專利名稱：一種基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及以采用光學(xué)方法為特征的測量裝置，尤其是涉及一種基于 雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量裝置。
背景技術(shù)：
縱觀國內(nèi)外直線度的測量方法，按照有無直線基準(zhǔn)，可將直線度的測量方 法大致分為兩類第一類是無直線基準(zhǔn)的測量方法，主要采用誤差分離法，而 按照信息獲取的途徑不同，無直線基準(zhǔn)測量法又可分為反向法、錯位法和多測 頭法，誤差分離法實(shí)用可靠，適用于在線或離線測量， 一次測量可獲得多項(xiàng)測 量誤差，但該方法受多種因素的影響，如測量裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)、測頭間 距誤差、傳感器標(biāo)定誤差等，使測量準(zhǔn)確度下降。第二類是有直線基準(zhǔn)的測量 方法，該方法采用一定的直線基準(zhǔn)，并以此基準(zhǔn)來檢測被測表面的直線度誤差， 主要有光隙法、節(jié)距法、測微儀法、三坐標(biāo)法、平晶干涉法、激光準(zhǔn)直法、 激光全息法和雙頻激光干涉法等。以上這些測量方法中，基于雙頻激光干涉的 直線度測量方法具有納米級高測量精度的優(yōu)點(diǎn)，但是其僅是實(shí)現(xiàn)了直線度的單 獨(dú)測量，存在沒有給出被測直線度的具體位置的技術(shù)問題。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測 量裝置。采用激光外差干涉原理，既實(shí)現(xiàn)了納米級精度的直線度測量，又實(shí)現(xiàn) 了被測直線度位置的納米級位移測量，解決了納米級高精度的直線度及其位置 同時測量的技術(shù)問題。
本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
光源為橫向塞曼效應(yīng)He-Ne雙頻激光器發(fā)出的激光束經(jīng)普通分光鏡分成兩 束，第一反射光束入射至第一檢偏器，被第一光電探測器接收作為參考信號， 第一透射光束經(jīng)消偏振分光棱鏡再次分為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鏡，第二透射光束經(jīng)渥拉斯頓棱鏡透射后將&和f2 兩個頻率的光分成兩路測量光束，射向由直角棱鏡組成的測量反射鏡，測量反 射鏡放置于被測對象上，測量反射鏡在被測對象上移動時，產(chǎn)生含有多普勒頻 差士Afi和士Af2的兩測量光束fi士Af!和f2±Af2，經(jīng)測量反射鏡反射后至渥拉斯頓棱 鏡的另一點(diǎn)匯合成一束光，再次透過渥拉斯頓棱鏡后射向偏振分光棱鏡，其中，頻率為f-Aft的光透射偏振分光棱鏡與第二反射光束中經(jīng)偏振分光棱鏡反射的 頻率為f2的光形成第一路測量光束，頻率為f2±Af2的光經(jīng)偏振分光棱鏡反射后 與第二反射光束中經(jīng)偏振分光棱鏡透射的頻率為f\的光形成第二路測量光束； 第一路測量光束入射至第二檢偏器，檢偏器的透振方向與第一路測量光束的兩 正交線偏振光成45°角，將兩正交的線偏振光分解到同一透振方向上，形成拍頻， 被第二光電探測器接收形成第一路測量信號，其頻率為frf2士Afn第二路測量光 束入射第三檢偏器，檢偏器的透振方向與第二路測量光束的兩正交線偏振光成 45°角，將兩正交的線偏振光分解到同一透振方向上，形成拍頻，被第三光電探 測器接收形成第二路測量信號，其頻率為frf2±Af2，第一路測量信號、第二路測 量信號和參考信號經(jīng)后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和機(jī)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示，得到測量的直 線度及其位置。
本實(shí)用新型具有的有益效果是-
(1) 基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量方法在測量直線度的同時， 可以定位直線度的絕對位置，實(shí)現(xiàn)了直線度及其位置的同時測量，這極大的方 便了實(shí)際中的應(yīng)用。
(2) 該測量方法采用了激光外差干涉方法，具有納米級測量精度。
(3) 采用共光路結(jié)構(gòu)，有利于消除環(huán)境因素的影響。
(4) 光路結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。
本實(shí)用新型主要適用于超精密加工技術(shù)、微光機(jī)電系統(tǒng)、集成電路芯片制 造技術(shù)等領(lǐng)域所涉及的精密工作臺的運(yùn)動位移測量、精密導(dǎo)軌的直線度檢測等。

圖1是基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量裝置的光路圖。 圖2是基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量方法的示意圖。 圖中1、雙頻激光器，2、普通分光鏡，3、第一檢偏器，4、第一光電探
測器，5、消偏振分光棱鏡，6、渥拉斯頓棱鏡，7、測量反射鏡，8、偏振分光
棱鏡，9、第二檢偏器，10、第二光電探測器，11、第三檢偏器，12、第三光電
探測器，13、被測對象。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量方法如圖1所示光源為橫向 塞曼效應(yīng)He-Ne雙頻激光器l，該激光器的中心波長為632.8nm、輸出兩個不同 頻率&和f2的正交線偏振光，其頻差為1.9MHz。激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)普通分光鏡2分成兩束，其中反射光束入射至第一檢偏器3，由于檢偏器的透振 方向與兩正交線偏振光成45°角，可將兩正交的線偏振光分解到同一透振方向 上，形成拍頻，被第一光電探測器4接收作為參考信號，其頻率為frf2，透射光 束經(jīng)消偏振分光棱鏡5再次分為第二反射光束和第二透射光束，第二反射光束 入射到偏振分光棱鏡8，第二透射光束經(jīng)渥拉斯頓棱鏡6透射后將f,和f2兩個頻 率的光分成有一定角度的兩路測量光束，射向由直角棱鏡組成的測量反射鏡7， 測量反射鏡放置于被測對象13上，測量反射鏡在被測對象上移動后，產(chǎn)生含有 多普勒頻差士A5和iAf2的兩測量光束f^Afi和f2±Af2，經(jīng)測量反射鏡7反射后至 渥拉斯頓棱鏡6的另一點(diǎn)匯合成一束光，再次透過渥拉斯頓棱鏡6后射向偏振 分光棱鏡8，其中，頻率為f^Af,的光透射偏振分光棱鏡8與第二反射光束中經(jīng) 偏振分光棱鏡8反射的頻率為f2的光形成第一路測量光束，頻率為f^Af2的光 經(jīng)偏振分光棱鏡8反射后與第二反射光束中經(jīng)偏振分光棱鏡8透射的頻率為& 的光形成第二路測量光束；第一路測量光束入射至第二檢偏器9，檢偏器的透振 方向與第一路測量光束的兩正交線偏振光成45。角，可將兩正交的線偏振光分解 到同一透振方向上，形成拍頻，被第二光電探測器IO接收形成第一路測量信號， 其頻率為frf2±Af1;第二路測量光束入射第三檢偏器11，檢偏器的透振方向與 第二路測量光束的兩正交線偏振光成45°角，可將兩正交的線偏振光分解到同一 透振方向上，形成拍頻，被第三光電探測器12接收形成第二路測量信號，其頻 率為frf2±Af2，第一路測量信號、第二路測量信號和參考信號經(jīng)后續(xù)的數(shù)據(jù)采集 和機(jī)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示，得到測量的直線度及其位置。
具體是經(jīng)基于Altera公司生產(chǎn)的FPGA芯片EP2C20Q240的硬件電路數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)連接至用于數(shù)據(jù)處理和顯示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
如圖1所示，光路中的黑點(diǎn)和豎直短線表示偏振方向正交的兩個不同頻率 的線偏振光，而上方帶有三角的黑點(diǎn)和帶有三角的豎直短線代表含有多普勒頻 差信息的正交線偏振光。
結(jié)合圖2所示，本方法的直線度及其位置的測量，具體實(shí)現(xiàn)如下
測量時，設(shè)測量反射鏡7由初始位置1移動至被測位置2，沿測量基準(zhǔn)軸線 方向的速度為v，根據(jù)多普勒效應(yīng)及圖2所示可得
y;Ki土-
/2'=/2(i±——
5式中/、/2為雙頻激光器輸出正交線偏振光的兩個頻率，/',、/ 為含有多
普勒頻差的兩個頻率，c為光在真空中的速度，0為渥拉斯頓棱鏡的分束角度。
當(dāng)測量反射鏡7與激光器相向運(yùn)動時速度為v取正，相背運(yùn)動時速度為v
取負(fù)。由多普勒效應(yīng)引起的測量光束/;和/2的頻率變化為
<formula>formula see original document page 6</formula>式中^ ^為兩個頻率的激光波長。
設(shè)測量反射鏡7移動距離為S、時間為"由參考信號(頻率為frf2)和第 一路測量信號(頻率為frf2士Afi)求差頻可得A&，由參考信號(頻率為frf2) 和第二路測量信號(頻率為frf2±Af2)求差頻可得Af2，則對應(yīng)的兩光路的光程 (位移)變化為
A = :vcos昏d, 二告
兩光路的光程差為
根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系，可求出被測對象的直線度值為
sin — 2 sm — 2 2
式中當(dāng)A/z為負(fù)時，測量反射鏡7向上偏離基準(zhǔn)軸線；當(dāng)A/;為正時，測量反射 鏡7向下偏離基準(zhǔn)軸線。
該直線度所對應(yīng)的位置為
<formula>formula see original document page 6</formula>綜上可知，由公式(1)和公式(2)即可求出被測對象的直線度及其位置。
如圖2所示，虛線表示測量反射鏡未產(chǎn)生直線度偏差時位于基準(zhǔn)軸線上。
權(quán)利要求1、一種基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量裝置，其特征在于光源為橫向塞曼效應(yīng)He-Ne雙頻激光器(1)發(fā)出的激光束經(jīng)普通分光鏡(2)分成兩束，第一反射光束入射至第一檢偏器(3)，被第一光電探測器(4)接收作為參考信號，第一透射光束經(jīng)消偏振分光棱鏡(5)再次分為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鏡(8)，第二透射光束經(jīng)渥拉斯頓棱鏡(6)透射后將f1和f2兩個頻率的光分成兩路測量光束，射向由直角棱鏡組成的測量反射鏡(7)，測量反射鏡放置于被測對象(13)上，測量反射鏡在被測對象上移動時，產(chǎn)生含有多普勒頻差±Δf1和±Δf2的兩測量光束f1±Δf1和f2±Δf2，經(jīng)測量反射鏡(7)反射后至渥拉斯頓棱鏡(6)的另一點(diǎn)匯合成一束光，再次透過渥拉斯頓棱鏡(6)后射向偏振分光棱鏡(8)，其中，頻率為f1±Δf1的光透射偏振分光棱鏡(8)與第二反射光束中經(jīng)偏振分光棱鏡(8)反射的頻率為f2的光形成第一路測量光束，頻率為f2±Δf2的光經(jīng)偏振分光棱鏡(8)反射后與第二反射光束中經(jīng)偏振分光棱鏡(8)透射的頻率為f1的光形成第二路測量光束；第一路測量光束入射至第二檢偏器(9)，檢偏器的透振方向與第一路測量光束的兩正交線偏振光成45°角，將兩正交的線偏振光分解到同一透振方向上，形成拍頻，被第二光電探測器(10)接收形成第一路測量信號，其頻率為f1-f2±Δf1；第二路測量光束入射第三檢偏器(11)，檢偏器的透振方向與第二路測量光束的兩正交線偏振光成45°角，將兩正交的線偏振光分解到同一透振方向上，形成拍頻，被第三光電探測器(12)接收形成第二路測量信號，其頻率為f1-f2±Δf2，第一路測量信號、第二路測量信號和參考信號經(jīng)后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和機(jī)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示，得到測量的直線度及其位置。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種基于雙頻干涉原理的直線度及其位置的測量裝置。它包括輸出正交線偏振光的激光器，普通分光鏡，消偏振分光棱鏡，偏振分光棱鏡，渥拉斯頓棱鏡，三個檢偏器，三個光電探測器和由直角棱鏡組成的測量反射鏡。本實(shí)用新型利用光學(xué)器件的偏振特性和分光特性組成了基于外差干涉原理的雙光路測量結(jié)構(gòu)，通過測量雙光路的光程差實(shí)現(xiàn)了直線度及其位置的同時測量，具有納米級的直線度及其位置的測量精度。本實(shí)用新型主要適用于超精密加工技術(shù)、微光機(jī)電系統(tǒng)、集成電路芯片制造技術(shù)等領(lǐng)域所涉及的精密工作臺的運(yùn)動位移測量、精密導(dǎo)軌的直線度檢測等。
文檔編號G01B11/02GK201413130SQ20092012326
公開日2010年2月24日 申請日期2009年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月22日
發(fā)明者嚴(yán)利平, 周硯江, 張恩政, 濤 楊, 陳本永 申請人:浙江理工大學(xué)