专利名称：激光直线度干涉仪光路系统的制作方法
技术领域：
本发明为一种激光直线度干涉仪光路系统，与精密设备导轨副的直线度测量有关。
背景技术：
激光直线度干涉仪采用差动干涉的方法测量直线度误差，由于精度高、量程大，广 泛用于机床、坐标测量机等精密设备中的导轨副直线度检测。激光直线度干涉仪光路系统由激光头和直线度干涉仪组成，图1为Agilent公司 的直线度测量附件，激光头1发出的偏振方向相互垂直的线偏振光π和f2在wllaston棱 镜3按照一定角度分裂，射向双反射镜4。激光头1和双反射镜4固定，由于wllaston棱镜 3前的光程共轭，wlIaston棱镜3沿Y方向移动对光程差没有影响，而沿Z方向的运动则产 生fl光和f2光的相反方向的频率漂移ΔΠ和Δ f2，经折光器2返回激光头，计算得到沿 Z方向的直线度。折光器2由一个析光镜(镀有半透半反膜)和一个全反射镜组成，由于光通过析 光镜时会损失50%能量，而由激光头1出射激光需要两次经过析光镜2返回，如果不考虑其 他能量损失的话，携带测量信息的返回光只是出射光能量的25%，由于双频激光干涉仪系 统的增益很大，这样的损失可以不计，但在单频激光干涉仪系统中，这种缺点是致命的。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，便于安装和调整，成本低，测量灵敏度高的激 光直线度干涉仪光路系统。本发明是这样实现的本发明激光直线度干涉仪光路系统，由激光头1，组件A、双光楔11和双平面反射 镜12组成，组件A由偏振分光镜6、反射镜7、角锥棱镜8、四分之一波片9、10粘接成一体， 其中偏振分光镜6由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，在直角棱镜的斜面上镀有偏振分光 膜，反射镜7是一个在斜面镀有消偏振反射膜的直角棱镜，反射镜7的斜面与偏振分光镜的 直角棱镜的斜面平行，四分之一波片9、10沿两直角棱镜的直角面粘结成一平面，角锥棱镜 8的三个角锥面镀有全反射膜，其底面与偏振分光镜6的直角棱镜的直角面粘接，四分之一 波片9的光轴与激光头发出的f2光的偏振方向即S偏振的夹角为45°，四分之一波片10 的光轴与激光头发出的fl光的偏振方向即P偏振的夹角为45°，双光楔11由两个直角面 相面对的上部光楔和下部光楔粘接而成，上部光楔和下部光楔均为直角三角形，其两个相 连为一平面的直角面面向组件A的四分之一波片，测量时激光头1、组件A和双平面反射镜 12位置固定，双光楔11置于组件A和双平面反射镜12之间，并固定于被测体上，激光头1 发出的f 1光P偏振光和f2炮S偏振在组件A的偏振分光镜6上按照偏振方向分离，fl光 透过偏振分光镜6和四分之一波片10射向双光楔11的下部光楔、f2光在偏振分光镜6和 反射镜7反射后通过四分之一波片9射向双光楔11的上部光楔，双光楔11出射的fl、f2光交叉，并垂直投射到双平面反射镜12，当被测体连同双光楔11沿水平方向(Y方向)运动 时，被测体在竖直方向(Z方向)产生位移(即直线度误差)时，fl、f2光入射到双光楔11 的位置发生变化而产生光程差，此光程差回射到激光头1，由激光直线度干涉仪的电路处理 和计算机运算后得到直线度误差。 当被测体存在直线度误差时，双光楔11沿竖直方向(Z方向)的直线度误差Δ由 下式求出 δ为光单次通过双光楔(11)的光程差，α为光楔楔角，η为光楔的折射率。本发明结构简单，组件A的所有元件粘接为一体，便于安装调整；双光楔使双平面 反射镜的长度减小，降低成本；由于Π、f2光在通过角锥棱镜8反射后产生一个平移量，返 回光全部进入激光头，增加仪器的测量灵敏度。
图1为已有的激光干涉仪的光路系统组成图。图2为本发明的光路系统组成图。图3为本发明的计算方法图。
具体实施例方式本专利是一种激光直线度干涉仪光路系统，如图2所示，由激光头1、组件A、双光 楔11和双平面反射12镜组成。组件A由偏振分光镜6、反射镜7、角锥棱镜8、四分之一波片9和10按图2所示的 位置关系粘接而成。反射镜7镀有消偏振反射膜，不影响反射光的偏振方向。四分之一波 片9的光轴与f2光的偏振方向为45度，四分之一波片10的光轴与fl光的偏振方向为45度。双光楔11由两个底面相对的上部光楔和下部光楔粘接而成，激光头1出射的Π 和f2光在组件A的偏振分光镜6分离后，分别投射到双光楔11，由于构成光楔11两个光楔 的底面相对，出射Π和f2光交叉，在一定的直线度误差测量量程下，使双平面反射镜12的 长度减小。本发明可以用于双频激光干涉系统和单频激光干涉系统。在双频激光干涉系统中，激光头1发出的偏振方向相互垂直的线偏振光fl和f2 射向直线度干涉仪组件A，fl为ρ方向偏振光，透过偏振分光镜6和四分之一波片10，成为 圆偏振光并在双光楔11折射，以一定角度射向双平面反射镜12，由于双平面反射镜12与 折射光束垂直，反射后沿原路返回，再次通过四分之一波片10，使fl光的偏振方向变为s， 经偏振分光镜6反射到角锥棱镜8，在角锥棱镜8中产生一个平移量并返回，再经偏振分光 镜6反射后，重复上述光路轨迹，但在Z方向有一个角锥棱镜8造成的平移量，返回光通过 四分之一波片10恢复为ρ偏振，透过偏振分光镜6返回到激光头1。由激光头1发出的f2为s方向偏振光，经偏振分光镜6和反射镜7反射，通过四 分之一波片9，成为圆偏振光并在双光楔11折射，以一定角度射向双平面反射镜12，由于双平面反射镜12与折射光束垂直，反射后沿原路返回，再次通过四分之一波片9，使f 1光的偏振方向变为P，经反射镜7反射后透过偏振分光镜6，在角锥棱镜8中产生一个平移量并返 回，再次通过偏振分光镜6后，重复上述光路轨迹，但在Z方向有一个角锥棱镜8造成的平 移量，返回光通过四分之一波片9恢复为s偏振，经偏振分光镜6反射返回到激光头1。由激光头1发出的fl光的路径为偏振分光镜6、四分之一波片10、双光楔11、双平 面反射镜12、双光楔11、四分之一波片10、偏振分光镜6、角锥棱镜8、偏振分光镜6、四分之 一波片10、双光楔11、双平面反射镜12、双光楔11、四分之一波片10、偏振分光镜6、激光头 1 ；由激光头1发出的f2光的路径为偏振分光镜6、反射镜7、四分之一波片9、双光楔11、双 平面反射镜12、双光楔11、四分之一波片9、反射镜7、偏振分光镜6、角锥棱镜8、偏振分光 镜6、反射镜7、四分之一波片9、双光楔11、双平面反射镜12、双光楔11、四分之一波片9、反 射镜7、偏振分光镜6返回激光头1。在上述过程中，fl光往返两次通过双光楔11的下部光楔，是单次通过下部光楔产 生的光程差的四倍，f2光往返两次通过双光楔11的上部光楔，也是单次通过上部光楔产生 的光程差的四倍，又由于fl光和f2光产生的光程变化是反向的，所以总光程差是单次通过 光楔产生光程差的八倍，放大了光程差，提高了测量灵敏度。在单频激光干涉仪中，激光头1发出的线偏振光以45°角度入射到偏振分光镜6， 在其分光模分裂成P偏振方向的π光和S偏振方向的f2光，之后的光学路径同前所述。测量时，激光头1、组件A和双平面反射镜12固定，双光楔11置于被测体上，由于 fl光和f2光在双光楔11前的光程共轭，双光楔11沿Y方向的移动对测量结果没有影响， 而在被测体沿Z方向的移动即存在直线度误差时，由于fl和f2光入射到双光楔11的位置 发生变化而产生光程差，此光程差携带着被测体在Z方向的直线度信息返回激光头1，经电 路处理和计算机运算后得到直线度误差值。图3为双光楔11的上部光楔，当被测体存在直线度误差时，光楔沿Z方向移动Δ， 产生的光程差S为光楔玻璃内的光程变化Sl与空气中的光程变化δ 2之差，设双光楔的 折射率为η，光楔楔角为α，则
δ = η · δ 1-δ 2
设S为光程差δ与直线度误差Δ的比率
长度干涉仪的显示值与S值的乘积即为实际直线度误差值。
选择不同光学玻璃和光楔楔角得到不同的S值
例1 双光楔材料Κ9玻璃
折射率η = 1. 51630
光楔楔角α = 2. 64°
按照式2计算S = 0. 191
例2 双光楔材料ZF7玻璃
折射率n= 1. 80600光楔楔角α = 4°按照式2 计算S = 0. 504ο
权利要求
激光直线度干涉仪光路系统，其特征在于由激光头(1)，组件(A)、双光楔(11)和双平面反射镜(12)组成，组件(A)由偏振分光镜(6)、反射镜(7)、角锥棱镜(8)、四分之一波片(9)、(10)粘接成一体，其中偏振分光镜(6)由两个直角棱镜沿斜面粘结组成，在直角棱镜的斜面上镀有偏振分光膜，反射镜(7)是一个在斜面镀有消偏振反射膜的直角棱镜，反射镜(7)的斜面与偏振分光镜的直角棱镜的斜面平行，四分之一波片(9)、(10)沿两直角棱镜的直角面粘结成一平面，角锥棱镜(8)的三个角锥面镀有全反射膜，其底面与偏振分光镜(6)的直角棱镜的直角面粘接，四分之一波片(9)的光轴与激光头发出的f2光的偏振方向即S偏振的夹角为45°，四分之一波片(10)的光轴与激光头发出的f1光的偏振方向即P偏振的夹角为45°，双光楔(11)由两个直角面相对的上部光楔和下部光楔粘接而成，上部光楔和下部光楔均为直角三角形，其两个相连为一平面的直角面面向组件(A)的四分之一波片，测量时激光头(1)、组件(A)和双平面反射镜(12)位置固定，双光楔(11)置于组件(A)和双平面反射镜(12)之间，并固定于被测体上，激光头(1)发出的f1光即P偏振光和f2即S偏振在组件(A)的偏振分光镜(6)上按照偏振方向分离，f1光透过偏振分光镜(6)和四分之一波片(10)射向双光楔(11)的下部光楔、f2光在偏振分光镜(6)和反射镜(7)反射后通过四分之一波片(9)射向双光楔(11)的上部光楔，双光楔(11)出射的f1、f2光交叉，并垂直投射到双平面反射镜(12)，当被测体连同双光楔(11)沿水平方向(Y方向)运动时，被测体在竖直方向(Z方向)产生位移(即直线度误差)时，f1、f2光入射到双光楔(11)的位置发生变化而产生光程差，此光程差回射到激光头(1)，由激光直线度干涉仪的电路处理和计算机运算后得到直线度误差。
2.根据权利要求1所述的激光直线度干涉仪的光路系统，其特征在于由激光头(1)发 出的fl光的路径依次为偏振分光镜(6)、四分之一波片(10)、双光楔(11)、双平面反射镜 (12)、双光楔(11)、四分之一波片(10)、偏振分光镜(6)、角锥棱镜(8)、偏振分光镜(6)、 四分之一波片(10)、双光楔(11)、双平面反射镜(12)、双光楔(11)、四分之一波片(10)、 偏振分光镜(6)、激光头(1)；由激光头(1)发出的f2光的路径依次为偏振分光镜(6)、反 射镜(7)、四分之一波片(9)、双光楔(11)、双平面反射镜(12)、双光楔(11)、四分之一波片 (9)、反射镜(7)、偏振分光镜(6)、角锥棱镜(8)、偏振分光镜(6)、反射镜(7)、四分之一波片 (9)、双光楔(11)、双平面反射镜(12)、双光楔(11)、四分之一波片(9)、反射镜(7)、偏振分 光镜(6)返回激光头(1).
全文摘要
本发明是一种激光直线度干涉仪光路系统，解决已有直线度干涉仪测量灵敏度低的问题。由激光头(1)、组件(A)、双光楔(11)、双平面反射镜(12)组成。组件(A)由偏振分光镜(6)、反射镜(7)、角锥棱镜(8)、四分之一波片(9)和(10)粘接成一体，双光楔(11)由两个底面相对的上部光楔和下部光楔粘接而成，激光头(1)发出的f1光和f2光在组件(A)分光后分别通过双光楔(11)的上部光楔和下部光楔，垂直射向双平面反射镜(12)的两个反射面并原路返回，被测体连同双光楔(11)沿Y方向移动，当在Z方向产生位移即存在直线度误差时，f1光和f2光产生方向相反的光程差，由此计算得到直线度误差值。本发明测量灵敏度高、结构紧凑、成本低、便于装配。
文档编号G01B11/26GK101881606SQ20101012935
公开日2010年11月10日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者梁军, 羡一民, 舒阳, 邓上, 黄宁秋 申请人:成都工具研究所