一种利用激光同时测量多自由度几何误差的方法与系统

1.本发明涉及光学精密测量技术领域，尤其涉及一种利用激光同时测量多自由度几何误差的方法与系统。


背景技术：

2.随着精密制造、加工与装配技术的发展，对物体在运动中的六自由度几何误差、或者物体在静止时六自由度几何误差的变化量的测量精度要求不断提高。
3.现有技术中的一种测量六自由度几何误差方法包括：采用激光干涉仪，激光干涉仪是单参数测量，每次安装调整测量一种误差分量，每个测量过程需要使用不同类型的测量附件和重新调整干涉仪。
4.上述现有技术中的测量六自由度几何误差方法的缺点为：光路结构复杂，采取多个探测器对不同误差进行测量，增加了系统成本以及、复杂性，使得测量周期长，测量精度受环境变化影响较大。同时增加了由于电路散热引起的光路结构的不稳定性，从而引入测量误差。因此需要通过尽量少的光学器件以及探测器来实现多自由度几何误差同时测量。


技术实现要素：

5.本发明的实施例提供了一种利用激光同时测量多自由度几何误差的方法与系统，以克服现有技术的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
7.根据本发明的一个方面，提供了一种利用激光同时测量多自由度几何误差的系统，其特征在于，包括：测量单元与靶镜单元，所述测量单元包括激光出射模块、偏振分光镜、固定反射器、第一至第二λ/4波片、第一检偏器、第一光电探测器、干涉测长模块和二维角度测量模块；所述靶镜单元包括一个分光器与一个反射器；
8.所述激光出射模块用于产生出射光l1；
9.所述偏振分光镜用于：
①
分束：将所述出射光l1分束为测量光l11、参考光l12，所述测量光l11射向靶镜单元、被靶镜单元的分光器透射、反射器后向反射后记为l111，所述l111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元，作为线性几何误差测量光，所述参考光l12仅在测量单元内部传播；
②
合束：将再次经过所述偏振分光镜的参考光l12、由靶镜单元后向反射的测量光l111根据其偏振状态进行透射或反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为l3；
③
分离：将测量光l11由所述靶镜单元中的分光器反射的l112光单独分离出来，作为二维角度测量光，l112根据其偏振状态由偏光分光镜进行透射或反射；
10.所述固定反射器用于后向反射所述仅在测量单元内部传播的参考光l12，使所述参考光l12返回所述偏振分光镜；
11.所述第一λ/4波片用于改变参考光l12的偏振方向，使得所述参考光l12再次经过所述偏振分光镜时，切换透射或反射状态，即第一次经过时被反射，则第二次经过时被透射；第一次经过时被透射，则第二次经过时被反射；所述第二λ/4波片用于改变所述线性几
何误差测量光l111、二维角度测量光l112的偏振方向，使得所述线性几何误差测量光l111、二维角度测量光l112再次经过所述偏振分光镜时，切换透射或者反射的状态；
12.所述第一检偏器设置在所述偏振分光镜与所述第一光电探测器之间，调整第一检偏器的透光轴方向，使得所述合束光l3经过所述第一检偏器后发生干涉；
13.所述第一光电探测器用于接收所述包含参考光l12与测量光l111的叠加光束l3，实现沿x、y、z轴三个方向的线性几何误差的同时测量，具体为：
①
根据所述线性几何误差测量光l111在所述第一光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿y轴与z轴的相对直线度误差；
②
配合所述干涉测长模块实现靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位置误差测量；
14.所述二维角度测量模块包括一个聚焦透镜或透镜组、一个第二光电探测器，所述聚焦透镜或透镜组用于将所述二维角度测量光l112聚焦于所述第二光电探测器上，根据所述第二光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元绕y轴与z轴旋转的二维相对角度误差；
15.所述靶镜单元中的分光器用于将测量光l11分光：其透射光记为l111，被所述靶镜单元中的反射器后向反射后、携带直线度与定位误差信息回到测量单元；其反射光记为l112，l112携带二维角度信息回到测量单元；
16.所述靶镜单元中的反射器用于后向反射所述测量光l111，使测量光l111返回所述偏振分光镜，以实现：
①
改变所述测量光l111的沿y轴或/与z轴的空间位置，且所述空间位置改变量为所述靶镜单元中的反射器与测量单元沿y轴或/与z轴的的相对位移量的两倍；
②
改变所述测量光l111的光程与频率，所述光程与频率的改变量与所述靶镜单元中的反射器与测量单元沿x轴的相对位移量成正比关系。
17.优选地：所述激光出射模块发射单频激光，所述干涉测长模块包括第一非偏分光镜、相位延迟器、第三光电探测器；
18.所述第一非偏分光镜设置在所述第一检偏器与所述第一光电探测器之间，用于将所述干涉光分束，其中一束由第一光电探测器接收，另一束由所述第三光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第三光电探测器上的干涉光斑光强分别为i1、i3；
19.所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第三光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号i1、i3相位相差90
°
，计算所述参考光l12与所述测量光l111的相位差根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移δx。
20.优选地：所述激光出射模块能产生双频激光；所述干涉测长模块包括第三非偏分光镜、第二检偏器和第四光电探测器；
21.所述双频激光为两束空间位置叠加、具有一定频差、且偏振方向不同的偏振光；
22.所述第三非偏分光镜设置在所述激光出射模块与所述偏振分光镜之间，所述激光模块出射光l1由所述第三非偏分光镜分束形成另一束激光l2；
23.所述第二检偏器设置在所述第三非偏分光镜与所述第四光电探测器之间，调整第二检偏器的透光轴方向，使得所述激光l2经过所述第二检偏器后发生干涉，干涉光斑被所述第四光电探测器接收，作为外差干涉测长的参考信号；
24.所述合束光l3经过所述第一检偏器后发生干涉，所述干涉光斑被所述第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号；根据所述参考信号、所述测量信号，可以计算得
出靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移。
25.优选地：所述激光出射模块包括多波长激光光源与外差频率生成模块，所述干涉测长模块包括第一至第n带通滤波器、第一至第n相位检测器，n为大于等于3的自然数，所述偏振分光镜由第二非偏分光镜代替；
26.所述多波长激光光源输出多波长激光λ1、λ2、λ3、
……
、λn，其频率分别为ν1、ν2、ν3、
……
、νn，经过所述外差频率生成模块后，所述多波长激光的频率变为ν1+f1、ν2+f2、ν3+f3、
……
、νn+fn，记所述多波长激光为出射光l1；所述第二非偏分光镜用于：
①
分束：将所述出射光l1分束为测量光l11、参考光l12，所述测量光l11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后记为l111，所述l111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元、为测量光，所述参考光l12仅在测量单元内部传播；
②
合束：将再次经过所述非偏分光镜的参考光l12、由靶镜单元反射的测量光l111透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光l3；
③
分离：将测量光l11由所述靶镜单元中的分光器反射的l112光单独分离出来，作为二维角度测量光；
27.所述合束光l3在所述第一光电探测器上发生干涉，得到的外差干涉信号频谱只包含f1、f2、f3、
……
、fn,分量；
28.所述第一至第n带通滤波器将所述f1、f2、f3、
……
、fn分量分离后，由所述第一至第n相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息取其中n(2≤n≤n-1，n为自然数)对组成拍频信号，根据n组合成波长以及相位差结合，计算靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移δx。
29.优选地：所述激光出射模块发射单频激光，由第二非偏分光镜代替所述偏振分光镜，所述干涉测长模块包括第一非偏分光镜、相位延迟器和第三光电探测器；
30.所述第二非偏分光镜用于：
①
分束：将所述出射光l1分束为测量光l11、参考光l12，所述测量光l11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后记为l111，所述l111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元、为测量光，所述参考光l12仅在测量单元内部传播；
②
合束：将再次经过所述非偏分光镜的参考光l12、由靶镜单元反射的测量光l111透射和反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为合束光l3，合束光l3为参考光l12被非偏分光镜透射、测量光l111被非偏分光镜反射的两束光的叠加光束与参考光l12被非偏分光镜反射、测量光l111被非偏分光镜透射的两束光的叠加光束的其中之一；
③
分离：将测量光l11由所述靶镜单元中的分光器反射的l112光单独分离出来，作为二维角度测量光；
31.所述第一非偏分光镜设置在所述第一检偏器与所述第一光电探测器之间，用于将所述已经干涉的合束光l3分束，其中一束l31由第一光电探测器接收，另一束l32由所述第三光电探测器接收，记所述第一光电探测器、第三光电探测器上的干涉光斑光强分别为i1、i3；
32.所述相位延迟器设置在第一光电探测器或者第三光电探测器之前，用于使所述两个探测器上探测到的干涉光斑信号i1、i3相位相差90
°
，计算所述参考光l12与所述测量光l111的相位差根据所述相位差计算靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移δx。
33.优选地：增加滚转角测量后，实现六自由度几何误差同时测量，其特征在于：
34.在靶镜单元端增加第三λ/4波片，使得所述测量光l111通过所述第三λ/4波片、返回所述测量单元、经过第二λ/4波片后，再次通过所述偏振分光镜时被分束，其中一束光记
为l111
′
，被第一光电探测器接收，另一束光记为l111
″
，被第五光电探测器接收；
35.测量时所述第三λ/4波片随着靶镜单元与测量单元绕x轴转动的相对角度变化量为γ，所述测量光l111的偏振方向旋转角度为γ
′
，所述第一光电探测器与第五光电探测器接收的光强、随着所述角度γ
′
变化而变化，根据测得所述第一光电探测器与第五光电探测器的光强变化、以及所述光强变化与所述角度γ
′
变化的关系、所述角度γ
′
与γ的正比关系，得到靶镜单元与测量单元绕x轴转动的相对角度变化量，即滚转角γ。
36.优选地：所述固定反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器、直角棱镜、两平面反射镜组成的反射镜组中的任意一种，所述靶镜单元反射器为角锥棱镜、猫眼反射镜、三个相互垂直的反射面组成的角立方后向反射器中的任意一种。
37.优选地：所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器和第五光电探测器为qd、psd、ccd、cmos中的任意一种，根据所述第一光电探测器、第三光电探测器和第五光电探测器中任意一个探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元与测量单元沿y轴与z轴的相对直线度误差；所述第四光电探测器为qd、psd、ccd、cmos和pin中的任意一种。
38.根据本发明的另一个方面，提供了一种激光同时测量五自由度几何误差方法，应用于所述系统，所述方法包括：
39.步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差
40.步骤1.1、激光出射模块出射光l1经过所述偏振分光镜时，被分为测量光l11、参考光l12；
41.步骤1.2、所述测量光l11由所述测量单元出射后、入射到所述靶镜单元，被所述靶镜单元的分光器分光，其透射光记为l111、由所述靶镜单元的反射器后向反射后，所述l111的空间位置随着靶镜单元与测量单元沿y轴与z轴的相对直线度误差而变化，l111携带该二维直线度误差信息返回所述测量单元，所述l111再次经过所述偏振分光镜；
42.步骤1.3、所述参考光l12被所述固定反射器后向反射后，再次经过所述偏振分光镜后，与步骤1.2再次经过所述偏振分光镜的所述l111合束，记为l3，由所述第一光电探测器接收；
43.步骤1.4、记录所述第一光电探测器测得合束光斑初始位置；
44.步骤1.5、根据所述第一光电探测器上合束光斑实时位置，与所述合束光斑初始位置对比，得到合束光斑位置变化量；由于合束光斑位置变化仅由其中的测量光l111位置变化引起，根据合束光斑位置变化量计算得到靶镜单元与测量单元沿y轴与z轴的相对直线度误差；
45.步骤2、基于激光干涉测量沿x轴的位置误差
46.步骤2.1、步骤1.1的所述参考光l12被测量单元的固定反射器后向反射后，其偏振状态、频率、相位未发生改变，l12作为干涉长测量信号的参考光；
47.步骤2.2、步骤1.2的所述l111的频率与相位都随着靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移发生变化，l111携带沿x轴直线度误差信息返回到测量单元，作为外差干涉长测量信号的测量光；
48.步骤2.3、步骤2.1的所述参考光l12与步骤2.2的所述测量光l111经过所述偏振分光镜后，所述两束光在空间位置上叠加在一起，经过所述干涉测长模块后，结合第一光电探
测器上测量的信号，计算得到靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移；
49.步骤3、基于自激光准直测量绕y轴与z轴转动的角度误差
50.步骤3.1、步骤1.2的所述靶镜单元的分光器的反射光记为二维角度测量光l112；
51.步骤3.2、所述l112携带二维角度误差信息返回所述测量单元，经过依次所述第二λ/4波片、所述偏振分光镜后，被所述聚焦透镜或透镜组聚焦于所述第二光电探测器上；
52.步骤3.3、记录所述第二光电探测器测得光斑初始位置；
53.步骤3.4、根据所述第二光电探测器上光斑实时位置，与所述光斑初始位置对比，得到光斑位置变化量，根据所述光斑位置变化量计算得到靶镜单元与测量单元绕y轴与z轴旋转的二维相对角度误差。
54.优选地：所述根据合束光斑位置变化量计算沿y轴与z轴的直线度误差，包括：
55.记第一光电探测器上光斑初始位置与实时位置分别为(y10,z10)、(y1
t
,z1
t
)，则靶镜单元与测量单元沿y轴与z轴的相对直线度误差分别为δy＝2(y1
t-y10)，δz＝2(z1
t-z10)。
56.优选地：当对应单频测长时，所述基于激光干涉测量沿x轴的位置误差，包括：
57.步骤(1)、所述参考光l12、测量光l111，经过所述偏振分光镜或者第二非偏分光镜后在空间位置上叠加在一起，记为合束光l3，调整第一检偏器的透光轴方向，所述合束光l3经过所述第一检偏器后发生干涉；
58.步骤(2)、所述干涉光l3经过所述第一非偏分光镜后，分为l31、l32；
59.步骤(3)、所述l31、l32其中一束被相位延迟器延迟相位90
°
后，分别由第一光电探测器、第三光电探测器接收，其上干涉光斑光强分别为i1、i3；
60.步骤(4)、对所述i1、i3进行处理，所述参考光l12与所述测量光l111的相位差记引起的干涉条纹明暗变化次数为n(δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移δx＝n(δx)
·
λ/2。
61.优选地：当对应双频测长时，所述基于激光干涉测量沿x轴的位置误差，包括：
62.步骤(1)、记所述激光出射模块出射光l1包含的具有一定频差的两束偏振光的频率分别为f1、f2，且被所述偏振分光镜分光时，测量光l11频率为f1、参考光l12频率为f2；
63.步骤(2)、记所述测量光l111的随着靶镜单元与测量单元沿x轴相对位移量为δx，由于多普勒效应引起的频率变化量为f(δx)，则所述测量光l111的频率为f1+f(δx)；
64.步骤(3)、在第一光电探测器前设置第一检偏器，调整第一检偏器的透光轴方向，使得线偏振光l12、l111经过所述第一检偏器后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号，有测量拍频信号的频率f
测
＝f1+f(δx)-f2；
65.步骤(4)、所述出射光l1经过所述第三非偏光分光镜时，被所述第三非偏分光镜分束形成另一束激光l2，调整第二检偏器的透光轴方向，使得l2经过所述第二检偏器后发生干涉，干涉光斑被所述第四光电探测器接收，作为外差干涉测长的标准信号，则标准信号频率为f
标
＝f
1-f2；
66.步骤(5)、将步骤(3)获得的测量拍频信号频率f
测
＝f1+f(δx)-f2与步骤(4)获得的标准拍频信号频率f
标
＝f
1-f2相减，得出f(δx)＝f
测-f
标
，记f(δx)引起的干涉条纹明暗变化次数为n(δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移δx＝n(δx)
·
λ/2。
67.优选地：当对应对多波长测长时，所述基于激光干涉测量沿x轴的位置误差，包括：
68.步骤(1)、多波长激光光源输出多波长激光λ1、λ2、λ3、
……
、λn，其频率分别为ν1、ν2、ν3、
……
、νn，经过所述外差频率生成模块后，所述多波长激光的频率变为ν1+f1、ν2+f2、ν3+f3、
……
、νn+fn，记所述多波长激光为出射光l1；
69.步骤(2)、所述出射光l1被所述第二非偏分光镜分束为测量光l11、参考光l12，所述测量光l11、参考光l12都包含多波长激光ν1+f1、ν2+f2、ν3+f3、
……
、νn+fn；
70.步骤(3)、所述测量光l11由所述测量单元出射后、入射到所述靶镜单元，由所述靶镜单元的反射器后向反射，所述后向反射光记为l111，所述l111携带沿x轴直线度误差信息返回到测量单元，作为外差干涉长测量信号的测量光；
71.步骤(4)、所述参考光l12被测量单元的固定反射器后向反射后，经过所述非偏振分光镜后，与所述l111合束，调整第一检偏器的透光轴方向，使得参考光l12与测量光l111在所述第一光电探测器上发生干涉；
72.步骤(5)、所述第一光电探测器探测到外差干涉信号频谱的f1、f2、f3、
……
、fn，等分量，所述第一至第n带通滤波器将所述f1、f2、f3、
……
、fn，等分量分离后，由所述第一至第n相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息取其中两对组成拍频信号，根据两组合成波长以及相位差结合，计算靶镜单元与测量单元沿x轴的相对位移δx。
73.优选地：所述根据所述光斑位置变化量计算绕y轴与z轴旋转的二维角度误差，包括：
74.记第二光电探测器上l112光斑初始位置与实时位置分别为(y0,z0)、(y
t
,z
t
)，则靶镜单元与测量单元绕y轴与z轴旋转的相对角度误差分别为δα＝(y
t-y0)/2f，δβ＝(z-z0)/2f，其中f为所述聚焦透镜或透镜组的焦距。
75.优选地：对应单频测长对应的滚转角测量，在靶镜单元增加第三λ/4波片，可以测量绕x轴转动的角度误差，即可测量六自由度几何误差，包括：
76.步骤(1)、在靶镜单元增加第三λ/4波片，所述测量光l111通过所述第三λ/4波片、返回所述测量单元、再次经过第二λ/4波片后，测量光l111在通过所述偏振分光镜时再次被分束，其中一束光记为l111
′
，被第一光电探测器与第三光电探测器接收，另一束光记为l111
″
，被第五光电探测器接收；
77.步骤(2)、挡住测量光l111，使得第一光电探测器与第三光电探测器上仅接收参考光l12，记录所述第一光电探测器与第三光电探测器光强i
10
、i
30
；
78.步骤(3)、恢复测量光l111，所述第三λ/4波片随着靶镜单元与测量单元绕x轴的相对角度变化量为γ，测量光再次通过所述偏振分光镜时，其偏振方向与其原本偏振方向增加一个夹角γ
′
，γ
′
与γ成正比关系，γ
′
＝k1γ，当所述测量光在靶镜单元中经过1次所述第二λ/4波片时，k1＝1，当所述测量光在靶镜单元中经过2次所述第二λ/4波片时，k1＝2；
79.步骤(4)、所述测量光的l111通过所述偏振分光镜，被所述偏振分光镜分光，其中一束光被第一光电探测器与第三光电探测器接收，记光强为i1(γ)、i3(γ)，另一束光被第五光电探测器接收，记光强为i5(γ)，有函数关系f(γ)＝[i1(γ)-i
10
+i3(γ)-i
30-i5(γ)]/[i1(γ)-i
10
+i3(γ)-i
30
+i5(γ)]；
[0080]
步骤(5)、使靶镜单元绕x轴转动几个特定角度γ1、γ2、
……
，测得对应的f(γ1)、f
(γ2)、
……
，标定出f(γ)与γ的函数曲线；
[0081]
步骤(6)、实时测得光强i1(γ)、i3(γ)、i5(γ)，根据步骤(4)计算f(γ)，根据步骤(5)标定的f(γ)与γ的函数曲线，计算所述靶镜单元与测量单元绕x轴转动相对角度γ。
[0082]
优选地：对应于双频测长对应的滚转角测量，在靶镜单元增加第三λ/4波片，测量绕x轴转动的角度误差，即可测量六自由度几何误差，包括：
[0083]
步骤(1)、在靶镜单元增加第三λ/4波片，所述测量光l111通过所述第三λ/4波片、返回所述测量单元、再次经过第二λ/4波片后，测量光l111在通过所述偏振分光镜时再次被分束，其中一束光记为l111
′
，被第一光电探测器接收，另一束光记为l111
″
，被第五光电探测器接收；
[0084]
步骤(2)、挡住测量光l111，使得第一光电探测器上仅接收参考光l12，记录所述第一光电探测器光强i
10
；
[0085]
步骤(3)、恢复测量光l111，所述第三λ/4波片随着靶镜单元与测量单元绕x轴的相对角度变化量为γ，测量光再次通过所述偏振分光镜时，其偏振方向与其原本偏振方向增加一个夹角γ
′
，γ
′
与γ成正比关系，γ
′
＝k1γ，当所述测量光在靶镜单元中经过1次所述第二λ/4波片时，k1＝1，当所述测量光在靶镜单元中经过2次所述第二λ/4波片时，k1＝2；
[0086]
步骤(4)、所述测量光的l111通过所述偏振分光镜，被所述偏振分光镜分光，其中一束光被第一光电探测器接收，记光强为i1(γ)，另一束光被第五光电探测器接收，记光强为i5(γ)，有函数关系f(γ)＝[i1(γ)-i
10-i5(γ)]/[i1(γ)-i
10
+i5(γ)]；
[0087]
步骤(5)、使靶镜单元绕x轴转动几个特定角度γ1、γ2、
……
，测得对应的f(γ1)、f(γ2)、
……
，标定出f(γ)与γ的函数曲线；
[0088]
步骤(6)、实时测得光强i1(γ)、i5(γ)，根据步骤(4)计算f(γ)，根据步骤(5)标定的f(γ)与γ的函数曲线，计算所述靶镜单元绕x轴转动角度γ。
[0089]
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例可实现：1)沿直线轴做直线运动的空间物体的五/六自由度几何误差的同时快速测量；2)空间中两个物体的五/六自由度位置姿态相对形变长时间监测。
[0090]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0091]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0092]
图1为本发明实施例的透射敏感结构单频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0093]
图2为本发明实施例的反射敏感结构单频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0094]
图3为本发明实施例的透射敏感结构单频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0095]
图4为本发明实施例的透射敏感结构单频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0096]
图5为本发明实施例的反射敏感结构单频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0097]
图6为本发明实施例的反射敏感结构单频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0098]
图7为本发明实施例的透射敏感结构单频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0099]
图8为本发明实施例的透射敏感结构单频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0100]
图9为本发明实施例的反射敏感结构单频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0101]
图10为本发明实施例的反射敏感结构单频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0102]
图11为本发明实施例的透射敏感结构单频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0103]
图12为本发明实施例的反射敏感结构单频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0104]
图13为本发明实施例的透射敏感结构双频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0105]
图14为本发明实施例的反射敏感结构双频激光同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0106]
图15为本发明实施例的透射敏感结构双频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0107]
图16为本发明实施例的透射敏感结构双频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0108]
图17为本发明实施例的透射敏感结构双频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0109]
图18为本发明实施例的反射敏感结构双频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0110]
图19为本发明实施例的反射敏感结构双频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0111]
图20为本发明实施例的反射敏感结构双频激光同时测量六自由度几何误差系统结构图；
[0112]
图21为本发明实施例的透射敏感结构多波长同时测量五自由度几何误差系统结构图；
[0113]
图22为本发明实施例的反射敏感结构多波长同时测量五自由度几何误差系统结构图。
[0114]
图中，测量单元i、靶镜单元ii；单频激光器1、偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一
λ/4波片4、第二λ/4波片5、第一检偏器6、第一非偏分光镜7、λ/2波片8、聚焦透镜9、半透半反镜10、移动角锥棱镜11、第二非偏分光镜12、第三λ/4波片13、双频激光器14、第三非偏分光镜15、多波长激光光源16、外差频率生成模块17，第一带通滤波器18、第二带通滤波器19、第三带通滤波器20、第一相位检测器21、第二相位检测器22、第三相位检测器23，第一光电探测器第二光电探测器第三光电探测器第四光电探测器第五光电探测器
具体实施方式
[0115]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0116]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0117]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0118]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
[0119]
本发明实施例的xyz空间坐标系中，“六自由度几何误差”包括沿x、y、z三个方向平移的三个直线度误差、以及绕x、y、z三个坐标轴旋转的三个角度误差。在后续的实施例中，设定激光光线入射到靶镜单元的方向为x轴的方向。
[0120]
实施例一
[0121]
根据本发明的一个方面，本发明实施例提供的一种激光同时测量五自由度几何误差系统的结构如图1所示，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0122]
测量单元i包括单频激光器1、偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4、第二λ/4波片5、第一检偏器6、第一非偏分光镜7、λ/2波片8、聚焦透镜9、第一光电探测器第二光电探测器第三光电探测器其中单频激光器1组成激光出射模块；第一非偏分光镜7、λ/2波片8、第三光电探测器组成干涉测长模块；聚焦透镜9与第二光电探测器组成二维角度测量模块。
[0123]
靶镜单元ii包括一个半透半反镜10与一个移动角锥棱镜11。
[0124]
在测量单元i中：
[0125]
单频激光器1用于产生出射光l1，且出射光l1为圆偏振光。
[0126]
①
分束：将出射光l1分束为测量光l11、参考光l12，测量光l11射向靶镜单元、被靶镜单元的半透半反镜10透射、移动角锥棱镜11后向反射后记为l111，l111携带三自由度线
性几何误差信号返回测量单元i，作为线性几何误差测量光，参考光l12仅在测量单元i内部传播；
②
合束：将再次经过偏振分光镜2的参考光l12透射，由靶镜单元ii后向反射的测量光l111反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为l3；
③
分离：将由靶镜单元ii的半透半反镜10反射的l112光反射，作为二维角度测量光。
[0127]
固定角锥棱镜3用于后向反射仅在测量单元i内部传播的参考光l12，使参考光l12返回偏振分光镜2；
[0128]
第一λ/4波片4用于改变参考光l12的偏振方向，使得参考光l12被偏振分光镜2反射后，经过第一λ/4波片4透射、固定角锥棱镜3后向反射、第一λ/4波片4透射后，再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2透射，即将原来被反射的状态切换为被透射的状态。
[0129]
第二λ/4波片5用于改变线性几何误差测量光l111、二维角度测量光l112的偏振方向，使得测量光l111、二维角度测量光l112再次经过偏振分光镜时，被偏振分光镜2反射。
[0130]
第一检偏器6设置在偏振分光镜2与第一光电探测器之间，调整第一检偏器的透光轴方向，使得合束光l3经过第一检偏器6后发生干涉。
[0131]
第一非偏分光镜7设置在第一检偏器6与第一光电探测器之间，用于将干涉光l3分束，其中一束由第一光电探测器接收，另一束由第三光电探测器接收记第一光电探测器第三光电探测器上的干涉光斑光强分别为i1、i3。
[0132]
λ/2波片8设置在第一非偏分光镜7与第三光电探测器之前，用于使两个探测器上探测到的干涉光斑信号i1、i3相位相差90
°
，计算参考光l12与测量光l111的相位差根据相位差计算靶镜单元沿x轴的位移δx。
[0133]
聚焦透镜9用于将二维角度测量光l112聚焦于第二光电探测器上。
[0134]
第一光电探测器用于接收包含参考光l12与测量光l111的叠加光束l3，以实现：
①
根据l111在第一光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元ii沿y轴与z轴的直线度误差；
②
配合干涉测长模块实现靶镜单元ii沿x轴的位置误差测量。
[0135]
第二光电探测器用于接收包含二维角度误差信息的二维角度测量光l112，并根据其上二维角度测量光l112光斑位置变化，计算得到靶镜单元绕y轴与z轴旋转的二维角度误差。
[0136]
第三光电探测器用于接收包含参考光l12与测量光l111的叠加光束l3，配合第一光电探测器实现靶镜单元ii沿x轴的位置误差测量。
[0137]
靶镜单元ii中：
[0138]
半透半反镜10用于将射向靶镜单元ii的测量光l11分光：其透射光记为l111，被移动角锥棱镜11后向反射后、携带二维直线度与定位误差信息回到测量单元i；其反射光记为l112，反射光l112与入射光测量光l11分别绕y轴与z轴的角度变化量，为半透半反镜10自身分别绕y轴与z轴的角度变化量的两倍，l112携带二维角度信息回到测量单元i。
[0139]
移动角锥棱镜11用于后向反射测量光l111，使测量光l111返回偏振分光镜2，以实现：
①
改变测量光l111的沿y轴与z轴的空间位置，且其空间位置改变量为移动角锥棱镜11自身沿y轴与z轴的的位移量的两倍；
②
改变测量光l111的光程与频率，其光程与频率的改变量与移动角锥棱镜11自身沿x轴的位移量成正比关系。
[0140]
基于图1所示的系统，本发明实施例提供的一种激光同时测量五自由度几何误差方法的处理流程包含以下步骤：
[0141]
步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差。
[0142]
步骤1.1、单频激光器1的出射光l1经过偏振分光镜2时，被分为测量光l11、参考光l12，其中测量光l11被偏振分光镜2透射，参考光l12被偏振分光镜2反射，且测量光l11与参考光l12皆为线偏振光，且偏振方向相互垂直；
[0143]
步骤1.2、测量光l11经过第二λ/4波片5后，由线偏振光变为圆偏振光，从测量单元i出射后、入射到靶镜单元ii，被靶镜单元ii的半透半反镜10分光，其透射光记为l111、由靶镜单元ii的移动角锥棱镜11后向反射后，l111的空间位置随着靶镜单元ii沿y轴与z轴的直线度误差而变化，l111携带该二维直线度误差信息返回测量单元i，再次经过第二λ/4波片5后，l111由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较l11第一次经过第二λ/4波片5前旋转90
°
，使得l111经过偏振分光镜2时被其反射；
[0144]
步骤1.3、参考光l12经过第一λ/4波片4后，由线偏振光变为圆偏振光，被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过第一λ/4波片4时，由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前旋转90
°
，使得l12再次经过偏振分光镜时被其透射，与步骤1.2中被偏振分光镜反射的l111合束，记为l3，然后经过第一检偏器6、第一非偏分光镜7，最终由第一光电探测器接收；
[0145]
步骤1.4、记录第一光电探测器测得合束光斑l3初始位置(y10,z10)，较优状态为初始位置位于第一光电探测器中心；
[0146]
步骤1.5、根据第一光电探测器上合束光斑l3实时位置(y1
t
,z1
t
)，与合束光斑l3初始位置(y10,z10)对比，得到合束光斑位置变化量；由于合束光斑位置变化仅由其中的测量光l111位置变化引起，可计算得到靶镜单元沿y轴与z轴的直线度误差δy＝2(y1
t-y10)，δz＝2(z1
t-z10)。
[0147]
步骤2、基于单频激光干涉测量沿x轴的位置误差。
[0148]
步骤2.1、步骤1.1的参考光l12被测量单元i的固定角锥棱镜3后向反射后，其偏振状态、频率、相位未发生改变，l12作为干涉长测量信号的参考光；
[0149]
步骤2.2、步骤1.2的l111的频率与相位都随着靶镜单元ii沿x轴的位移发生变化，l111携带沿x轴直线度误差信息返回到测量单元，作为外差干涉长测量信号的测量光；
[0150]
步骤2.3、调整第一检偏器的透光轴方向，步骤1.3的合束光l3经过第一检偏器6后发生干涉；
[0151]
步骤2.4、干涉光l3经过第一非偏分光镜7后，分为透射光l31、反射光l32；
[0152]
步骤2.5、透射光l31由第一光电探测器接收，其干涉光斑光强记为i1，反射光l32被λ/2波片8延迟相位90
°
后，由第三光电探测器接收，其干涉光斑光强记为i3；
[0153]
步骤2.6、参考光l12与测量光l111的相位差通过对i1、i3进行处理，可得引起的干涉条纹明暗变化次数为n(δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元ii沿x轴的位移δx＝n(δx)
·
λ/2。
[0154]
步骤3、基于自激光准直测量绕y轴与z轴转动的角度误差。
[0155]
步骤3.1、步骤1.2的靶镜单元ii的半透半反镜10的反射光记为二维角度测量光l112；
[0156]
步骤3.2、l112携带二维角度误差信息返回测量单元i，经过第二λ/4波片5后、被偏振分光镜2反射，然后被二维角度测量模块的聚焦透镜9聚焦于第二光电探测器上；
[0157]
步骤3.3、记录第二光电探测器测得光斑初始位置(y0,z0)；
[0158]
步骤3.4、根据第二光电探测器上光斑实时位置(y
t
,z
t
)，与光斑初始位置对比，得到光斑位置变化量，根据光斑位置变化量计算得到靶镜单元绕y轴与z轴旋转的二维角度误差分别为δα＝(y
t-y0)/2f，δβ＝(z-z0)/2f，其中f为所述聚焦透镜或透镜组的焦距。
[0159]
本实施例中，将λ/2波片8移至第一非偏分光镜7与第一光电探测器之间，也可实现基于激光干涉测量沿x轴的位置误差。
[0160]
若单频激光器出射光l1为线偏振光，需要增加一个λ/2波片，旋转λ/2波片方向，出射光l1偏振方向与偏振分光镜2光轴呈一定角度入射(优选45
°
)。
[0161]
实施例二
[0162]
图2为本发明实施例二提供的一种激光同时测量五自由度几何误差系统的结构图，如图2所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量五自由度几何误差系统，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0163]
测量单元i与实施例一中测量单元i包含的器件相同，靶镜单元ii与实施例一中靶镜单元ii包含的器件相同，区别在于当出射光l1经过偏振分光镜2时，其反射光作为测量光l11、靶镜单元ii设置在偏振分光镜2的对l1反射的方向上，其透射光作为参考光l12、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4设置在偏振分光镜2的对l1透射的方向上。为方便描述，将实施例一中l1的透射光作为测量光l11的结构称为透射敏感结构，将本实施例中l1的反射光作为测量光l11的结构称为反射敏感结构。
[0164]
在测量单元i中：
[0165]
偏振分光镜2用于：
①
分束：将出射光l1分束为测量光l11、参考光l12，测量光l11射向靶镜单元、被靶镜单元的半透半反镜10透射、移动角锥棱镜11后向反射后记为l111，l111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元i，作为线性几何误差测量光，参考光l12仅在测量单元i内部传播；
②
合束：将再次经过偏振分光镜2的参考光l12反射，由靶镜单元ii后向反射的测量光l111透射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为l3；
③
分离：将由靶镜单元ii的半透半反镜10反射的l112光透射，作为二维角度测量光。
[0166]
第一λ/4波片4用于改变参考光l12的偏振方向，使得参考光l12被偏振分光镜2反射后，经过第一λ/4波片4透射、固定角锥棱镜3后向反射、第一λ/4波片4透射后，再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2反射。
[0167]
第二λ/4波片5用于改变线性几何误差测量光l111、二维角度测量光l112的偏振方向，使得测量光l111、二维角度测量光l112再次经过偏振分光镜时，被偏振分光镜2透射。
[0168]
其他器件作用与实施例一一致，不再赘述。
[0169]
靶镜单元ii中的半透半反镜10与移动角锥棱镜11作用与实施例一一致，不再赘述。
[0170]
基于图2所示的系统，本实施例提供的一种激光同时测量五自由度几何误差方法，该方法包含以下步骤：
[0171]
步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差。
[0172]
步骤1.1、单频激光器1的出射光l1经过偏振分光镜2时，被分为测量光l11、参考光l12，其中测量光l11被偏振分光镜2反射，参考光l12被偏振分光镜2透射，且测量光l11与参考光l12皆为线偏振光，且偏振方向相互垂直；
[0173]
步骤1.2、测量光l11经过第二λ/4波片5后，由线偏振光变为圆偏振光，从测量单元i出射后、入射到靶镜单元ii，被靶镜单元ii的半透半反镜10分光，其透射光记为l111、由靶镜单元ii的移动角锥棱镜11后向反射后，l111的空间位置随着靶镜单元ii沿y轴与z轴的直线度误差而变化，l111携带该二维直线度误差信息返回测量单元i，再次经过第二λ/4波片5后，l111由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较l11第一次经过第二λ/4波片5前旋转90
°
，使得l111经过偏振分光镜2时被其透射；
[0174]
步骤1.3、参考光l12经过第一λ/4波片4后，由线偏振光变为圆偏振光，被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过第一λ/4波片4时，由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前旋转90
°
，使得l12再次经过偏振分光镜时被其反射，与步骤1.2中被偏振分光镜透射的l111合束，记为l3，然后经过第一检偏器6、第一非偏分光镜7，最终由第一光电探测器接收；
[0175]
步骤1.4、步骤1.5与实施例一一致，不再赘述。
[0176]
步骤2、基于单频激光干涉测量沿x轴的位置误差，与实施例一一致，不再赘述。
[0177]
步骤3、基于自激光准直测量绕y轴与z轴转动的角度误差，与实施例一一致，不再赘述。
[0178]
本实施例中，将λ/2波片8移至第一非偏分光镜7与第一光电探测器之间，也可实现基于激光干涉测量沿x轴的位置误差。
[0179]
若单频激光器出射光l1为线偏振光，需要增加一个λ/2波片，旋转λ/2波片方向，出射光l1偏振方向与偏振分光镜2光轴呈一定角度入射(优选45
°
)。
[0180]
实施例三
[0181]
图3为本发明施例三提供的一种激光同时测量五自由度几何误差系统结构图，如图3所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量五自由度几何误差系统，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0182]
测量单元i包括单频激光器1、第二非偏分光镜12、固定角锥棱镜3、第一检偏器6、第一非偏分光镜7、λ/2波片8、聚焦透镜9、第一光电探测器第二光电探测器第三光电探测器其中单频激光器1组成激光出射模块；第一非偏分光镜7、λ/2波片8、第三光电探测器组成干涉测长模块；聚焦透镜9与第二光电探测器组成二维角度测量模块。
[0183]
靶镜单元ii与实施例一相同。
[0184]
在测量单元i中：
[0185]
单频激光器1用于产生出射光l1，出射光l1为圆偏振光或者线偏振光。
[0186]
第二非偏分光镜12用于：
①
分束：将出射光l1分束为测量光l11、参考光l12，测量光l11射向靶镜单元、被靶镜单元的半透半反镜10透射、移动角锥棱镜11后向反射后记为l111，l111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元i，作为线性几何误差测量光，参考光l12仅在测量单元i内部传播；
②
合束：将再次经过第二非偏分光镜12的参考光l12的透射部分与由靶镜单元ii后向反射的测量光l111的反射部分、在空间位置上叠加在一起，记为l3；
③
分离：将由靶镜单元ii的半透半反镜10反射的l112光反射，作为二维角度测量光。
[0187]
固定角锥棱镜3、第一检偏器6、第一非偏分光镜7、λ/2波片8、聚焦透镜9、第一光电探测器第二光电探测器第三光电探测器的作用与实施例一一致，不再赘述。
[0188]
本实施例提供的一种激光同时测量五自由度几何误差方法，该方法包含以下步骤：
[0189]
步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差
[0190]
步骤1.1、单频激光器1的出射光l1经过第二非偏分光镜12时，被分为测量光l11、参考光l12，其中测量光l11被第二非偏分光镜12透射，参考光l12被第二非偏分光镜12反射；
[0191]
步骤1.2、测量光l11从测量单元i出射后、入射到靶镜单元ii，被靶镜单元ii的半透半反镜10分光，其透射光记为l111、由靶镜单元ii的移动角锥棱镜11后向反射后，l111的空间位置随着靶镜单元ii沿y轴与z轴的直线度误差而变化，l111携带该二维直线度误差信息返回测量单元i、经过第二非偏分光镜12时，l111被第二非偏分光镜12分束为反射部分与透射部分；
[0192]
步骤1.3、参考光l12被固定角锥棱镜3后向反射、再次经过第二非偏分光镜12时透射的部分，与步骤1.2中l111被第二非偏分光镜12反射的部分合束，记为l3，然后经过第一检偏器6、第一非偏分光镜7，最终由第一光电探测器接收；
[0193]
步骤1.4、步骤1.5与实施例一一致，不再赘述。
[0194]
步骤2、基于单频激光干涉测量沿x轴的位置误差，与实施例一一致，不再赘述。
[0195]
步骤3、基于自激光准直测量绕y轴与z轴转动的角度误差
[0196]
步骤3.1、与实施例一一致，不再赘述。
[0197]
步骤3.2、l112携带二维角度误差信息返回测量单元i，经过第二非偏分光镜12时，其反射光被二维角度测量模块的聚焦透镜9聚焦于第二光电探测器上；
[0198]
步骤3.3、步骤3.4与实施例一一致，不再赘述。
[0199]
本实施例还有另外三种结构：如图4所示，记l12第二次经过第二非偏分光镜12时反射的部分、与l111被第二非偏分光镜12透射的部分的合束光为l3
′
，将第一检偏器6、干涉测长模块、第一光电探测器设置在合束光l3
′
的出射方向上；如图5所示，采用透射敏感结构，即当出射光l1经过非偏振分光镜12时，其反射光作为测量光l11、靶镜单元ii设置在偏振分光镜2的对l1反射的方向上，其透射光作为参考光l12、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4设置在非偏振分光镜12的对l1透射的方向上；如图6所示，采用透射敏感结构，并将第一检偏器6、干涉测长模块、第一光电探测器设置在合束光l3
′
的出射方向上。
[0200]
实施例四
[0201]
图7为本发明施例四提供的一种激光同时测量六自由度几何误差系统结构图，该系统在实施例一的基础上，加上滚转角测量部分，包括测量单元i增加一个第五光电探测器靶镜单元ii增加一个第三λ/4波片13。如图7所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量六自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0202]
在靶镜单元ii中，增加的第三λ/4波片13用于：
①
将被移动角锥棱镜11后向反射后的测量光l111由圆偏振光变为线偏振光，使得线偏振光回到测量单元i、再次通过第一λ/4波片4时，由线偏振光变为圆偏振光(优选状态)或者椭圆偏振光，然后被偏振分光镜2分束，其中反射光记为l111
′
，透射光记为l111
″
，两者光强之比为1:1(优选状态)或者接近1:1，
②
测量时第三λ/4波片随着靶镜单元ii绕x轴转动γ，所述测量光l111的偏振方向旋转相同角度γ，导致测量光l111的反射光l111
′
与透射光l111
″
光强都发生改变，根据其改变计算得出靶镜单元ii绕x轴转动角度γ。
[0203]
在测量单元i中，增加的第五光电探测器用于接收测量光l111通过偏振分光镜2
的透射光l111
″
，测量光l111的反射光l111
′
与l12合束后记为l3，l3被分束为l31、l32后，分别由第一光电探测器第三光电探测器接收。
[0204]
本实施例提供的一种激光同时测量六自由度线性几何误差方法，该方法包含以下步骤：
[0205]
步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差。
[0206]
步骤1.1、与实施例一一致，不再赘述；
[0207]
步骤1.2、测量光l11经过第二λ/4波片5后，由线偏振光变为圆偏振光，从测量单元i出射后、入射到靶镜单元ii，被靶镜单元ii的半透半反镜10分光，其透射光记为l111、由靶镜单元ii的移动角锥棱镜11后向反射后，l111的空间位置随着靶镜单元ii沿y轴与z轴的直线度误差而变化，l111携带该二维直线度误差信息返回测量单元i，调整第三λ/4波片13的光轴方向，使得l111经过第三λ/4波片13后由圆偏振光变为线偏振光，再次经过第二λ/4波片5后，l111由线偏振光变为圆偏振光(优选状态)或者椭圆偏振光，使得l111经过偏振分光镜2时被其分束，其中反射光记为l111
′
，透射光记为l111
″
，两者光强之比为1:1(优选状态)或者接近1:1；
[0208]
步骤1.3、参考光l12经过第一λ/4波片4后，由线偏振光变为圆偏振光，被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过第一λ/4波片4时，由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前旋转90
°
，使得l12再次经过偏振分光镜时被其透射，与步骤1.2中被偏振分光镜反射的l111
′
合束，记为l3，然后经过第一检偏器6、第一非偏分光镜7，最终由第一光电探测器接收；
[0209]
步骤1.4、步骤1.5、与实施例一一致，不再赘述。
[0210]
步骤2、基于单频激光干涉测量沿x轴的位置误差，与实施例一一致，不再赘述。
[0211]
步骤3、基于自激光准直测量绕y轴与z轴转动的角度误差，与实施例一一致，不再赘述。
[0212]
步骤4、基于偏振差分光强测量绕x轴转动的角度误差。
[0213]
步骤4.1、在靶镜单元ii增加第三λ/4波片13，测量光l111通过第三λ/4波片13、返回测量单元i、再次经过第二λ/4波片5后，测量光l111在通过偏振分光镜2时再次被分束，其中一束反射光记为l111
′
，依然被第一光电探测器与第三光电探测器接收，另一束透射光记为l111
″
，被第五光电探测器收；
[0214]
步骤4.2、挡住测量光l111，使得第一光电探测器与第三光电探测器上仅接收参考光l12，记录第一光电探测器与第三光电探测器光强i
10
、i
30
；
[0215]
步骤4.3、恢复测量光l111，当靶镜单元ii绕x轴转动γ时，第三λ/4波片13随之转动γ，使得测量光l111再次通过偏振分光镜2时，其偏振方向与其原本偏振方向增加一个夹角γ
′
，该夹角与靶镜单元绕x轴转动角度γ相等；
[0216]
步骤4.4、测量光的l111通过偏振分光镜2，被偏振分光镜2分光，其中一束反射光最终被第一光电探测器与第三光电探测器接收，记光强为i1(γ)、i3(γ)，另一束透射光最终被第五光电探测器接收，记光强为i5(γ)，有函数关系f(γ)＝[i1(γ)-i
10
+i3(γ)-i
30-i5(γ)]/[i1(γ)-i
10
+i3(γ)-i
30
+i5(γ)]；
[0217]
步骤4.5、使靶镜单元ii绕x轴转动几个特定角度γ1、γ2、
……
，测得对应的f(γ1)、f(γ2)、
……
，标定出f(γ)与γ的函数曲线；
[0218]
步骤4.6、实时测得光强i1(γ)、i3(γ)、i5(γ)，根据步骤4.4计算f(γ)，根据步骤4.5标定的f(γ)与γ的函数曲线，计算靶镜单元ii绕x轴转动角度γ。
[0219]
本实施例还有另外三种结构：
[0220]
①
如图8所示，将第三λ/4波片13移动到测量单元i中，放置于测量光l111返回测量单元i、入射到偏振分光镜2之前的位置；将第二λ/4波片5移动到靶镜单元ii中，放置于半透半反镜10之前。为方便描述，将图7中第二λ/4波片5在测量单元i、第三λ/4波片13在靶镜单元ii的滚转角测量结构称为第一种滚转角测量结构，将图8中第二λ/4波片5在靶镜单元ii、第三λ/4波片13在测量单元i的滚转角测量结构称为第二种滚转角测量结构。测量光l11经过在靶镜单元ii中的第三λ/4波片13，然后再被半透半反镜10透射、被移动角锥棱镜11后向反射、再次经过第三λ/4波片13后，返回测量单元i。当第三λ/4波片随着靶镜单元ii绕x轴转动γ，所述测量光l111的偏振方向旋转角度γ
′
＝2γ，测量光l111被振分光镜2分束后的反射光l111
′
与透射光l111
″
光强变化量为第一种滚转角测量结构的两倍，靶镜单元ii绕x轴转动角度γ的分辨率提高一倍。
[0221]
②
如图9所示，采用反射敏感结构与第一种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率与图7所示的透射敏感结构与第一种滚转角测量结构一致。
[0222]
③
如图10所示，采用反射敏感结构与第二种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率与图8所示的透射敏感结构与第二种滚转角测量结构一致。
[0223]
实施例五
[0224]
图11为本发明施例五提供的一种激光同时测量六自由度几何误差系统结构图。如图11所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量六自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0225]
与图7所示的实施例七的系统相比，区别在于测量单元i减少第二λ/4波片5，靶镜单元ii的第三λ/4波片13移动到半透半反镜10之前。将此种滚转角测量结构称为第三种滚转角测量结构。且靶镜单元ii的第三λ/4波片13、代替实施例七测量单元i中的第二λ/4波片5，实现改变线性几何误差测量光l111、二维角度测量光l112的偏振方向的作用，使得：
①
二维角度测量光l112再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2反射；
②
测量光l111再次经过偏振分光镜2时，被偏振分光镜2分束，其中反射光记为l111
′
，透射光记为l111
″
，两者光强之比接近1:1；
③
测量时所述第三λ/4波片随着靶镜单元ii绕x轴转动γ，所述测量光l111的偏振方向旋转角度γ
′
＝γ，导致测量光l111的反射光l111
′
与透射光l111
″
光强发生改变，根据其改变计算得出靶镜单元ii绕x轴转动角度γ。
[0226]
本实施例还有另外一种结构：如图12所示，采用反射敏感结构与第三种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率与图11所示的透射敏感结构与第三种滚转角测量结构一致。
[0227]
实施例六
[0228]
图13为本发明施例十三的激光同时测量五自由度几何误差系统结构图，如图13所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量五自由度几何误差系统，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0229]
测量单元i包括双频激光器14、偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4、第二λ/4波片5、第一检偏器6、聚焦透镜9、第三非偏分光镜15、第二检偏器16、第一光电探测器第二光电探测器第四光电探测器其中双频激光器14组成激光出射模块；第三非偏
分光镜15、第二检偏器16、第四光电探测器组成干涉测长模块；聚焦透镜9与第二光电探测器组成二维角度测量模块。
[0230]
靶镜单元ii包括一个半透半反镜10与一个移动角锥棱镜11，与实施例一一致。
[0231]
在测量单元i中：
[0232]
双频激光器14用于产生出射光l1，且出射光l1为两束空间位置叠加、具有一定频差、且偏振方向相互垂直的偏振光。
[0233]
第三非偏分光镜15设置在双频激光器14与偏振分光镜2之间，出射光l1在保持原方向出射外、由第三非偏分光镜14分束，其反射光记为l2。
[0234]
第二检偏器16设置在第三非偏分光镜15与第四光电探测器之间，调整第二检偏器16的透光轴方向，反射光l2经过第二检偏器16后发生干涉，干涉光斑被第四光电探测器接收，作为外差干涉测长的参考信号。
[0235]
第四光电探测器用于接收l2的干涉光斑，作为外差干涉测长的标准信号。
[0236]
调整第一检偏器6的透光轴方向，合束光l3经过第一检偏器6后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号；根据参考信号、测量信号、标准信号计算得出靶镜单元沿x轴的位移。
[0237]
偏振分光镜2、固定角锥棱镜3、第一λ/4波片4、第二λ/4波片5、第一检偏器6、聚焦透镜9、第一光电探测器第二光电探测器的作用与实施例一一致，不再赘述。
[0238]
本实施例提供的一种激光同时测量五自由度几何误差方法，该方法包含以下步骤：
[0239]
步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差。
[0240]
步骤1.1、双频激光器14的出射光l1经过偏振分光镜2时，被分为测量光l11、参考光l12，其中测量光l11被偏振分光镜2透射，参考光l12被偏振分光镜2反射，且测量光l11与参考光l12皆为线偏振光，且偏振方向相互垂直；
[0241]
步骤1.2、与实施例一一致，不再赘述；
[0242]
步骤1.3、参考光l12经过第一λ/4波片4后，由线偏振光变为圆偏振光，被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过第一λ/4波片4时，由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前旋转90
°
，使得l12再次经过偏振分光镜时被其透射，与步骤1.2中被偏振分光镜反射的l111合束，记为l3，然后经过第一检偏器6，最终由第一光电探测器接收；
[0243]
步骤1.4、步骤1.5、与实施例一一致，不再赘述。
[0244]
步骤2、基于双频激光干涉测量沿x轴的位置误差。
[0245]
步骤2.1、记l1包含的具有一定频差的两束偏振光的频率分别为f1、f2，且被偏振分光镜2分光时，测量光l11频率为f1、参考光l12频率为f2；
[0246]
步骤2.2、记测量光l111的随着靶镜单元沿x轴位移量为δx，由于多普勒效应引起的频率变化量为f(δx)，则测量光l111的频率为f1+f(δx)；
[0247]
步骤2.3、在第一光电探测器前设置第一检偏器6，调整检偏器的透光轴方向，使得合束光l3(包含l12、l111)经过第一检偏器6后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号，有测量信号的频率f
测
＝f1+f(δx)-f2；
[0248]
步骤2.4、出射光l1经过第三非偏分光镜15时，在第三非偏分光镜15反射方向上形成另一束激光l2，l2也包含具有一定频差的两束偏振光，l2经过第二检偏器16后发生干涉，
干涉光斑被第四光电探测器接收，作为外差干涉测长的标准信号，则标准信号频率为f
标
＝f
1-f2[0249]
步骤2.5、将步骤2.3获得的测量信号频率f
测
＝f1+f(δx)-f2与步骤2.4获得的标准信号频率f
标
＝f
1-f2相减，可以得出f(δx)＝f
测-f
标
，记f(δx)引起的干涉条纹明暗变化次数为n(δx)，激光器输出激光波长为λ，则靶镜单元沿x轴的位移δx＝n(δx)
·
λ/2。
[0250]
步骤3、基于自激光准直测量绕y轴与z轴转动的角度误差，与实施例一一致，不再赘述。
[0251]
在实际应用中，上述步骤1、步骤2、步骤3可以改变顺序。
[0252]
本实施例还有可以采用如图14所示的反射敏感结构来实现激光同时测量五自由度几何误差。
[0253]
实施例七
[0254]
图15为本发明施例七提供的一种激光同时测量六自由度几何误差系统结构图，该系统在实施例六的图13所示测量系统的基础上，加上滚转角测量部分，包括测量单元i增加一个第五光电探测器靶镜单元ii增加一个第三λ/4波片13。即采用双频测长、透射敏感结构与第三种滚转角测量结构相结合的系统结构。
[0255]
如图15所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量六自由度线性几何误差系统，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0256]
本实施例提供的一种激光同时测量六自由度线性几何误差方法，该方法包含以下步骤：
[0257]
步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差。
[0258]
步骤1.1、与实施例六一致，不再赘述；
[0259]
步骤1.2、与实施例四一致，不再赘述；
[0260]
步骤1.3、参考光l12经过第一λ/4波片4后，由线偏振光变为圆偏振光，被固定角锥棱镜3后向反射，再次经过第一λ/4波片4时，由圆偏振光变为线偏振光，但偏振方向较之前旋转90
°
，使得l12再次经过偏振分光镜时被其透射，与步骤1.2中被偏振分光镜反射的l111
′
合束，记为l3，然后经过第一检偏器6后由第一光电探测器接收；
[0261]
步骤1.4、步骤1.5、与实施例一一致，不再赘述。
[0262]
步骤2、基于双频激光干涉测量沿x轴的位置误差。
[0263]
步骤2.1、步骤2.2、与实施例六一致，不再赘述；
[0264]
步骤2.3、在第一光电探测器前设置第一检偏器6，调整检偏器的透光轴方向，使得合束光l3(包含l12、l111
′
)经过第一检偏器6后发生干涉，干涉光斑被第一光电探测器接收，作为外差干涉测长的测量信号，有测量信号的频率f
测
＝f1+f(δx)-f2；
[0265]
步骤2.4、步骤2.5、与实施例六一致，不再赘述。
[0266]
步骤3、基于自激光准直测量绕y轴与z轴转动的角度误差，与实施例一一致，不再赘述。
[0267]
步骤4、基于偏振差分光强测量绕x轴转动的角度误差。
[0268]
步骤4.1、在靶镜单元ii增加第三λ/4波片13，测量光l111通过第三λ/4波片13、返回测量单元i、再次经过第二λ/4波片5后，测量光l111在通过偏振分光镜2时再次被分束，其中一束反射光记为l111
′
，依然被第一光电探测器接收，另一束透射光记为l111
″
，被第五
光电探测器收；
[0269]
步骤4.2、挡住测量光l111，使得第一光电探测器上仅接收参考光l12，记录第一光电探测器光强i
10
；
[0270]
步骤4.3、与实施例四一致，不再赘述；
[0271]
步骤4.4、测量光的l111通过偏振分光镜2，被偏振分光镜2分光，其中一束反射光最终被第一光电探测器接收，记光强为i1(γ)，另一束透射光最终被第五光电探测器接收，记光强为i5(γ)，有函数关系f(γ)＝[i1(γ)-i
10-i5(γ)]/[i1(γ)-i
10
+i5(γ)]；
[0272]
步骤4.5、与实施例四一致，不再赘述；
[0273]
步骤4.6、实时测得光强i1(γ)、i5(γ)，根据步骤4.4计算f(γ)，根据步骤4.5标定的f(γ)与γ的函数曲线，计算靶镜单元ii绕x轴转动角度γ。
[0274]
本实施例还有另外五种结构：
[0275]
①
如图16所示，采用透射敏感结构与第二种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率比图15所示的透射敏感结构与第一种滚转角测量结构提高一倍。
[0276]
②
如图17所示，采用透射敏感结构与第三种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率与图15所示的透射敏感结构与第一种滚转角测量结构一致。
[0277]
③
如图18所示，采用反射敏感结构与第一种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率比图15所示的透射敏感结构与第一种滚转角测量结构一致。
[0278]
④
如图19所示，采用反射敏感结构与第二种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率与图15所示的透射敏感结构与第一种滚转角测量结构提高一倍。
[0279]
⑤
如图20所示，采用反射敏感结构与第三种滚转角测量结构，滚转角测量分辨率与图15所示的透射敏感结构与第一种滚转角测量结构一致。
[0280]
实施例八
[0281]
如图21所示，根据本发明的一个方面，提供了一种激光同时测量五自由度几何误差系统，该系统由测量单元i与靶镜单元ii组成。
[0282]
测量单元i包括多波长激光光源16、外差频率生成模块17、第二非偏分光镜12、固定角锥棱镜3、第一检偏器6、聚焦透镜9、第一光电探测器第二光电探测器第一带通滤波器18、第二带通滤波器19、第三带通滤波器20、第一相位检测器21、第二相位检测器22、第三相位检测器23。其中多波长激光光源16、外差频率生成模块17组成激光出射模块；第一带通滤波器18、第二带通滤波器19、第三带通滤波器20、第一相位检测器21、第二相位检测器22、第三相位检测器23组成干涉测长模块；聚焦透镜9与第二光电探测器组成二维角度测量模块。
[0283]
靶镜单元ii包括一个半透半反镜10与一个移动角锥棱镜11，与实施例一一致。
[0284]
在测量单元i中：
[0285]
多波长激光光源16用于产生出射光l1，且出射光l1为多波长激光λ1、λ2、λ3，其频率分别为ν1、ν2、ν3。
[0286]
外差频率生成模块17用于将出射光l1的频率变为ν1+f1、ν2+f2、ν3+f3。
[0287]
非偏分光镜12用于：
①
分束：将出射光l1分束为测量光l11、参考光l12，测量光l11射向靶镜单元、被靶镜单元后向反射后记为l111，l111携带三自由度线性几何误差信号返回测量单元、为测量光，参考光l12仅在测量单元内部传播；
②
合束：将再次经过非偏分光镜
12的参考光l12透射、由靶镜单元反射的测量光l111反射，使两束光在空间位置上叠加在一起，记为l3；
③
分离：将测量光l11由所述靶镜单元中的分光器反射的l112光单独分离出来，作为二维角度测量光。
[0288]
第一检偏器6设置在第二非偏分光镜12与第一光电探测器之间，调整第一检偏器6的透光轴方向，使合束光l3、经过第一检偏器6后发生干涉。
[0289]
第一光电探测器用于接收合束光l3，以实现：
①
根据l111在第一光电探测器上光斑位置变化，计算得到靶镜单元ii沿y轴与z轴的直线度误差；
②
配合干涉测长模块实现靶镜单元ii沿x轴的位置误差测量。
[0290]
第一光电探测器的响应频谱无法达到光学频率，测得合束光l3的外差干涉信号频谱只包含f1、f2、f3等分量。干涉测长模块的第一至第三带通滤波器将第一光电探测器的f1、f2、f3等分量分离后，由第一至第三相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息等分量分离后，由第一至第三相位检测器测得各个波长对应的测距相位信息取其中两对组成拍频信号，根据两组合成波长以及相位差结合，计算靶镜单元沿x轴的位移δx。
[0291]
本实施例提供的一种激光同时测量五自由度几何误差方法，该方法包含以下步骤：
[0292]
步骤1、基于激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差。
[0293]
采用多波长激光光源16后，出射光l1为包含了多波长激光λ1、λ2、λ3，但激光准直原理测量沿y轴与z轴的直线度误差时，只对探测器上的光斑位置进行探测，这一点与单频激光器测量时没有区别，与实施例一一致，不再赘述。
[0294]
步骤2、基于多波长激光干涉测量沿x轴的位置误差。
[0295]
步骤2.1、多波长激光光源16出射光l1包含多波长激光λ1、λ2、λ3，其频率分别为ν1、ν2、ν3，经过外差频率生成模块17后，多波长激光的频率变为ν1+f1、ν2+f2、ν3+f3；
[0296]
步骤2.2、出射光l1被非偏分光镜12分束为测量光l11、参考光l12，测量光l11、参考光l12都包含多波长激光ν1+f1、ν2+f2、ν3+f3；
[0297]
步骤2.3、测量光l11由测量单元i出射后、入射到靶镜单元ii，由靶镜单元ii的半透半反镜10后向反射，后向反射光记为l111，l111携带沿x轴直线度误差信息返回到测量单元i，作为外差干涉长测量信号的测量光；
[0298]
步骤2.4、参考光l12被测量单元i的固定角锥棱镜3后向反射，经过非偏振分光镜12的透射部分，与l111经过非偏振分光镜12的反射部分合束，合束光记为l3，调整第一检偏器6的透光轴方向，经过第一检偏器6后，在第一光电探测器上发生干涉；
[0299]
步骤2.5、第一光电探测器探测到外差干涉信号频谱的f1、f2、f3等分量，第一至第三带通滤波器18-20将f1、f2、f3等分量分离后，由第一至第三相位检测器21-23测得各个波长对应的测距相位信息取其中两对组成拍频信号，根据两组合成波长以及相位差结合，可以计算靶镜单元ii沿x轴的位移δx。
[0300]
本实施例还有另外三种结构：
[0301]
如图22所示，采用反射敏感结构；
[0302]
采用透射敏感结构，记l12第二次经过第二非偏分光镜12时反射的部分、与l111被第二非偏分光镜12透射的部分的合束光为l3
′
，将第一检偏器6、第一光电探测器设置在合束光l3
′
的出射方向上；
[0303]
采用反射敏感结构，记l12第二次经过第二非偏分光镜12时反射的部分、与l111被第二非偏分光镜12透射的部分的合束光为l3
′
，将第一检偏器6、第一光电探测器设置在合束光l3
′
的出射方向上。
[0304]
综上所述，本发明实施例的系统可以沿直线轴做直线运动的空间物体的五/六自由度几何误差的同时快速测量；空间中两个物体的五/六自由度位置姿态相对变化的长时间监测。
[0305]
本说明书中的各个实施例均描述的靶镜单元沿着直线轴做直线运动时，空间物体的五/六自由度几何误差的同时快速测量系统与方法，所有实施例中的系统，在完成光路调试后：
①
使靶镜单元ii保持静止、测量单元i与空间物体一起沿着直线轴做直线运动，也可实现空间物体的五/六自由度几何误差的同时快速测量；
②
使测量单元i与靶镜单元ii保持静止，长时间监测测量单元测得的数据，即可实现空间中两个物体的五/六自由度位置姿态相对变化的长时间监测。
[0306]
在多波长测量的时候，是真正的单探测器测量。单频和双频测长时，都需要配备至少一个探测器进行辅助测量，本发明通过第一光电探测器配合不同的干涉测长模块，利用单个光学器件构成的靶镜和单个探测器，在国际上首次同时实现三个线性误差(即x、y、z三个方向平移的三个直线度误差)的测量，进而首次实现利用基于单角锥的单靶镜的五、六自由度误差同时测量。在采用单频激光器与双频激光器进行测量时，还可以通过增加四分之一波片以及滚转角测量模块，来实现基于单个探测器的三个线性误差与滚转角误差的测量。基于以上两点可以获得以下有益效果：
①
简化光路结构、减少测量系统的复杂性以及测量单元和靶镜单元的体积，便于实际应用；
②
减少探测器数量从而减少电路功耗、减少散热量、提高测量系统的稳定性，同时降低测量系统成本。
[0307]
本发明可以同时测量五自由度或者六自由度误差，与现有的单自由度测量系统与方法相比，极大的提高了测量效率。
[0308]
基于偏振光强差分测量滚转角，测量原理简单、测量灵敏度与精度较高。
[0309]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0310]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0311]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术
人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0312]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。