[发明专利]角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法。本发明采用镀有半透半反膜的角锥棱镜作为位移和转角测量的测量镜，由激光外差干涉光路产生的干涉信号经光电探测器探测，数据采集处理得到位移测量初值；激光光斑检测转角测量光路产生的激光光斑位置信号，经数据采集处理得到被测对象的俯仰角误差值和偏摆角误差值，进而可得到位移补偿所需转角值；利用转角值对位移初值进行补偿，得到最终的位移测量值。本发明解决了传统激光干涉位移测量技术中角锥棱镜存在转角误差影响位移测量精度的技术问题，实现了高精度的位移测量，并可实现对被测对象偏摆角、俯仰角和线性位移三个自由度的同时检测。

技术领域

本发明涉及一种激光外差干涉位移测量方法，尤其是涉及一种角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法。

背景技术

激光干涉测量技术由于具有测量范围大、测量精度高以及长度基准的直接溯源性的特点，因此被广泛应用于精密机械加工与制造，精密仪器的测量与校准等领域中实现对位移的测量。传统的激光干涉位移测量技术按照干涉系统所采用的光源类型划分，大致可以分为单频激光干涉位移测量系统和激光外差干涉位移测量系统，这两种干涉系统中的位移测量光路结构基本相同，主要由一个参考角锥棱镜，一个测量角锥棱镜和一个分光镜组成。虽然目前这两种激光干涉位移测量技术均可实现大范围、较高精度的位移测量，但是他们存在着共性的问题，当测量角锥棱镜随着被测对象一起运动存在俯仰角或偏摆角误差时，会导致干涉光路中测量光束不能有效逆返，影响测量干涉信号的质量甚至导致干涉信号不能正常生成；并且俯仰角或偏摆角误差会使得角锥棱镜内部光程的影响附加到测得的位移结果中，影响最终的位移测量精度。

发明内容

为了解决传统激光干涉位移测量技术中当角锥棱镜存在转角误差影响位移测量精度的技术问题，本发明的目的在于提供一种角度补偿式激光外差干涉位移测量装置及方法，解决了上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种角度补偿式激光外差干涉位移测量装置：

包括激光外差干涉位移测量光路部分和角锥棱镜，激光外差干涉位移测量光路部分包括双频激光器、第一分光镜、第一偏振片、第一光电探测器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一平面镜、第二偏振片、第二光电探测器、法拉第旋光器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片和第二平面反射镜；双频激光器输出的正交线偏振光，正交线偏振光入射到第一分光镜发生反射和透射分成两束光，第一分光镜的反射光经第一偏振片产生拍频干涉后被第一光电探测器接收获得参考信号。

第一分光镜的透射光入射到第一偏振分光镜经反射和透射分成两束光：第一偏振分光镜的反射光作为第一测量光束，第一测量光束经第一四分之一波片后入射到第一平面镜反射，第一平面镜反射光再经第一四分之一波片后返回到第一偏振分光镜发生透射，第一偏振分光镜透射光经第二偏振片透射后入射到第二光电探测器，并作为测量信号的一部分；第一偏振分光镜的透射光作为第二测量光束，第二测量光束经法拉第旋光器入射到第二偏振分光镜发生透射，经第二四分之一波片后入射到角锥棱镜，被角锥棱镜正常反射后再经第二四分之一波片回到第二偏振分光镜，再经第二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，逆反光束按原光路逆反回到第一偏振分光镜处，逆反光束经第一偏振分光镜反射后再经第二偏振片透射，然后经第二偏振片入射到第二光电探测器，并作为测量信号的另一部分；逆反光束和第一测量光束在第二偏振片处透射光产生拍频干涉，被第二光电探测器接收获得测量信号。

所述的逆反光束按原光路逆反回到第一偏振分光镜处，具体是：逆反光束从第二平面镜反射出后，依次经第二偏振分光镜反射、第二四分之一波片透射、角锥棱镜反射、第二四分之一波片透射、第二偏振分光镜透射后，再经法拉第旋光器入射到第一偏振分光镜。

所述的角锥棱镜与被测对象固定在一起，并随着被测对象一起运动。

本发明通过法拉第旋光器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片和第二平面反射镜在光路上的设置，能实现角锥棱镜大角度范围的光束逆反。