專利名稱：一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于工件或物體沿某導(dǎo)軌運動時，對其運動的二維直線度誤差或?qū)Υ笮凸ぜ男螤钗恢谜`差(如直線度、同軸度等)進(jìn)行測量的一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。
背景技術(shù)：
直線度測量是機械加工中一項常見而重要的測量項目，它主要包括對工件實際表面直線度誤差的測量以及對直線導(dǎo)軌或自動校正直線運動機構(gòu)直線度誤差的測量。采用雙頻激光干涉儀可較好實現(xiàn)對運動部件線位移誤差和角位移誤差的高精度檢測，但儀器價格昂貴，測量成本較高，且是單參數(shù)測量，難以滿足所有用戶的需要。中國專利02285917.9提出了一種基于半導(dǎo)體激光、單模光纖組件同時測量二維直線度的方法。但該方法難以滿足高精度、超高精度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置為由固定單元100、移動單元200和輸出與顯示單元300三部分組成的激光測量系統(tǒng)，其特征是，固定單元100的帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器1、單模光纖2、準(zhǔn)直透鏡3、偏光分光器4、λ/4波片5和移動單元的反射器11放置在發(fā)射光光路的光軸上；在反射光光軸上，偏光分光器4下面放置反射器6，在單模光纖2下面，從上向下放置平面反射鏡7、透鏡組8、和光電探測器9，驅(qū)動和信號處理器10分別和帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器1、光電探測器9和計算機12連接。
所說移動單元是一個逆向反射器，或采用多個反射器，使測量靈敏度進(jìn)一步提高；并通過支架固定。
所述移動單元內(nèi)多個反射器為角錐棱鏡或者貓眼。
所說λ/4波片的快軸與線偏振光的偏振方向成45°，光線四次通過λ/4波片。
所說的λ/4波片用λ/2波片取代時，并使其快軸與線偏振光的偏振方向成45°，且讓光線2次通過。
所說的透鏡組是由兩個焦距不同的凸透鏡組成，并且在共同的焦平面上放置針孔濾波。
所述固定單元中利用由逆向反射器和反射鏡組成的反射單元14替代方式一中的偏振分光鏡4、λ/4波片5和反射器6，使之測量靈敏度放大到與實施方式一一樣的效果，從而更加節(jié)省光學(xué)元器件。
所說的直線度誤差信號的光電接收器9可采用四象限光電接收器、PSD位敏器件或者CCD光電接收器。
本發(fā)明的測量原理和測量方法是由帶光纖的半導(dǎo)體激光器1發(fā)射高穩(wěn)定激光束，入射到偏振分光器4，該入射光經(jīng)過偏振分光器4變?yōu)榫€偏振光。該線偏振光經(jīng)過λ/4波片5后，變成圓偏振偏振光。入射到移動單元200反射后，再經(jīng)過λ/4波片5后，又由圓偏振光變成線偏振光，但其偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°角。經(jīng)過偏振分光器4反射到另一個反射器6，使光線再次沿原來方向通過一次移動單元的反射器11。光線總共四次通過λ/4波片后，其偏振方向又回到最初的偏振狀態(tài)，透過偏振分光器4，入射到平面反射鏡7、通過透鏡組8，入射到光電探測器9上，并由此光電探測器(美國Edmund Optics公司型號為NT53-007的CCD)接收。當(dāng)移動單元200沿導(dǎo)軌移動時，因?qū)к壴趦蓚€方向直線度的誤差，必然造成光線反射器在對應(yīng)兩個方向的位移。由于入射光線不動，移動單元的光線反射器在兩個方向的位移必然引起其反射光線在對應(yīng)兩個方向上位置改變，此光線位置的改變量直接由接收此反射光線的光電接收器探測到，并經(jīng)過信號處理電路得到二維直線度誤差。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的特點其一、入射光線經(jīng)偏光分光器、波片和另一反射器使光線多次通過移動單元的反射器，使其測量靈敏度成倍增加，即光線N次通過移動單元，靈敏度增加到2N倍；
其二、在光電探測器前采用透鏡組，并選擇合適的參數(shù)，可以進(jìn)一步提高測量的靈敏度，同時在透鏡組中采用針孔濾波，增加系統(tǒng)抗干擾能力和穩(wěn)定性；其三、移動單元上無電纜連接，現(xiàn)場測量極為方便。裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小，安裝、調(diào)整方便，可獲得高的測量精度，可適用直線度誤差的靜態(tài)與動態(tài)測量。要解決的技術(shù)問題是提供一種簡單的激光直線度測量系統(tǒng)，實現(xiàn)對兩個方向的直線度誤差同時測量。實現(xiàn)直線度誤差8倍以上的放大，從而大大提高系統(tǒng)測量靈敏度。測量系統(tǒng)的移動測量頭無電纜連接，且具有體積小、重量輕、測量精度高等優(yōu)點。


圖1提高直線度度測量靈敏度的一個實施方式原理圖。
圖2光線2次通過移動單元的反射器提高測量靈敏度的原理圖。
圖3光線通過透鏡組再次提高測量靈敏度的原理圖。
圖4光線4次反射提高測量靈敏度的原理圖。
圖5光線4次反射提高測量靈敏度的另一種方式原理圖。
圖6實施例四原理7實施例五原理8實施例六原理圖探測器CCD的驅(qū)動和信號處理器選用型號是NI-1405或者Bandit II-EO數(shù)據(jù)處理模塊。
圖中1為半導(dǎo)體激光發(fā)射器，2為單模光線，3為準(zhǔn)直透鏡，4為偏振分光器，5為λ/4波片，6、11、13為逆向反射器，7為平面反射鏡，8為透鏡組，9為光電探測器，10為驅(qū)動和信號處理器，12為計算機，14反射單元(由逆向反射器和反射鏡組成)，100為固定單元，200為移動單元，300為輸出與顯示單元。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置為由固定單元100、移動單元200和輸出與顯示單元300三部分組成的激光測量系統(tǒng)。下面對照附圖，說明實現(xiàn)
具體實施例方式一種提高直線度測量靈敏度系統(tǒng)包括激光發(fā)射器、偏光分光器、λ/4波片、反射器、光電接收單元以及信號處理。
實施例一(如圖1所示)系統(tǒng)中的高靈敏度直線度誤差測量系統(tǒng)是由固定單元100中的半導(dǎo)體激光器1發(fā)射高穩(wěn)定激光束，經(jīng)過單模光纖2、準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直后，入射到偏振分光器4，該入射光經(jīng)過偏振分光器4，變?yōu)榫€偏振光。該線偏振光經(jīng)過λ/4波片5后，變成圓偏振偏振光。入射到移動單元200中的角錐棱鏡11反射后，再經(jīng)過λ/4波片后，又由圓偏振光變成線偏振光，但其偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°角。經(jīng)過偏振分光器反射到另一個反射器6，使光線再次沿原來方向通過一次移動單元的角錐棱鏡11。即光線總共四次λ/4波片5后，但其偏振方向又回到最初的偏振狀態(tài)，透過偏振分光器4，入射到平面反射鏡7、通過透鏡組8，入射到探測器上9，并由此光電接收器接收。當(dāng)移動單元200沿直線導(dǎo)軌移動時，如果導(dǎo)軌在兩個方向直線度誤差，必然造成光線反射器在對應(yīng)兩個方向的位移。由于入射光線不動，移動單元的光線反射器在兩個方向的位移必然引起其反射光線在對應(yīng)兩個方向上位置改變，此光線位置的改變量直接由接收此反射光線的光電接收器探測9到，并經(jīng)過信號處理電路得到二維直線度誤差。由圖2中的幾何光學(xué)知識可得，當(dāng)移動單元在垂直于導(dǎo)軌方向上有Δ平移時，其反射光線兩次經(jīng)過移動單元200中的角錐棱鏡11反射，使透過偏振分光器4的光線有4Δ的平移，即δx＝4Δx；δy＝4Δy(1)式中Δx、Δy分別是移動單元中的角錐棱鏡11在垂直光線入射方向上的水平和豎直直線度誤差；δx、δy分別是反射光線透過偏振分光器4后在水平和豎直方向上的平移。由圖3可知，當(dāng)透鏡組8中透鏡L1、L2的焦距分別為f1、f2，且入射光線有d平移時，出射光線的平移D為D＝df2/f1(2)即探測器9上得到光點平移為X＝δxf2/f1＝4Δxf2/f1；Y＝δyf2/f1＝4Δyf2/f1(3)
則水平和豎直方向直線度誤差分別為Δx＝Xf1/(4f2)；Δy＝Y(jié)f1/(4f2) (4)如果透鏡L1、L2的焦距比為0.5，探測器的分辨率為0.1um，代入式(4)可得到系統(tǒng)二維直線度測量分辨率為12.5nm。信號經(jīng)過處理電路10完成對探測器9探測到的二維直線度信號進(jìn)行采集、處理、經(jīng)過與計算機12通訊輸出并顯示。還可以在透鏡組8中的焦平面上增加一個小孔濾波器，提高測量的精度。另外，在測最過程中為了盡量減少滾轉(zhuǎn)角對測量的影響，應(yīng)該盡量減小入射光和反射光之間的距離。
實施例二(如圖4所示)與實施方式一的不同之處在于移動單元200中增加了一個反射器11，并在固定單元中相應(yīng)增加了一套偏振分光器4、λ/4波片5，反射器6，和反射器13。使系統(tǒng)的測量靈敏度在實施方式一的基礎(chǔ)上再次增加一倍。
實施例三(如圖5所示)與實施方式一的不同之處在于利用一個反射單元14(由逆向反射器和反射鏡組成)，使測量光路四次通過移動靶鏡，達(dá)到與實施方式二同樣的靈敏度倍增效果，與方式二不同的是使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊。
實施例四(如圖6所示)與實施方式一的不同之處在于固定單元中的透鏡組8放置在偏振分光器和反射器6之間的光路上，使達(dá)到同樣的效果，所不同的是使第二次入射到移動單元的光線的直徑增大，可以減小空氣擾動對測量的影響。
實施例五(如圖7所示)與實施方式一的不同之處在于固定單元中的透鏡組8放置在反射器11和λ/4波片5之間的光路上，使測量光兩次通過透鏡組8，使系統(tǒng)的測量靈敏度在實施方式一的基礎(chǔ)上再次提高。但光線直徑也兩次被放大，因此必須考慮探測器的尺寸。
實施例六(如圖8所示)
與實施方式一的不同之處在于在固定單元中利用反射單元14(由逆向反射器和反射鏡組成)替代方式一中的偏振分光鏡4、λ/4波片5和反射器6，使之測量靈敏度放大到與實施方式一一樣的效果，從而更加節(jié)省光學(xué)元器件。
權(quán)利要求
1.一種提高直線度測量靈敏度的測量裝置，所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置為由固定單元(100)、移動單元(200)和計算機系統(tǒng)(300)三部分組成的激光測量系統(tǒng)，其特征是，固定單元(100)的帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器(1)、單模光纖(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、偏光分光器(4)、λ/4波片(5)和移動單元的反時器(11)放置在發(fā)射光光路的光軸上；在反射光光軸上，在偏光分光器(4)下面放置反射器(6)，在單模光纖(2)下面，從上向下放置平面反射鏡(7)、透鏡組(8)、和光電探測器(9)，驅(qū)動和信號處理器(10)分別和帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器(1)、光電探測器(9)和計算機(12)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說移動單元是一個逆向反射器，或采用多個反射器，使測量靈敏度進(jìn)一步提高；并通過支架固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所述移動單元內(nèi)多個反射器為角錐棱鏡或者貓眼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說λ/4波片的快軸與線偏振光的偏振方向成45°，光線四次通過λ/4波片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說的λ/4波片用λ/2波片取代時，并使快軸與線偏振光的偏振方向成45°，且讓光線2次通過。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說的透鏡組是由兩個焦距不同的凸透鏡組成，并且在共同的焦平面上放置針孔濾波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所述固定單元中利用由逆向反射器和反射鏡組成的反射單元(14)替代方式一中的偏振分光鏡(4)、λ/4波片(5)和反射器(6)，使之測量靈敏度放大到與實施方式一一樣的效果，從而更加節(jié)省光學(xué)元器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說接收直線度誤差信號的光電探測器(9)，采用四象限光電接收器、PSD位敏器件或者CCD光電接收器。
9.一種提高直線度測量靈敏度的方法，其特征是，所述測量方法是由帶光纖的半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)射高穩(wěn)定激光束，入射到偏振分光器(4)，該入射光經(jīng)過偏振分光器(4)變?yōu)榫€偏振光，該線偏振光經(jīng)過λ/4波片(5)后，變成圓偏振偏振光；入射到移動單元(200)反射后，再經(jīng)過λ/4波片(5)后，又由圓偏振光變成線偏振光，但其偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°角，經(jīng)過偏振分光器(4)反射到另一個反射器(6)，使光線再次沿原來方向通過一次移動單元的反射器(11)，光線總共四次通過λ/4波片后，其偏振方向又回到最初的偏振狀態(tài)，透過偏振分光器(4)，入射到平面反射鏡(7)、通過透鏡組(8)，入射到光電探測器(9)上，并由此光電探測器接收，當(dāng)移動單元(200)沿導(dǎo)軌移動時，因?qū)к壴趦蓚€方向直線度的誤差，必然造成光線反射器在對應(yīng)兩個方向的位移，光線在對應(yīng)兩個方向上位置改變，此光線位置的改變量直接由接收此反射光線的光電接收器探測到，并經(jīng)過信號處理電路得到二維直線度誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。由固定單元、移動單元和計算機三部分組成的激光測量系統(tǒng)。包括激光發(fā)射器、偏光分光器、λ/4波片、反射器、光電接收單元以及信號處理組成的穩(wěn)定準(zhǔn)直激光測量系統(tǒng)，通過光學(xué)器件設(shè)置測量光線多次經(jīng)過移動靶鏡，使其測量靈敏度成倍得到放大。同時在探測器前面設(shè)置透鏡組，使系統(tǒng)測量靈敏度得到進(jìn)一步放大。實現(xiàn)了直線導(dǎo)軌高靈敏度二維直線度實時測量。
文檔編號G01B11/27GK1920478SQ20061008888
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月24日
發(fā)明者匡翠方, 馮其波, 陳士謙, 張志峰 申請人:北京交通大學(xué)