7)，经第一偏振分光镜（7)的透 射和反射后分为透射光束和反射光束：合成出射光入射到第一偏振分光镜（7)输出频率为 Af1的透射光束与消偏振分光镜反射光束入射到第一偏振分光镜（7)输出频率为:^的 反射光束合成一束射向第一检偏器（17)，经第一检偏器（17)入射到第一光电探测器（18) 接收，产生第一路测量信号；合成出射光入射到第一偏振分光镜（7)输出频率为f 2± ^4的 反射光束与消偏振分光镜反射光束入射到第一偏振分光镜（7)输出频率为A的透射光束 合成一束射向第二检偏器（19)，经第二检偏器（19)入射到第二光电探测器（20)接收，产生 第二路测量信号； 1. 2)误差检测与补偿光路： 1. 2. 1)双频激光器（1)输出光束经第一普通分光镜（2)透射外还反射有一路反射光 束，该反射光束入射到第二普通分光镜（5)上，经其反射后入射到平面反射镜（10)再次反 射，平面反射镜（10)反射后的光束依次经第二普通分光镜（5)透射、凸透镜（4)聚焦后形 成光斑，投射到位置敏感探测器（3); 1.2.2)渥拉斯顿棱镜（8)的合成出射光经第三普通分光镜（13)透射外还反射有一路 反射光束，该反射光束入射到第二偏振分光镜（14)中，第二偏振分光镜（14)将来自于反射 棱镜（9)的上直角棱镜的光束反射到第一四象限探测器（15)形成光斑，并将来自于反射棱 镜（9)的下直角棱镜的光束透射到第二四象限探测器（16)形成光斑； 2) 将移动平台（11)移动至被测对象的一端作为测量初始位置，并测量相关常数，包 括反射棱镜（9)上下直角棱镜的直角棱边交点与移动平台（11)之间的距离H、测量镜支架 (12)与反射棱镜（9)上下直角棱镜的直角棱边交点的距离B以及测量镜支架（12)与渥拉 斯顿棱镜（8)之间的距离s Q; 测量前，调节位置敏感探测器（3)以及两个四象限探测器（15)和（16)，使激光光斑能 入射到各自的中心；测量中，被测对象的移动平台（11)从初始位置向另一端运动，各个探 测器的探测信号经处理后得到被测对象的各个自由度参数； 3) 激光外差干涉光路根据几何关系采用以下公式得到被测对象在运动过程中的垂直 直线度误差及其直线度误差位置： 垂直直线度误差：ΔΑ=? 2sin Θ L+U 直线度误差位置4 = 其中，Θ为渥拉斯顿棱镜分束角的一半，L1为第一路位移测量值，L2为第二路位移测量 值； 4) 误差检测与补偿光路分别采用偏摆角和俯仰角检测方法、滚转角和水平直线度检测 方法同时测量得到被测对象的偏摆角、俯仰角、滚转角和水平直线度的四个自由度，并采用 误差补偿方法对激光外差干涉光路测量的垂直直线度及其位置的误差进行补偿，从而完成 被测对象的六自由度检测，实现对外差干涉直线度的测量。
7. 根据权利要求6所述装置的一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量方 法，其特征在于： 所述的第一路位移测量值L1和第二路位移测量值L 2分别采用以下方式计算得到： 3. 1)由双频激光器（1)输出的参考信号和第一光电探测器（18)输出的第一路测量信 号采用以下公式计算得到第一路位移测量值L 1: 其中，Λ 为频率为f i的光束由于被测对象运动导致的多普勒频移，λ 频率为f 1 的光束波长，为第一偏振分光镜（7)输出的透射光束的频率，t为时间； 3.2)由双频激光器（1)输出的参考信号和第二光电探测器（20)输出的第二路测量信 号采用以下公式计算得到第二路位移测量值L2: & =脊1抑' 其中，Af2为频率Sf2的光束由于被测对象运动导致的多普勒频移，λ 2为频率Sf 2 的光束波长，为第一偏振分光镜（7)输出的反射光束的频率。
8. 根据权利要求6所述装置的一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量方 法，其特征在于：所述步骤4)中的偏摆角和俯仰角检测方法具体包括：测量开始前，调节位 置敏感探测器（3)的位置，使位置敏感探测器（3)上的光斑位于其中心；测量过程中，根据 位置敏感探测器（3)探测的光斑位置偏移量，采用以下公式计算得到被测对象运动过程中 的偏摆角误差和俯仰角误差： 偏摆角误差=^l 俯仰角误差： 其中，Axpsd为位置敏感探测器水平方向上的光斑位置偏移量，AypsilS位置敏感探测 器垂直方向上的光斑位置偏移量，f为凸透镜的焦距。
9. 根据权利要求6所述装置的一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量方 法，其特征在于：所述步骤4)中的滚转角和水平直线度检测方法具体包括：测量开始前，调 节两个四象限探测器（15)和（16)的位置，使两个四象限探测器上的光斑分别位于各自的 中心；测量过程中，根据两个四象限探测器探测的光斑位置偏移量与被测对象运动过程中 各个自由度的映射关系，采用以下公式计算得到被测对象运动过程中的滚转角误差和水平 直线度误差：
其中，Axqdi为第一四象限探测器（15)水平方向上的光斑位置偏移量，Axqd2为第二四 象限探测器（16)水平方向上的光斑位置偏移量，B为测量镜支架（12)与上下直角棱镜的 直角棱边交点的距离，L为直角棱镜斜边的长度，H为上下直角棱镜的直角棱边交点与移动 平台之间的距离，η为直角棱镜材料的折射率，S tl为测量开始前被测对象的移动平台在初始 位置时测量镜支架与渥拉斯顿棱镜之间的距离，α为偏摆角误差，γ为滚转角误差，s为直 线度误差的位置，Θ为渥拉斯顿棱镜分束角的一半。
10. 根据权利要求6所述装置的一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量方 法，其特征在于：所述步骤4)中的误差补偿方法具体包括：测量过程中，被测对象转动会影 响垂直直线度误差及其位置的测量结果，采用以下公式计算得到对激光外差干涉法测得的 垂直直线度误差及其位置的补偿： 补偿后的垂直直线度误差：ΔΥ =Ah-(S(l+s-B)f3 补偿后的直线度误差位置：5 + Δ/7# _ ^ A 2/7 其中，B为测量镜支架（12)与上下直角棱镜的直角棱边交点的距离，L为直角棱镜斜边 的长度，H为上下直角棱镜的直角棱边交点与移动平台之间的距离，η为直角棱镜材料的折 射率，Stl为测量开始前被测对象的移动平台在初始位置时测量镜支架与渥拉斯顿棱镜之间 的距离，α为偏摆角误差，β为俯仰角误差，Ah为垂直直线度误差，s为直线度误差的位 置。
【专利摘要】本发明公开了一种具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法。包括激光外差干涉直线度与其位置检测部分和误差检测与补偿部分；在激光外差干涉直线度与其位置检测部分的光路结构中，加入由三个普通分光镜、一个偏振分光镜、一个平面反射镜、一个凸透镜、一个位置敏感探测器和两个四象限探测器构成的四自由度误差检测光路，本发明利用了激光外差干涉法与激光光斑检测法相结合的方法，实现了被测对象的偏摆角、俯仰角、滚转角、水平直线度、垂直直线度以及直线度位置的六自由度同时检测，并对垂直直线度及其位置进行了误差补偿，消除了直线度测量过程中被测对象转动误差对测量结果的影响，提高了激光外差干涉直线度及其位置的测量精度。
【IPC分类】G01B11-27, G01B11-00
【公开号】CN104634283
【申请号】CN201510067188
【发明人】陈本永, 严利平, 张恩政, 徐斌
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年2月6日