辨率。其基本测量原理是多普勒频移现象，当光源与接收端产生相对运动时，由于光程差的存在，接收端光波的相位与频率都会发生变化，频移量与光程差存在着某种一一对应的关系。反过来，也可以通过多普勒频移的大小，精确测量微小的位移量，即线性位移平台的线性直线度误差；众所周知，两束振动方向与频率均相同，且相位差恒定的相干光在空间上重叠时会产生干涉现象，而角度直线度误差的测量正是基于迈克尔逊干涉的原理而设计的。

在干涉系统中，不同波长光源对应的相干长度不同。如氦氖激光器，能产生相干长度很长的激光束。由氦氖激光器发出的两束相干光即便光程差达到几米，照样可以产生显著的干涉现象。而半导体激光器的相干长度很短，两束光光程相差几毫米就没有干涉现象了，而它的优点是体积小、重量轻、价格低。

若干涉系统中相干光束光程差较大，则需选用相干长度较长的光源，但此类激光器成本高，且体积很大。为实现测量结构的小型化与模块化，本测量方法采用等光程设计，由于光程大致相等，即使采用便宜小巧的半导体激光器，也能产生显著的干涉现象。这样有利于实现测量结构的小型化与模块化。

具体的，本实用新型的一种基于光栅干涉原理的直线度测量系统，包括半导体激光器1、第一偏振分光棱镜2、激光多普勒干涉单元和激光迈克尔逊干涉单元等。系统光源选用波长为635nm，输出线偏振光的半导体激光器1。选用激光的主要原因是它的高方向性、高单色性、高相干性与高亮度。

该第一偏振分光棱镜2位于半导体激光器1的发射端，将光束分成S偏振分量和P偏振分量，其为两束传播方向与振动方向均互相垂直的线偏振光。偏振分光棱镜的特性是能够完全透过P偏振光，并反射所有S偏振光。

该激光多普勒干涉单元接收P偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量线性直线度误差。

具体的，参见图2，激光多普勒干涉单元包括第一四分之一波片3、光路调节器、衍射光栅7、第二偏振分光棱镜9、第三偏振分光棱镜10、半波片11、第四平面反射镜12、第四偏振分光棱镜13、第二四分之一波片14和第一鉴相模块。

该第一四分之一波片3令光矢量与波片光轴成45°角，则入射的线偏振光即P偏振分量就变成了圆偏振光。该光路调节器包括第一平面反射镜5和第二平面反射镜6，该第一平面反射镜5和第二平面反射镜6平行，用于将圆偏振光垂直入射至衍射光栅7，该衍射光栅7为反射式衍射光栅，1200线\/mm。

该第一四分之一波片3与第一偏振分光棱镜2的组合还有一个好处，就是当P偏振光两次经过1\/4波片后会变成S偏振光，S偏振光两次经过1\/4波片后会变成P偏振光，再结合偏振分光棱镜透射P光与反射S光的特性，可以有效地防止由于零级衍射光反射而对光源造成的干扰，避免出现激光器输出功率不稳定的现象。

该衍射光栅7与平台相对固定，且将圆偏振光衍射成+1级衍射光、-1级衍射光和零级衍射光。当衍射光栅7随着位移平台发生横向偏移时，其±1级衍射光由于多普勒频移而产生大小相等、符号相反的频率差：

式中f_{+1<\/sub>和f_{-1<\/sub>分别是+1级衍射光和-1级衍射光的频率，f_{0<\/sub>是半导体激光器光源的频率，v是移动速度，d是光栅的栅距。}}}

+1级衍射光经第二偏振分光棱镜9、第四平面反射镜12进入第四偏振分光棱镜13。与+1级衍射光有所不同的是，-1级衍射光经第三平面反射镜8反射后经第三偏振分光棱镜10、半波片11进入第四偏振分光棱镜13，通过半波片11之后偏振方向旋转了90°，P偏振光变为S偏振光。衍射波列在第四偏振分光棱镜13处重新聚集，它们的偏振方向相互垂直，经过第二四分之一波片14变成了两束旋向相反的圆偏振光。

第一鉴相模块包括第一消偏振分光棱镜15、第五偏振分光棱镜16、第六偏振分光棱镜17、第一光电探测器18、第二光电探测器19、第三光电探测器20和第四光电探测器21。两束旋向相反的圆偏振光经第一消偏振分光棱镜15，一束进入第五偏振分光棱镜16，另一束进入第六偏振分光棱镜17。该第一光电探测器18、第二光电探测器19用于采集第五偏振分光棱镜16射出的两路干涉信号，第三光电探测器20和第四光电探测器21用于采集第六偏振分光棱镜17射出的两路干涉信号。

四路干涉信号随着光栅的线性偏移呈正弦变化，相位差为90°，且带有以下频率：

由上式可见，干涉信号的频率与线性位移平台的横向偏移速度成正比。由过零触发可获得四路相位差为90°的方波信号，再进一步利用四细分辨向计数便可得到分辨率为1\/4原信号周期的线性偏移量，并获知方向。

参照图3，该激光迈克尔逊干涉单元接收S偏振分量，用于采集四路相位差为90°的干涉信号以供测量角度直线度误差。激光迈克尔逊干涉单元包括直角棱镜4、第三四分之一波片22、衍射光栅7、第一偏振分光棱镜2、第四四分之一波片23和第二鉴相模块等。该衍射光栅7即为激光多普勒干涉单元中的反射式衍射光栅。

S偏振分量的传播光路被直角棱镜4偏转了90°，由于其光矢量同样与波片光轴成45°，因此经过第三四分之一波片22之后，这束光会由线偏振光变成圆偏振光，并垂直打在衍射光栅7。光栅的零级衍射光反射回来之后再次经过第三四分之一波片22，相当于经过了两次1\/4波片，S偏振光就变成了P偏振光。

P偏振分量类似，即激光多普勒干涉单元中，其零级衍射光反射之后再次通过第一四分之一波片3，P偏振光变为S偏振光。两束偏振方向相互垂直的反射光在第一偏振分光棱镜2处汇聚，经过第四四分之一波片23后产生左旋右旋光并进入第二鉴相模块。

第二鉴相模块包括第二消偏振分光棱镜24、第七偏振分光棱镜25、第八偏振分光棱镜26、第五光电探测器27、第六光电探测器28、第七光电探测器29和第八光电探测器30。两束旋向相反的圆偏振光经第二消偏振分光棱镜24，一束进入第七偏振分光棱镜25，另一束进入第八偏振分光棱镜26。

该第五光电探测器27、第六光电探测器28用于采集第七偏振分光棱镜25射出的两路干涉信号，第七光电探测器29和第八光电探测器30用于采集第八偏振分光棱镜26射出的两路干涉信号。

这四路干涉信号为相位差为90°的干涉信号。当衍射光栅7随着位移平台发生角度偏转时，会引起光程差的变化，即：

ΔL＝l×tanθ

式中，ΔL为两束测量光的光程差变化，l为S光的光栅入射点与光栅偏转中心的水平距离，θ为偏转角度。与激光多普勒干涉单元类似，四路干涉信号随着光栅的角度偏转呈正弦变化。通过过零触发与四细分辨向计数，可获得光程差变化的大小与方向，并借此推导位移平台的角度偏转量θ，即：

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

设计图

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