专利名称：基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及以采用光学方法为特征的测量装置，尤其是涉及一种基于双频 干涉原理的直线度及其位置的测量装置。
背景技术：
纵观国内外直线度的测量方法，按照有无直线基准，可将直线度的测量方 法大致分为两类第一类是无直线基准的测量方法，主要采用误差分离法，而 按照信息获取的途径不同，无直线基准测量法又可分为反向法、错位法和多测 头法，误差分离法实用可靠，适用于在线或离线测量， 一次测量可获得多项测 量误差，但该方法受多种因素的影响，如测量装置结构参数选择不当、测头间 距误差、传感器标定误差等，使测量准确度下降。第二类是有直线基准的测量 方法，该方法采用一定的直线基准，并以此基准来检测被测表面的直线度误差， 主要有光隙法、节距法、测微仪法、三坐标法、平晶干涉法、激光准直法、 激光全息法和双频激光干涉法等。以上这些测量方法中，基于双频激光干涉的 直线度测量方法具有纳米级高测量精度的优点，但是其仅是实现了直线度的单 独测量，存在没有给出被测直线度的具体位置的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装 置。采用激光外差干涉原理，既实现了纳米级精度的直线度测量，又实现了被 测直线度位置的纳米级位移测量，解决了纳米级高精度的直线度及其位置同时 测量的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是
光源为横向塞曼效应He-Ne双频激光器发出的激光束经普通分光镜分成两 束，第一反射光束入射至第一检偏器，被第一光电探测器接收作为参考信号， 第一透射光束经消偏振分光棱镜再次分为第二反射光束和第二透射光束，第二 反射光束入射到偏振分光棱镜，第二透射光束经渥拉斯顿棱镜透射后将f,和f2 两个频率的光分成两路测量光束，射向由直角棱镜组成的测量反射镜，测量反 射镜放置于被测对象上，测量反射镜在被测对象上移动时，产生含有多普勒频 差士Af,和士Af2的两测量光束fi士Aft和f2±Af2，经测量反射镜反射后至渥拉斯顿棱 镜的另一点汇合成一束光，再次透过渥拉斯顿棱镜后射向偏振分光棱镜，其中，频率为f-Afi的光透射偏振分光棱镜与第二反射光束中经偏振分光棱镜反射的 频率为f2的光形成第一路测量光束，频率为f2±Af2的光经偏振分光棱镜反射后 与第二反射光束中经偏振分光棱镜透射的频率为的光形成第二路测量光束； 第一路测量光束入射至第二检偏器，检偏器的透振方向与第一路测量光束的两 正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频， 被第二光电探测器接收形成第一路测量信号，其频率为frf2iA&;第二路测量光 束入射第三检偏器，检偏器的透振方向与第二路测量光束的两正交线偏振光成 45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第三光电探 测器接收形成第二路测量信号，其频率为frf2士Af2，第一路测量信号、第二路测 量信号和参考信号经后续的数据采集和机算机进行处理和显示，可得到测量的 直线度及其位置。
本发明具有的有益效果是
(1) 基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法在测量直线度的同时， 可以定位直线度的绝对位置，实现了直线度及其位置的同时测量，这极大的方 便了实际中的应用。
(2) 该测量方法采用了激光外差干涉方法，具有纳米级测量精度。 C3)采用共光路结构，有利于消除环境因素的影响。 (4)光路结构简单，使用方便。
本发明主要适用于超精密加工技术、微光机电系统、集成电路芯片制造技 术等领域所涉及的精密工作台的运动位移测量、精密导轨的直线度检测等。
图1是基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置的光路图。 图2是基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法的示意图。 图中1、双频激光器，2、普通分光镜，3、第一检偏器，4、第一光电探
测器，5、消偏振分光棱镜，6、渥拉斯顿棱镜，7、测量反射镜，8、偏振分光
棱镜，9、第二检偏器，10、第二光电探测器，11、第三检偏器，12、第三光电
探测器，13、被测对象。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法如图1所示光源为横向 塞曼效应He-Ne双频激光器l，该激光器的中心波长为632.8nm、输出两个不同 频率&和f2的正交线偏振光，其频差为1.9MHz。激光器1发出的激光束经普通分光镜2分成两束，其中反射光束入射至第一检偏器3，由于检偏器的透振方向 与两正交线偏振光成45。角，可将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形 成拍频，被第一光电探测器4接收作为参考信号，其频率为frf2，透射光束经消 偏振分光棱镜5再次分为第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束入射到 偏振分光棱镜8，第二透射光束经渥拉斯顿棱镜6透射后将&和f2两个频率的光 分成有一定角度的两路测量光束，射向由直角棱镜组成的测量反射镜7，测量反 射镜放置于被测对象13上，测量反射镜在被测对象上移动后，产生含有多普勒 频差士Afi禾口士Af2的两测量光束f!土Af!和f2±Af2，经测量反射镜7反射后至渥拉斯 顿棱镜6的另一点汇合成一束光，再次透过渥拉斯顿棱镜6后射向偏振分光棱 镜8，其中，频率为的光透射偏振分光棱镜8与第二反射光束中经偏振分
光棱镜8反射的频率为f2的光形成第一路测量光束，频率为f2士Af2的光经偏振
分光棱镜8反射后与第二反射光束中经偏振分光棱镜8透射的频率为&的光形 成第二路测量光束；第一路测量光束入射至第二检偏器9，检偏器的透振方向与 第一路测量光束的两正交线偏振光成45°角，可将两正交的线偏振光分解到同一 透振方向上，形成拍频，被第二光电探测器10接收形成第一路测量信号，其频 率为f,-f2土A&;第二路测量光束入射第三检偏器11，检偏器的透振方向与第二 路测量光束的两正交线偏振光成45°角，可将两正交的线偏振光分解到同一透振 方向上，形成拍频，被第三光电探测器12接收形成第二路测量信号，其频率为 frf2±Af2，第一路测量信号、第二路测量信号和参考信号经后续的数据采集和机 算机进行处理和显示，可得到测量的直线度及其位置。
具体是经基于Altera公司生产的FPGA芯片EP2C20Q240的硬件电路数据 采集系统连接至用于数据处理和显示的计算机系统。
如图1所示，光路中的黑点和竖直短线表示偏振方向正交的两个不同频率 的线偏振光，而上方带有三角的黑点和带有三角的竖直短线代表含有多普勒频 差信息的正交线偏振光。
结合图2所示，本方法的直线度及其位置的测量，具体实现如下
测量时，设测量反射镜7由初始位置1移动至被测位置2，沿测量基准轴线 方向的速度为v，根据多普勒效应及图2所示可得
2vcosf
力'二/(i士——2_)
之vcos —
/2'=/2(1±——式中/p/2为双频激光器输出正交线偏振光的两个频率，/V/,'为含有多 普勒频差的两个频率，C为光在真空中的速度，e为渥拉斯顿棱镜的分束角度。 当测量反射镜7与激光器相向运动时速度为V取正，相背运动时速度为V
取负。由多普勒效应引起的测量光束y;和/,的频率变化为
，0 6 0
2vcos— vcos— VCOS—
c 丄丄 4_
2vcos— VCOS— VC0S —
c 丄_￡_ 么
了
式中^、 ^为两个频率的激光波长。
设测量反射镜7移动距离为S、时间为Z，由参考信号(频率为fpf2)和第
一路测量信号(频率为frf2士Af。求差频可得Af,，由参考信号(频率为frf2) 和第二路测量信号(频率为frf2±Af2)求差频可得Af2,则对应的两光路的光程 (位移)变化为-
丄2 = J^cos|d,=^A/2df
两光路的光程差为 AI 二丄2 —丄工
根据图2所示的几何关系，可求出被测对象的直线度值为
sm — 2 sm — 2 2
式中当M为负时，测量反射镜7向上偏离基准轴线；当AA为正时，测量反射 镜7向下偏离基准轴线。
该直线度所对应的位置为 丛
<formula>formula see original document page 6</formula>综上可知，由公式(1)和公式(2)即可求出被测对象的直线度及其位置。
如图2所示，虚线表示测量反射镜未产生直线度偏差时位于基准轴线上。
权利要求
1、一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置，其特征在于光源为横向塞曼效应He-Ne双频激光器(1)发出的激光束经普通分光镜(2)分成两束，第一反射光束入射至第一检偏器(3)，被第一光电探测器(4)接收作为参考信号，第一透射光束经消偏振分光棱镜(5)再次分为第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束入射到偏振分光棱镜(8)，第二透射光束经渥拉斯顿棱镜(6)透射后将f1和f2两个频率的光分成两路测量光束，射向由直角棱镜组成的测量反射镜(7)，测量反射镜放置于被测对象(13)上，测量反射镜在被测对象上移动时，产生含有多普勒频差±Δf1和±Δf2的两测量光束f1±Δf1和f2±Δf2，经测量反射镜(7)反射后至渥拉斯顿棱镜(6)的另一点汇合成一束光，再次透过渥拉斯顿棱镜(6)后射向偏振分光棱镜(8)，其中，频率为f1±Δf1的光透射偏振分光棱镜(8)与第二反射光束中经偏振分光棱镜(8)反射的频率为f2的光形成第一路测量光束，频率为f2±Δf2的光经偏振分光棱镜(8)反射后与第二反射光束中经偏振分光棱镜(8)透射的频率为f1的光形成第二路测量光束；第一路测量光束入射至第二检偏器(9)，检偏器的透振方向与第一路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第二光电探测器(10)接收形成第一路测量信号，其频率为f1-f2±Δf1；第二路测量光束入射第三检偏器(11)，检偏器的透振方向与第二路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，形成拍频，被第三光电探测器(12)接收形成第二路测量信号，其频率为f1-f2±Δf2，第一路测量信号、第二路测量信号和参考信号经后续的数据采集和机算机进行处理和显示，得到测量的直线度及其位置。
全文摘要
本发明公开了一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量装置，它包括输出正交线偏振光的激光器，普通分光镜，消偏振分光棱镜，偏振分光棱镜，渥拉斯顿棱镜，三个检偏器，三个光电探测器和由直角棱镜组成的测量反射镜。本发明利用光学器件的偏振特性和分光特性组成了基于外差干涉原理的双光路测量结构，通过测量双光路的光程差实现了直线度及其位置的同时测量，具有纳米级的直线度及其位置的测量精度。本发明主要适用于超精密加工技术、微光机电系统、集成电路芯片制造技术等领域所涉及的精密工作台的运动位移测量、精密导轨的直线度检测等。
文档编号G01B11/26GK101581577SQ200910100068
公开日2009年11月18日 申请日期2009年6月22日 优先权日2009年6月22日
发明者严利平, 周砚江, 张恩政, 涛 杨, 陈本永 申请人:浙江理工大学