专利名称：一种激光多自由度测量系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种激光精密测量系统与方法，特别适用于工件或物体沿某导轨运动时对其运动的多自由度误差或运动姿态进行同时测量。
激光六自由度测量系统可以实时测量运动体的三个线位移量(位移和二个方向的直线度)和三个转动量(偏摆、摇摆和滚摆)，主要用于大型精密设备(数控机床、坐标测量机等)的静、动态精度测量，作为一种高精度的多维传感器，用于对物体或工件进行安装。因此多维同时测量方法与技术的研究一直是人们试图解决的技术难题。自20世纪60年代以来，人们一直试图解决这一技术难题，出现了大量的光学测量方法与技术，概括起来可分为以下几大类1.传统的几何光学方法如(1)“测量和显示运动物体角度方位的光学装置”[Opticalapparatus for indicating and measuring the roll angular orientation of a movable body，专利号3269254，1966]，(2)“三轴光学对准装置”[Three axis optical alignment device，专利号3375750，1968]，(3)“三轴角度传感器”[Three-axis angle sensor，专利号4560272，1985]等是美国20世纪60-80年代出现有关此领域的研究与专利，这些专利技术都采用了传统的光学方法，使用普通光源作为照明，存在光学系统复杂，测量精度低，测量参数少等缺陷。
2.利用光的衍射现象如(1)“带有空间滤波器的多轴光学对准系统”[Multi-axis opticalalignment system including a spatial filter，专利号3701602，1972]，(2)“三轴和五轴激光跟踪系统”[Three and five axis laser tracing system，专利号4714339，1987]，(3)“多轴对准装置”[Multi-axis alignment apparatus，专利号4804270，1989]等是利用光的衍射现象或利用全息光栅来实现对三维角度的同时测量，其缺点是测量精度不高，测量参数少，光学系统复杂，同时测量头带有跟随电缆，造成现场测量不方便。
3.基于激光跟踪测量的方法如(1)“目标空间位置及姿态激光跟踪测量系统及其测量方法”[中国专利申请号99109623.1]等，这类测量方法具有测量范围大，测量速度高，但存在测量精度低，测量系统复杂，测量设备昂贵等缺陷。
4.激光干涉与激光准直的组合方法自激光问世以来，特别是激光干涉测量成为工业界常用的测量手段后，人们一直试图利用激光干涉与激光的良好的直线性这些特点来获得多自由度测量，如(1)“使用干涉测量系统的光学装置”[Optical apparatus for use withinterferometric measuring device，美国专利号5056921，1991]，(2)“线性和角度反射干涉对准靶”[Linear and angular retro-reflecting interferometric alignment target，美国专利号6327038 B1，2001]，(3)“激光五轴位置测量系统”[Laser aligned five-axis positionmeasurement device，美国专利号5798828，1998]，(4)“具有位相检测灵敏度的转角和位移测量”[Rotation and translation measurement with phase sensitive detection，美国专利号6316779B1，2001]，(5)“多自由度几何误差测量系统”[Multi-degree-of-freedomgeometric error measurement system，美国专利号5418611，2001]，(6)“快速校正机床工具的激光测量系统”[Laser measurement system for rapid calibration of machine tools，美国专利号5900938，1999]，(7)“五轴/六轴激光测量系统”[Five-axis/six-axis lasermeasuring system，美国专利号6049377，2000]，(8).用于坐标测量机几何误差测量的多自由度测量系统[A multi-degree-of-freedom measuring system for CMM geometric errors，ASME J.of Engineering for industry]等都是这类测量方法的典型代表，其中最有代表的是20年代后期美国密执根大学Ni和Huang等人发明一种激光五自由度测量系统，能同时测量位置、两个方向的直线度以及偏摆和摇晃角误差[以上美国专利号5900938]，但该系统采用过多的光学元器件，造成结构复杂，且测量头带有电缆，现场测量不方便，美国API公司推出激光五/六维测量系统[该专利在中国的专利名称为“五轴/六轴激光测量系统”，申请号为97191384.6]，并形成一定的市场，但API公司的产品的主要缺陷是传感头必须带有电缆，现场使用极不便。
总之，自20世纪70年代就开始了多自由度参数同时测量方法的研究，到目前为止，尽管出现了许多的多自由度同时测量的方法、技术与装置，但这些技术存在这样或那样的问题。此外，几乎所有这些系统都需用电缆连接运动的测量头和测量仪器的其余部分，很难实现快速、方便的测量。故发明光学结构简单、体积小、精度高、高速度、无电缆连接是此领域的发展趋势。
本发明的技术方案激光多自由度测量系统包括激光发射器、偏光分光单元、四自由度误差敏感单元、光电接收单元以及信号处理单元。其技术特征是所说四自由度误差敏感单元包括λ/4波片、分光器和光线反射器。λ/4波片、分光器和光线反射器沿入射光线方向排列，并通过支架或其它手段固定在一起。λ/4波片将线偏振光变为圆偏振光，或将圆偏振光变为线偏振光；分光器将一束入射光至少分为两束光，一束反射，另一束透射；光线反射器将入射光反射回去，但与原入射不重合。
所说的偏光分光单元包括偏光分光器，偏光分光器可以将一束光分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光。
所说的光电接收单元包括两个光电接收器、透镜。一个光电接收器直接接收测量直线度误差信息的光线，另一个光电接收器置于透镜的焦平面上，接收测量角度信息偏差的光线。
所述的信号处理单元完成对探测器探测到的多维信号进行采集、处理与输出等功能。
本发明的测量方法是由激光发射器发射的高稳定激光束，经过偏光分光单元后，分解为两个偏振方向相互垂直的线偏振光；被四自由度误差敏感单元接收的线偏振光经λ/4波片后，变为圆偏振光，经分光器后分为两部分光；其中一部分光经分光器反射后，沿原入射光路返回，再经过λ/4波片后，又由圆偏振光变为线偏振光，但其偏振方向旋转了90度角；另一部分光线透过分光器后，经光线反射器反射后，再次通过λ/4波片，又由圆偏振光变为线偏振光，但其偏振方向也同样旋转了90度角；这两部分光线再次经过偏光分光单元后，由偏光分光器反射。其中被分光器反射的光线经偏光分光单元反射后，通过一个透镜，被一光电接收器接收，通过信号处理单元处理，得到与四自由度敏感单元固定在一起的物体的偏摆与俯仰角改变量；透过分光器的光线经偏光分光单元反射后，直接被另一个光电接收器接收，通过信号处理单元处理，得到与四自由度敏感单元固定在一起的物体的两个方向的直线度误差。
本发明与背景技术相比所具有的特点有益效果其一、入射一束光线，经偏光分光单元和四维信息敏感单元后，分为两束光，分别作为直线度误差和角度误差四维信息的测量基准，光路极其简单，使用的光学器件少，光路调整也很简单；其二、反射的两束光在空间是分开的，经过偏光分光单元后又与入射光分开，很容易得到两方向的直线度误差和俯仰、偏摆角度偏差，若采用线偏振光作为激光光源，可在不损耗激光发射的功率情况下完成多自由度同时测量。
其三、由于四自由度误差敏感单元上无电缆连接，现场测量极为方便。
其四、采用角锥棱镜或猫眼作为光线反射器，可将测量直线度误差的灵敏度提高一倍，同时采用不同焦距的透镜，可以改变测量角度的灵敏度。
其五、本测量装置结构简单、体积小，安装、调整方便，可获得高的测量精度；其六、本装置还可以与激光干涉仪一起完成五自由度的同时测量。
本测量装置测量直线度误差的灵敏度小于1μm，测量角度的灵敏度小于1弧秒，测量距离大于20m，可适用多自由度误差的静态与动态测量。
图1激光四自由度测量的一个实施方式图2激光四自由度测量的第二个实施方式图3激光四自由度测量的第三个实施方式图4激光四自由度测量的第四个实施方式图5激光四自由度测量的第五个实施方式图6测量俯仰(偏摆)角度变化的原理示意7测量一个方向直线度误差的原理示意8与激光干涉仪配套实现五自由度测量的一个实施方式图中1为激光发射器，2为偏光分光单元，3为四自由度误差敏感单元，4为光电接收单元，5为信号处理单元，6为测量长度移动单元，8为测量装置的固定测量头，9为导轨，10为活动测量头，102为激光干涉仪，201为偏光分光器，202为反射器，301为λ/4波片，302为分光器，303为光线反射器，304为猫眼，305为分光膜，401为光电接收器，402为光电接收器，403为透镜，601为测量长度的角锥棱镜，602为分光器，701为测量长度的参考角锥棱镜，801为捡偏器，101、3021、3031、6011、7011为激光光线。
实施方式一(图1)
系统中的四自由度误差敏感单元3，由一个λ/4波片301、一个分光器302和一个光线反射器303组成。λ/4波片301、分光器302和光线反射器303沿入射光线方向排列，并通过支架或其它手段固定在一起；所说的λ/4波片301将线偏振光变为圆偏振光，或将圆偏振光变为线偏振光，所说的分光器302将一束入射光至少分为两束光，一束反射，另一束透射，所说的光线反射器303将入射光反射回去，但与原入射光不重合。分光器302固定在光线反射器303的入射光路上，入射光线经光线反射器303反射后的光线3031不再经过分光器302，光线反射器303采用角锥棱镜；分光器302采用半透半反分光镜，分光器302还可固定在光线反射器(303)的反射光路上。偏光分光单元2为偏光分光器201，所说偏光分光器201可以将一束光分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光；光电接收单元4包括接收光线3031的光电接收器401、接收光线3021的透镜403和光电接收器402这三个器件；光线3031带有被测工件直线度误差信息，光线3021带有被测工件俯仰、偏摆角度信息，所说的光电接收器401、402可采用四象限光电接收器、PSD位敏器件或者CCD光电接收器；信号处理单元5完成对光电接收器401、402探测到的多维信号进行采集、处理、输出以及供电等功能。
实施方式二(图2)与实施方式一的不同之处在于偏光分光单元2，它由偏光分光器201和全反射器202组成。其全反射器202与偏光分光器201可分开连接，也可直接连接在一起，同时所说的全反射器202可采用直角反射棱镜，也可采用平面反射镜等形式；所说的偏光分光单元2可与测量系统的固定测量头8连接在一起，也可以分开连接。
实施方式三(图3)与实施方式一、实施方案二的不同之处在于四自由度误差敏感单元3中，在光线反射器303上的入射一边或出射光线的一边，直接镀上分光膜305，则去掉了分光器302，同时偏光分光单元2和四自由度误差敏感单元3直接连接在一起，构成测量系统的活动测量头10。测量装置的固定测量头8上，仅安装激光发射器1、光电接收单元4和信号处理单元5。
实施方式四(图4)与实施方式一的不同之处在于自由度误差敏感单元3中的光线反射器303由一个猫眼304替代。
实施方式五(图5)与实施方式一的不同之处在于将自由度误差敏感单元3置于偏光分光单元2的反射光路上，接收从偏光分光单元2反射出来的光线，而不是透射出来的光线。
以图6、图7为例，说明测量导轨俯仰角变化和直线度误差的原理和测量方法。
由激光发射器1发射的高稳定激光束101，入射到偏光分光单元2，该入射光线101经过偏光分光单元2透过后，形成的线偏振光经四自由度误差敏感单元3中的λ/4波片301后，变为圆偏振光，再经分光器302后分为两部分光3021与3031。其中一部分光由分光器302反射后沿原光路返回，再经过λ/4波片301后，又由圆偏振光变为线偏振光3021，但其偏振方向旋转了90度角，该光线3021成为测量俯仰、偏摆角度的基准光线；另一部分光线透过分光器302后，入射到光线反射器303，经光线反射器303反射后在与入射光线对称的位置出射，即入射到光线反射器303上的光线与其反射光线平行。由于四自由度误差敏感单元3中的分光器302只固定在入射光路上，该反射光线不再经过分光器302而直接入射到λ/4波片301上，经过λ/4波片301后，又由圆偏振光变为线偏振光3031，但其偏振方向也同样旋转了90度角，该光线3031成为测量两个方向直线度误差的基准光线。
这样入射到四自由度误差敏感单元3的单光束，被分为两部分光3021与3031，这两部分光的线偏振方向相同，传播方向平行，但其偏振方向都同方向旋转了90度，且这两部分光3021与3031在空间上是分开的，分别成为测量角度和直线度误差的基准光线。
这两部分反射光3021、3031沿与入射光线101相反的方向再次经过偏光分光单元2后，由于其偏振方向都改变了90度，原来透射的光线不能透过偏光分光器201，而只能由偏光分光器201全部反射，这样两路反射光3021、3031与入射光101就在空间上分开了。
作为测量俯仰、偏摆角度的基准光线3021经偏光分光单元2反射后，再通过一个透镜403，将该反射光3021光斑汇集一点，并由光电接收器402接收。当四自由度误差敏感单元3沿导轨9运动时，若导轨9存在俯仰和偏摆角度变化[图6中只画出了存在俯仰角度偏差的情况，存在偏摆角度变化的情况类似]，其分光器302也跟随一起做相应的俯仰和偏摆角度变化，分光器302的角度变化造成入射到该分光器302并经该分光器302反射的光线3021的角度发生变化，该光线角度的变化经过透镜403后，造成该光线3021在光电接收器402上光点位置的变化。实际上，由反射定律可知若导轨9造成四自由度误差敏感单元3的分光器302偏摆角度与俯仰角分别改变α、β变化，由分光器302反射的光线3021的角度分别发生2α、2β的变化，经过透镜403后，造成该光线3021在光电接收器402上光点位置的变化量分别为ΔX＝f×tan(2α)≈2f×α (1)ΔY＝f×tan(2β)≈2f×β (2)式中ΔX、ΔY分别为由偏摆与俯仰角度变化造成光点在光电接收器402上位置的改变量，α、β分别导轨9造成偏摆与俯仰角度的变化量，f为透镜403的焦距。
因此通过检测光线3021在光电接收器402上光点位置的改变，可由信号处理单元可以得到其角度变化。
作为测量两个方向直线度误差的基准光线3031经偏光分光单元2反射后，直接入射到光电接收器401上，并由此光电接收器401接收。当四自由度误差敏感单元3沿导轨9运动时，若导轨9在两个方向存在直线度误差，必然造成四自由度误差敏感单元3中的光线反射器303在两个方向的位移。由于入射光线101不动，光线反射器303在两个方向的位移必然引起其反射光线3031在对应两个方向上位置的改变，此光线3031位置的改变量直接由光电接收器401探测到，并经过信号处理单元得到直线度误差。实际上，若导轨9造成四自由度误差敏感单元3的分光器302在与入射光线垂直的两个方向上的位置分别改变ΔX1、ΔY1变化[图7中只画出了存在一个方向直线度误差的情况，另一个方向存在直线度误差的情况类似]，由光线反射器303的反射特性的反射特性可知其反射光线3031的位置分别发生2ΔX1、2ΔY1的变化，造成该光线3031在光电接收器401上光点位置的变化量分别为Δ1＝2ΔX1(1)Δ2＝2ΔY1(2)式中Δ1、Δ2分别为由两个方向直线度误差造成光点在光电接收器401上位置的改变量，ΔX1、ΔY1分别直线度误差。
图8为利用激光干涉仪与本发明组合来实现五自由度误差测量的实施例与测量原理。
由激光干涉仪102发出的光101经偏光分光器201后，分为两部分光，一部分经过偏光分光器201反射后向上经过角锥棱镜701后成为测量长度的参考光线7011；另一部分光线透过偏光分光器201后，由测量长度的移动单元6中的分光器602分为两部分，一部分透过分光器602，进入四自由度误差敏感单元3，得到四自由度误差信号，其测量原理以上已作详细说明，不再重复，另一部分光经602反射后进入角锥棱镜601，经过601后的光线6011的偏振方向与入射光线的方向相同，经过偏光器201后与光线7011重合，经过检偏器801后产生干涉，测量出活动测量头10的移动距离，这样就可以实现除滚转角以外的其他五自由度误差的测量，其中激光干涉102，测量长度的角锥棱镜601，测量长度的参考角锥棱镜701组成常用激光干涉测量长度系统。
本发明中的激光发射器可以采用He-Ne激光、半导体激光器或其他类型的激光器，还可以直接利用激光干涉仪中的激光器。采用半导体激光单模光纤组件的好处是该激光器中发出的光具有高的稳定性；偏光分光器201可以采用格兰-泰勒棱镜或格兰-傅科棱镜或其他类型的偏光分光器；光电接收器401、402可以采用四象限光电探测器，PSD位敏器件或CCD光电接收器；光线反射器303最好采用角锥棱镜，也可以采用猫眼304或其他类似光线反射器；透镜403可以采用单组透镜，也可以采用多组透镜组合；反射器202可以采用棱镜反射器或平面反射镜；分光器302可以采用半透半反镜或直接在角锥棱镜入射一边的表面上镀上半透半反膜305；同样分光器302可以固定光线反射器303的反射光路上，能得到类似的结果，但会造成部分激光能量的损失，若将分光器302固定在整个入射出射光路上，从理论上也可以实现多自由测量，但会造成大量不必要的能量损失和不必要的光束，对测量造成影响。
权利要求
1.一种激光多自由度测量系统，包括激光发射器(1)、偏光分光单元(2)、四自由度误差敏感单元(3)、光电接收单元(4)以及信号处理单元(5)，其特征是所说四自由度误差敏感单元(3)包括λ/4波片(301)、分光器(302)和光线反射器(303)；λ/4波片(301)、分光器(302)和光线反射器(303)沿入射光线方向排列，通过支架或其它手段固定在一起，所说的λ/4波片(301)将线偏振光变为圆偏振光，或将圆偏振光变为线偏振光，所说的分光器(302)将一束入射光至少分为两束光，一束反射，另一束透射，所说的光线反射器(303)将入射光反射回去，但与原入射不重合；所说的偏光分光单元(2)包括偏光分光器(201)，所说偏光分光器(201)可以将一束光分为两束偏振方向相互垂直的线偏振光；所说的光电接收单元(4)包括两个光电接收器(401、402)、透镜(403)，光电接收器(401)直接接收测量直线度信息的光线，光电接收器(402)置于透镜(403)的焦平面上，接收测量角度信息偏差的光线。
2.根据权利要求1所述的一种激光多自由度测量系统，其特征是所说的分光器(302)可固定在光线反射器(303)的入射光路上，或固定在光线反射器(303)的反射光路上。
3.根据权利要求1所述的一种激光多自由度测量系统，其特征是所说的分光器(302)包括半透半反镜。
4.根据权利要求1所述的一种激光多自由度测量系统，其特征是所说的分光器(302)包括直接在角锥棱镜(303)的入射面上或出射面镀上半透半反膜(305)。
5.根据权利要求1所述的一种激光多自由度测量系统，其特征是所说的光线反射器(303)包括角锥棱镜或猫眼(304)。
6.根据权利要求1所述的一种激光多自由度测量系统，其特征是所说的两个光电接收器(401、402)可采用四象限光电接收器或PSD位敏器件或CCD光电接收器。
7.根据权利要求1所述的一种激光多自由度测量系统，其特征是所说的偏光分光单元(2)还可以包括全反射器(202)，所说的全反射器(202)包括反射棱镜或平面反射镜。
8.根据权利要求1所述的一种激光多自由度测量系统，其特征是所说的偏光分光单元(201)包括格兰-泰勒棱镜或格兰-傅科棱镜。
9.一种激光多自由度测量方法，其特征在于由激光发射器(1)发射的高稳定激光束(101)，经过偏光分光单元(2)后分解为两个偏振方向相互垂直的线偏振光；被四自由度误差敏感单元(3)接收的线偏振光经λ/4波片(301)后，变为圆偏振光，经分光器(302)后分为两部分光(3021)与(3031)；其中一部分光经分光器(302)反射后，沿原光路返回，再经过λ/4波片(301)后，再由圆偏振光变为线偏振光(3021)，但其偏振方向旋转了90度角；另一部分光线透过分光器(302)后，经光线反射器(303)反射后，再次通过λ/4波片(301)，又由圆偏振光变为线偏振光(3031)，但其偏振方向也同样旋转了90度角；光线(3021、3031)再次经过偏光分光单元(2)后，由偏光分光器(201)反射，光线(3021)经偏光分光单元(2)反射后，再通过一个透镜(403)，被光电接收器(402)接收，通过信号处理单元(5)处理，得到与四自由度敏感单元(3)固定在一起的物体的偏摆与俯仰角改变量；光线(3031)经偏光分光单元(2)反射后，直接被光电接收器(401)接收，通过信号处理单元(5)处理，得到与四自由度敏感单元(3)固定在一起的物体的两个方向的直线度误差。
10.根据权利要求9所述激光多自由度测量方法，其特征在于由激光干涉仪(102)发出的光线(101)经偏光分光器(201)后，分为两部分光；一部分经过偏光分光器(201)反射后，经过角锥棱镜(701)后成为测量长度的参考光线(7011)；另一部分光线透过偏光分光器(201)后，由测量长度的移动单元(6)中的分光器(602)分为两部分；一部分透过分光器(602)，进入四自由度误差敏感单元(3)，得到四自由度误差信号；另一部分光经(602)反射后进入角锥棱镜(601)，经过(601)后的光线(6011)的偏振方向与入射光线的方向相同，经过偏光分光器(201)后与光线(7011)重合，经过检偏器后产生干涉，测量出活动测量头(10)的移动距离，实现除滚转角以外的其他五自由度误差的测量。
全文摘要
一种激光多自由测量系统与方法，测量系统包括激光发射器、偏光分光单元、四自由度误差敏感单元、光电接收单元以及信号处理单元。其中四自由度误差敏感单元主要由λ/4波片、分光器和光线反射器组成，λ/4波片、分光器和光线反射器沿入射光线方向排列。由激光发射器发射的激光束，经过偏光分光单元后分为两个偏振方向相互垂直的线偏振光，由四自由度误差敏感单元接收的光线被分为两部分，分别被两个光电接收器接收，通过处理可以同时得到物体两个方向的直线度误差以及俯仰、偏摆角误差，配合激光干涉仪还可以实现五自由度误差同时测量。本系统具有光路简单，测量活动头无电缆连接等优点，特别适用于对加工中心等设备几何精度的高精度测量。
文档编号G01J4/00GK1439864SQ0310512
公开日2003年9月3日 申请日期2003年3月5日 优先权日2003年3月5日
发明者冯其波 申请人:北方交通大学