[0003] 为了解决传统激光干涉角度测量技术中测量镜存在大径向位移误差导致测量光束偏离探测器上的初始探测孔径,影响干涉信号的正常生成甚至导致干涉测量中断的技术问题,本发明的目的在于提供一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置及方法,解决上述问题。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005] 一、一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量装置:
[0006] 包括激光外差干涉角度探测光路部分和角度测量镜;激光外差干涉角度探测光路部分包括输出正交线偏振光的双频激光器、分光镜、第一光电探测器、第一偏振分光镜、第二光电探测器、第一法拉第旋光器、第一测量偏振分光镜、第一四分之一波片、第一平面反射镜、直角反射镜、第二法拉第旋光器、第二测量偏振分光镜、第二四分之一波片和第二平面反射镜,第一光电探测器和第二光电探测器的探测通光孔集成有偏振片;角度测量镜包括第一角锥棱镜和第二角锥棱镜,第一角锥棱镜和第二角锥棱镜封装固定在一起并连接于被测对象,随着被测对象一起运动;
[0007] 双频激光器输出正交线偏振光,正交线偏振光入射到分光镜发生透射和反射分成两束光,分光镜反射的光被第一光电探测器接收获得角度测量参考信号;分光镜透射的光入射到第一偏振分光镜发生反射和透射再分成两束光:第一偏振分光镜透射的光作为第一测量光束,第一测量光束经第一法拉第旋光器入射到第一测量偏振分光镜发生透射,经第一四分之一波片后入射到第一角锥棱镜,被第一角锥棱镜正常反射后再经第一四分之一波片回到第一测量偏振分光镜并反射到第一平面反射镜,经第一平面反射镜反射后形成逆反光束,逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜处并经第一偏振分光镜反射后入射到第二光电探测器,作为第一逆返测量光束;第一偏振分光镜反射的光作为第二测量光束,第二测量光束被直角反射镜反射后,经第二法拉第旋光器入射到第二测量偏振分光镜发生透射,经第二四分之一波片后入射到第二角锥棱镜,被第二角锥棱镜正常反射后再经第二四分之一波片回到第二测量偏振分光镜,再经第二测量偏振分光镜反射到第二平面镜,经第二平面镜反射后形成逆反光束,逆反光束按自身原光路逆反回到第一偏振分光镜处并经第一偏振分光镜透射后入射到第二光电探测器,作为第二逆返测量光束;第一逆返测量光束和第二逆返测量光束在第二光电探测器的探测通光孔的偏振片处汇合产生拍频干涉,并被第二光电探测器接收获得测量信号。
[0008] 所述第一测量光束的逆反光束返回到第一偏振分光镜处,具体是:第一测量光束的逆反光束从第一平面反射镜反射后,依次经第一测量偏振分光镜反射、第一四分之一波片透射、第一角锥棱镜反射、第一四分之一波片再次透射、第一测量偏振分光镜透射后,再经第一法拉第旋光器入射到第一偏振分光镜。
[0009] 所述第二测量光束的逆反光束返回到第一偏振分光镜处,具体是:第二测量光束的逆反光束从第二平面镜反射后,依次经第二测量偏振分光镜反射、第二四分之一波片透射、第二角锥棱镜反射、第二四分之一波片再次透射、第二测量偏振分光镜透射后,再经第二法拉第旋光器和直角反射镜反射后入射到第一偏振分光镜。
[0010] 角度偏转时测量光路如图2所示,径向位移时测量光路如图3所示。
[0011] 具体实施中测量时,角度测量镜上第一角锥棱镜和第二角锥棱镜的入射面在同一平面上。
[0012] 所述第一测量光束与第二测量光束相互平行,且第一测量光束与第二测量光束间的间距距离与第一角锥棱镜和第二角锥棱镜间的间距距离相等。
[0013] 所述的第一偏振分光镜绕光轴沿着第一测量光束正向传播方向看去顺时针转过45°(即图中从左到右看去顺时针转过45°),第二偏振分光镜绕光轴沿着第二测量光束正向传播方向看去顺时针转过45°;且第一法拉第旋光器和第二法拉第旋光器的旋光角度均为
45°,第一法拉第旋光器的旋光方向沿着第一测量光束正向传播方向看去是顺时针转过
45°,第二法拉第旋光器的旋光方向沿着第二测量光束正向传播方向看去是逆时针转过
45°。
[0014] 所述第一四分之一波片和第二四分之一波片的快轴方向与通过的线偏振光的偏振方向呈45°布置。
[0015] 所述光路通过第一法拉第旋光器、第一测量偏振分光镜、第一四分之一波片和第一平面反射镜形成的第一测量光路的设置以及通过直角反射镜、第二法拉第旋光器、第二测量偏振分光镜、第二四分之一波片和第二平面反射镜形成的第二测量光路的设置,能够确保角度测量镜存在大径向位移运动时或大角度转动时第一测量光束和第二测量光束的有效逆返。
[0016] 本发明所述的大径向是指径向位移裕度在5mm以上。
[0017] 本发明所述的大角度是指角度测量范围达±15°。
[0018] 还包括信号采集处理板和计算机,第一光电探测器和第二光电探测器,经信号采集处理板与计算机连接,第一光电探测器和第二光电探测器探测到的参考信号和测量信号经信号采集处理传输至计算机进行数据处理,最终由计算机给出被测对象的角度测量结果。
[0019] 二、一种大径向位移裕度激光外差干涉角度测量方法,包括以下过程:
[0020] 1)将角度测量镜安装在被测对象上随被测对象一起运动,选择可以输出正交线偏振光的双频激光器,双频激光器输出的正交线偏振光经过激光外差干涉角度测量光路;
[0021] 2)根据第一光电探测器和第二光电探测器分别探测到的参考信号和测量信号输入信号采集处理板处理得到被测对象的角度测量数据。
[0022] 所述步骤2)具体为:
[0023] 2.1)参考信号和测量信号经电路整形处理均从正弦信号转变为矩形波信号,然后对两路矩形波信号进行信号上升沿计数,并对两个上升沿计数值对减得到整周期计数值N,对两路矩形波信号的相位差区间进行填脉冲计数处理获得非整周期计数值ε;
[0024] 2.2)利用整周期计数值N和非整周期计数值ε,采用以下公式计算获得被测对象的转动角度值θ:
[0025]
[0026] 其中,λ为激光波长,S为角度测量镜上第一角锥棱镜与第二角锥棱镜间的距离,4为光路的光学倍频系数,n为空气折射率。
[0027] 所述测量方法,角度测量镜上第一角锥棱镜和第二角锥棱镜在固定时确保两个角锥棱镜的入射面在同一平面上。
[0028] 所述测量方法中,角度测量镜随被测对象一起转动,只要第一测量光束和第二测量光束分别被第一角锥棱镜和第二角锥棱镜捕获,能使得两测量光束有效逆返。
[0029] 所述测量方法中,角度测量镜随着被测对象一起运动,当存在径向位移运动时,只要分别被第一角锥棱镜和第二角锥棱镜反射的第一测量光束和第二测量光束能通过第一测量偏振分光镜和第二测量偏振分光镜,就能保证两测量光束的有效逆返。
[0030] 所述测量方法固定第一角锥棱镜和第二角锥棱镜的固定架材料采用温度形变系数小的材料制成。
[0031] 本发明采用激光外差干涉测量原理实现光路的设计,可实现高精度的角度测量,并且实现了被测对象存在大的径向位移运动时测量光束的有效逆返,保证干涉测量的顺利实施。
[0032] 本发明具有的有益效果是:
[0033] (1)本测量方法利用两个法拉第旋光器实现激光外差干涉角度测量光路的设计,完成偏振光偏振方向准确的正交转换。
[0034] 本发明的光路结构可确保当角度测量镜运动过程中存在大径向位移运动时,只要测量光束能通过光路的有效通光孔径,就能保证测量光束的有效逆返,保证干涉信号的正常生成,解决传统激光干涉角度测量技术中测量镜存在大径向位移误差导致测量光束偏离探测器上的初始探测孔径,影响干涉信号的正常生成甚至导致干涉测量中断的技术问题,即存在角度测量镜径向位移裕度小的问题,同时实现兼顾高分辨率和大测量范围的角度测量。
[0035] (2)该测量方法利用激光外差干涉原理实现光路设计,具有长度量值基准的直接溯源能力,可实现高精度的角度测量。
[0036] (3)该测量方法,特有的角度测量光路结构,当角度测量镜存在大角度转动时,只要测量光束能被对应角锥棱镜捕获,就能保证测量光束的有效逆返,保证干涉信号的正常生成,实现大角度的干涉测量。
[0037] (4)该测量方法,通过调整两测量光束之间和对应两角锥棱镜之间的距离,可实现对角度测量分辨率的调整,满足不同角度测量或校准分辨率的需求。光路结构实现的测量光束的逆返能力,能兼顾实现大范围和高分辨率的角度测量。
[0038] (5)光路结构中,激光外差干涉角度测量光路与角度测量镜之间无线缆连接,易于实现测量装置的封装集成。
[0039] 本发明适用于超精密加工与制造技术、机械系统的装调和位置校准、集成电路芯片制造技术等领域所涉及的精密工作台的角度测量与校准中。