可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的激光測(cè)量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，具體是一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的激光測(cè)量裝置 及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代化國防建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，在微型機(jī)械、超精密加 工、微型裝配和納米技術(shù)等領(lǐng)域都需要較大范圍的精密位移量的定位與測(cè)量。其中位移測(cè) 量在當(dāng)今機(jī)械加工與計(jì)量所存在的納米時(shí)代顯得十分重要，尤其是在超精密工作臺(tái)及數(shù)控 機(jī)床上的應(yīng)用。角度測(cè)量是幾何量測(cè)量的重要組成部分，微小角度的測(cè)量在精密加工、航 空航天、軍事和通訊等許多領(lǐng)域都具有極其重要的意義和作用。激光測(cè)量線位移與角位移 的方法在高精度、高動(dòng)態(tài)條件下能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度的測(cè)量，并且具有速度快、非接觸測(cè) 量、功耗小、小型化等優(yōu)勢(shì)，是物體位置參數(shù)測(cè)量發(fā)展的重要方法之一。
[0003] 目前的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)很多都采用激光干涉儀結(jié)構(gòu)，如HP5529A動(dòng)態(tài)校正裝置、 RenishaiZygo等激光測(cè)量系統(tǒng)。這些光學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都采用了成熟的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，加強(qiáng)了 數(shù)據(jù)采集和處理功能，具有較高的測(cè)量精度。但是，進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，還是停留在單參數(shù)的 測(cè)量，安裝一次僅測(cè)量一項(xiàng)參數(shù)分量，其測(cè)量的過程比較麻煩，不能滿足同時(shí)進(jìn)行多個(gè)參量 的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求。德國SIOS三光束干涉儀，可以同時(shí)進(jìn)行一維長度位移和二維角位 移的測(cè)量。但是，這是一種間接測(cè)量方法，通過測(cè)量距離換算成角度，引入誤差大，精度低， 且采用的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝置比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)不方便并且費(fèi)時(shí)，成本較高?？傮w上來說，至今 還沒有成功研制一種結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量范圍大、調(diào)節(jié)方便、性能可靠、精度高、算法簡單、成本 較低的可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)參量測(cè)量的激光測(cè)量系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的激光測(cè)量裝置及方法，以解 決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0006] 可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的激光測(cè)量裝置，其特征在于：包括有穩(wěn)頻氦氖激光，穩(wěn) 頻氦氖激光器出射光路的后方設(shè)置有第二偏振分光棱鏡，且穩(wěn)頻氦氖激光器光出射端正對(duì) 第二偏振分光棱鏡后鏡面的左側(cè)，穩(wěn)頻氦氖激光器與第二偏振分光棱鏡之間的穩(wěn)頻氦氖激 光器出射光路的后方還依次設(shè)置有光隔離器、第一小孔光闌、第一偏振分光棱鏡，第一偏振 分光棱鏡的后鏡面緊貼設(shè)置有偏振片，第一偏振分光棱鏡的前鏡面緊貼設(shè)置有第一四分之 一波片，第一偏振分光棱鏡的左鏡面緊貼設(shè)置有平凸透鏡，第一偏振分光棱鏡的左鏡面外 設(shè)置有對(duì)準(zhǔn)平凸透鏡的四象限探測(cè)器，所述第二偏振分光棱鏡左鏡面緊貼設(shè)置有第二四分 之一波片，第二偏振分光棱鏡前鏡面左側(cè)緊貼設(shè)置有第三四分之一波片，第二偏振分光棱 鏡前鏡面右側(cè)緊貼設(shè)置有第四四分之一波片，第二偏振分光棱鏡右鏡面前側(cè)緊貼設(shè)置有第 一直角棱鏡，第二偏振分光棱鏡后鏡面右側(cè)緊貼設(shè)置有第二直角棱鏡，且第一、第二直角棱 鏡分別通過各自斜邊面緊貼于第二偏振分光棱鏡對(duì)應(yīng)鏡面上，第二偏振分光棱鏡左鏡面外 設(shè)置有第一平面反射鏡，第二偏振分光棱鏡前鏡面外設(shè)置有第二平面反射鏡，且第一平面 反射鏡正對(duì)第二四分之一波片，第二平面發(fā)射鏡正對(duì)第三四分之一波片和第四四分之一波 片，還包括消偏振分光棱鏡、第三偏振分光棱鏡、第四偏振分光棱鏡，所述消偏振分光棱鏡 的左鏡面正對(duì)第二偏振分光棱鏡的右鏡面后側(cè)，且消偏振分光棱鏡的左鏡面緊貼設(shè)置有第 五四分之一波片，消偏振分光棱鏡的左鏡面與第二偏振分光棱鏡之間還設(shè)置有第二小孔光 闌，所述第三偏振分光棱鏡通過其前鏡面緊貼設(shè)置于消偏振分光棱鏡的后鏡面，第四偏振 分光棱鏡通過其左鏡面緊貼設(shè)置于消偏振分光棱鏡的右鏡面，且第三偏振分光棱鏡前鏡面 與消偏振分光棱鏡后鏡面之間設(shè)置有二分之一波片，第三偏振分光棱鏡的右鏡面外設(shè)置有 第一光電二極管，第三偏振分光棱鏡的后鏡面外設(shè)置有第三光電二極管，第四偏振分光棱 鏡的右鏡面外設(shè)置有第二光電二極管，第四偏振分光棱鏡的前鏡面外設(shè)置有第四光電二極 管，且第一光電二極管、第三光電二極管分別正對(duì)第三偏振分光棱鏡的右鏡面、后鏡面，第 二光電二極管、第四光電二極管分別正對(duì)第四偏振分光棱鏡的右鏡面、前鏡面。
[0007] 所述的可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的激光測(cè)量裝置，其特征在于：穩(wěn)頻氦氖激光器 發(fā)出的光束，先經(jīng)過光隔離器和第一小孔光闌后，再通過偏振片變?yōu)榫€偏振P光，偏振P光 入射到第一偏振分光棱鏡，再經(jīng)過第一四分之一波片出射，此時(shí)線偏振P光變?yōu)闄E圓偏光， 橢圓偏光入射到第二偏振分光棱鏡被分為P光和S光，P光與S光的光強(qiáng)比為2:1，以P光 作為測(cè)量光束，S光作為偏振干涉測(cè)量線位移的參考光束，S光透過第二四分之一波片變?yōu)?圓偏光后，在第一平面反射鏡處反射再次經(jīng)過第二四分之一波片，圓偏光變成P光，該P(yáng)光 經(jīng)過第二偏振分光棱鏡透射到第一直角棱鏡，經(jīng)第一直角棱鏡兩次反射后透過第二偏振分 光棱鏡和第二四分之一波片，并在第一平面反射鏡反射，再透過第二四分之一波片，兩次通 過第二四分之一波片改變一次線偏光的偏振態(tài)，P光變?yōu)榱?S光，該S光再經(jīng)過第二偏振分 光棱鏡反射到第二直角棱鏡，光束經(jīng)過第二直角棱鏡兩次反射，再次入射到第二偏振分光 棱鏡并反射后，透過第二四分之一波片變?yōu)閳A偏光，并在第一平面反射鏡反射，再次通過第 二四分之一波片，偏振光變?yōu)镻光，該P(yáng)光最終透過第二偏振分光棱鏡，出射到第二小孔光 闌，此時(shí)的P光作為偏振干涉測(cè)量的參考光束；
[0008] 通過第一四分之一波片7產(chǎn)生的橢圓偏光，經(jīng)過第二偏振分光棱鏡透射所產(chǎn)生的 P光，作為測(cè)量光束，入射到第三四分之一波片，橢圓偏光由第二平面反射鏡被反射再次經(jīng) 過第三四分之一波片，變?yōu)?5°線偏振光，入射到第二偏振分光棱鏡被分成P光和S光，其 中P光用于測(cè)量二維角位移的光束，光沿原路返回，經(jīng)過第一四分之一波片和第一偏振分 光棱鏡，變?yōu)镾光反射至平凸透鏡并聚焦，由四象限光電探測(cè)器來接收檢測(cè)光斑在兩個(gè)方 向上的偏移，偏移量的大小與反射回來的光束角度成線性關(guān)系，可用于測(cè)量二維角位移；由 第二平面發(fā)射鏡D點(diǎn)反射，經(jīng)過第二偏振分光棱鏡反射的S光用作偏振干涉測(cè)量線位移的 測(cè)量光束，S光入射到第一直角棱鏡并經(jīng)兩次反射，入射到第二偏振分光棱鏡并反射，透過 第四四分之一波片，之后S光變?yōu)閳A偏光，在第二平面反射鏡的E點(diǎn)反射再次通過第三四分 之一波片，變?yōu)镻光，該P(yáng)光透射經(jīng)過第二偏振分光棱鏡，到第二直角棱鏡兩次反射，再次透 過第二偏振分光棱鏡，透過第四四分之一波片，在第二平面反射鏡的F點(diǎn)反射，通過第四四 分之一波片，其光偏振態(tài)發(fā)生一次變換，最后變?yōu)镾光，由第二偏振分光棱鏡反射，出射到 第二小孔光闌，從干涉部分出射的兩路正交的線偏光P光和S光，通過第五四分之一波片， 線偏光變?yōu)樽?、右旋的圓偏光，通過消偏振分光鏡將其平分成兩路光，其中一路光經(jīng)過第四 偏振分光棱鏡形成兩路相位差為180°的干涉信號(hào)，分別由第二光電二極管和第四光電二 極管接收；另一路光經(jīng)過二分之一波片改變圓偏光的旋向，再經(jīng)過第三偏振分光棱鏡也形 成兩路相位差為180°的干涉信號(hào)，分別由第一光電二極管和第三光電二極管接收，四路正 交的干涉信號(hào)的相位差分別為90°，用來測(cè)量一維線位移。
[0009] 所述的可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的激光測(cè)量裝置，其特征在于：由偏振片、第一四 分之一波片和平凸透鏡膠合在第一偏振分光棱鏡的三個(gè)鏡面上組成的長方體結(jié)構(gòu)形成光 學(xué)組件一，第一四分之一波片快軸方向與其所在平面的水平軸夾角為27. 36°。
[0010] 所述的可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的激光測(cè)量裝置，其特征在