可同时实现三维位移测量的激光测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量领域，具体是一种可同时实现三维位移测量的激光测量装置 及方法。
【背景技术】
[0002] 随着现代化国防建设、工业生产和科学技术的飞跃发展，在微型机械、超精密加 工、微型装配和纳米技术等领域都需要较大范围的精密位移量的定位与测量。其中位移测 量在当今机械加工与计量所存在的纳米时代显得十分重要，尤其是在超精密工作台及数控 机床上的应用。角度测量是几何量测量的重要组成部分，微小角度的测量在精密加工、航 空航天、军事和通讯等许多领域都具有极其重要的意义和作用。激光测量线位移与角位移 的方法在高精度、高动态条件下能同时实现多个自由度的测量，并且具有速度快、非接触测 量、功耗小、小型化等优势，是物体位置参数测量发展的重要方法之一。
[0003] 目前的实时检测系统很多都采用激光干涉仪结构，如HP5529A动态校正装置、 RenishaiZygo等激光测量系统。这些光学结构系统都采用了成熟的光学测量技术，加强了 数据采集和处理功能，具有较高的测量精度。但是，进行测量的时候，还是停留在单参数的 测量，安装一次仅测量一项参数分量，其测量的过程比较麻烦，不能满足同时进行多个参量 的实时动态测量的要求。德国SIOS三光束干涉仪，可以同时进行一维长度位移和二维角位 移的测量。但是，这是一种间接测量方法，通过测量距离换算成角度，引入误差大，精度低， 且采用的整个系统结构装置比较复杂，调节不方便并且费时，成本较高。总体上来说，至今 还没有成功研制一种结构简单、测量范围大、调节方便、性能可靠、精度高、算法简单、成本 较低的可同时实现多个参量测量的激光测量系统。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种可同时实现三维位移测量的激光测量装置及方法，以解 决现有技术存在的问题。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] 可同时实现三维位移测量的激光测量装置，其特征在于：包括有稳频氦氖激光，稳 频氦氖激光器出射光路的后方设置有第二偏振分光棱镜，且稳频氦氖激光器光出射端正对 第二偏振分光棱镜后镜面的左侧，稳频氦氖激光器与第二偏振分光棱镜之间的稳频氦氖激 光器出射光路的后方还依次设置有光隔离器、第一小孔光阑、第一偏振分光棱镜，第一偏振 分光棱镜的后镜面紧贴设置有偏振片，第一偏振分光棱镜的前镜面紧贴设置有第一四分之 一波片，第一偏振分光棱镜的左镜面紧贴设置有平凸透镜，第一偏振分光棱镜的左镜面外 设置有对准平凸透镜的四象限探测器，所述第二偏振分光棱镜左镜面紧贴设置有第二四分 之一波片，第二偏振分光棱镜前镜面左侧紧贴设置有第三四分之一波片，第二偏振分光棱 镜前镜面右侧紧贴设置有第四四分之一波片，第二偏振分光棱镜右镜面前侧紧贴设置有第 一直角棱镜，第二偏振分光棱镜后镜面右侧紧贴设置有第二直角棱镜，且第一、第二直角棱 镜分别通过各自斜边面紧贴于第二偏振分光棱镜对应镜面上，第二偏振分光棱镜左镜面外 设置有第一平面反射镜，第二偏振分光棱镜前镜面外设置有第二平面反射镜，且第一平面 反射镜正对第二四分之一波片，第二平面发射镜正对第三四分之一波片和第四四分之一波 片，还包括消偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第四偏振分光棱镜，所述消偏振分光棱镜 的左镜面正对第二偏振分光棱镜的右镜面后侧，且消偏振分光棱镜的左镜面紧贴设置有第 五四分之一波片，消偏振分光棱镜的左镜面与第二偏振分光棱镜之间还设置有第二小孔光 阑，所述第三偏振分光棱镜通过其前镜面紧贴设置于消偏振分光棱镜的后镜面，第四偏振 分光棱镜通过其左镜面紧贴设置于消偏振分光棱镜的右镜面，且第三偏振分光棱镜前镜面 与消偏振分光棱镜后镜面之间设置有二分之一波片，第三偏振分光棱镜的右镜面外设置有 第一光电二极管，第三偏振分光棱镜的后镜面外设置有第三光电二极管，第四偏振分光棱 镜的右镜面外设置有第二光电二极管，第四偏振分光棱镜的前镜面外设置有第四光电二极 管，且第一光电二极管、第三光电二极管分别正对第三偏振分光棱镜的右镜面、后镜面，第 二光电二极管、第四光电二极管分别正对第四偏振分光棱镜的右镜面、前镜面。
[0007] 所述的可同时实现三维位移测量的激光测量装置，其特征在于：稳频氦氖激光器 发出的光束，先经过光隔离器和第一小孔光阑后，再通过偏振片变为线偏振P光，偏振P光 入射到第一偏振分光棱镜，再经过第一四分之一波片出射，此时线偏振P光变为椭圆偏光， 椭圆偏光入射到第二偏振分光棱镜被分为P光和S光，P光与S光的光强比为2:1，以P光 作为测量光束，S光作为偏振干涉测量线位移的参考光束，S光透过第二四分之一波片变为 圆偏光后，在第一平面反射镜处反射再次经过第二四分之一波片，圆偏光变成P光，该P光 经过第二偏振分光棱镜透射到第一直角棱镜，经第一直角棱镜两次反射后透过第二偏振分 光棱镜和第二四分之一波片，并在第一平面反射镜反射，再透过第二四分之一波片，两次通 过第二四分之一波片改变一次线偏光的偏振态，P光变为了 S光，该S光再经过第二偏振分 光棱镜反射到第二直角棱镜，光束经过第二直角棱镜两次反射，再次入射到第二偏振分光 棱镜并反射后，透过第二四分之一波片变为圆偏光，并在第一平面反射镜反射，再次通过第 二四分之一波片，偏振光变为P光，该P光最终透过第二偏振分光棱镜，出射到第二小孔光 阑，此时的P光作为偏振干涉测量的参考光束；
[0008] 通过第一四分之一波片7产生的椭圆偏光，经过第二偏振分光棱镜透射所产生的 P光，作为测量光束，入射到第三四分之一波片，椭圆偏光由第二平面反射镜被反射再次经 过第三四分之一波片，变为45°线偏振光，入射到第二偏振分光棱镜被分成P光和S光，其 中P光用于测量二维角位移的光束，光沿原路返回，经过第一四分之一波片和第一偏振分 光棱镜，变为S光反射至平凸透镜并聚焦，由四象限光电探测器来接收检测光斑在两个方 向上的偏移，偏移量的大小与反射回来的光束角度成线性关系，可用于测量二维角位移；由 第二平面发射镜D点反射，经过第二偏振分光棱镜反射的S光用作偏振干涉测量线位移的 测量光束，S光入射到第一直角棱镜并经两次反射，入射到第二偏振分光棱镜并反射，透过 第四四分之一波片，之后S光变为圆偏光，在第二平面反射镜的E点反射再次通过第三四分 之一波片，变为P光，该P光透射经过第二偏振分光棱镜，到第二直角棱镜两次反射，再次透 过第二偏振分光棱镜，透过第四四分之一波片，在第二平面反射镜的F点反射，通过第四四 分之一波片，其光偏振态发生一次变换，最后变为S光，由第二偏振分光棱镜反射，出射到 第二小孔光阑，从干涉部分出射的两路正交的线偏光P光和S光，通过第五四分之一波片， 线偏光变为左、右旋的圆偏光，通过消偏振分光镜将其平分成两路光，其中一路光经过第四 偏振分光棱镜形成两路相位差为180°的干涉信号，分别由第二光电二极管和第四光电二 极管接收；另一路光经过二分之一波片改变圆偏光的旋向，再经过第三偏振分光棱镜也形 成两路相位差为180°的干涉信号，分别由第一光电二极管和第三光电二极管接收，四路正 交的干涉信号的相位差分别为90°，用来测量一维线位移。
[0009] 所述的可同时实现三维位移测量的激光测量装置，其特征在于：由偏振片、第一四 分之一波片和平凸透镜胶合在第一偏振分光棱镜的三个镜面上组成的长方体结构形成光 学组件一，第一四分之一波片快轴方向与其所在平面的水平轴夹角为27. 36°。
[0010] 所述的可同时实现三维位移测量的激光测量装置，其特征在