用于多几何误差量测量的光学装置、干涉系统及光学测量方法

摘要

本发明公开一种用于多几何误差量测量的光学装置，该光学装置由一干涉光学镜组和一反射光学镜组构成，该干涉光学镜组包括：第一光学单元，用于测量位移X及角度Rx，Ry，Rz；第二光学单元，用于测量直线度?Y和测量直线度?Z；基座组件，用于与该第一、第二光学单元连接；该反射镜组用于将来自该干涉光学镜组的光束原路返回且与入射光分开一定距离。本发明同时公开一种双频激光干涉测量系统和一种用于多几何误差量测量的光学方法。

说明书

技术领域

本发明涉及精密机床及精密复杂机械装备几何量误差测量，尤其涉及一种用于多几何误差量测量的光学装置、干涉系统及光学测量方法。

背景技术

随着现代加工技术和高端装备精密制造业的的发展，对数控机床的加工精度要求越来越高。为了能够生产装配出满足生产需求的高精度精密机床，并且使机床保持高精密状态。对机床几何误差量的检测将成为无法回避的问题。只有检测出机床的几何误差，才能确认生产的机床是否满足要求，并且才可以进一步提高机床的加工精度，或者对现有机床的系统误差进行补偿。

一般来说，装调机床的过程需要对各项几何误差进行检测，以装调到设计精度。机床出厂需要对机床整体误差进行检测，以确认整机性能。在机床的使用过程中，需要定期对机床的几何误差进行检测，以确保机床加工精度没有发生漂移。按照现有的精密机床几何误差检测手段，一次只能检测一个误差量，每次检测都需要对检测仪器作精密状态。而对于高精密数控机床，其误差量至少要检测21项，因此。完整的检测完机床的各个误差量，所需要的时间十分冗长（甚至2-3天）。由于精密机床十分昂贵，因此造成的隐性成本十分可观。

历史上，人们一直企图解决这一问题，并发展出了许多光学测量方法和技术。概括起来包括：传统的光学方法，基于光的衍射的方法，基于激光追踪的方法和激光干涉与激光准直相结合的方法。其中，基于激光干涉和激光准直目前应用的最先进的方法，并有人申请了相关专利。如US5798828 “激光五轴位置测量系统”（laser aligned five-axis position measurement device），US5900938 “快速校正机床工具的激光测量系统”（Laser measurement system for rapid calibration of machine tool）, US6316779“具有位相检测灵敏度的转角和位移测量”（Rotation and translation measurement with phase sensitive detection）。美国的API公司申请的专利CN97191384.6 “五轴/六轴测量系统，”但是该系统的除位移外的其他物理量实际上由位移传感器PSD检测，并不能做到可溯源，精度权威性低。并且传感头需要有源器件进行信号传输，其发热影响测量精度。

有鉴于此，现有技术中急需要一种新的用于多几何误差量测量的光学装置和方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种用于多几何误差量测量的光学装置、干涉系统及光学测量方法，能缩短检测时间，提高检测效率。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种用于多几何误差量测量的光学装置，该光学装置由一干涉光学镜组和一反射光学镜组构成，该干涉光学镜组包括：第一光学单元，用于测量位移X及角度Rx，Ry，Rz；第二光学单元，用于测量直线度?Y和测量直线度?Z；基座组件，用于与该第一、第二光学单元连接；该反射镜组用于将来自该干涉光学镜组的光束原路返回且与入射光分开一定距离。

更进一步地，该入射光进入第一光学单元被等分为五份，其中的三份光形成与X轴平行的第一入射光、第二入射光及第三入射光，利用该第一、第二、第三入射光获得位移X及角度Rx，Ry，Rz；余下两份光分别进入第二光学单元用于测量直线度?Y和测量直线度?Z。

更进一步地，该干涉光学镜组包括四组分光组件，一偏振分光棱镜组件，三组角锥棱镜组件和两组沃拉斯顿棱镜组件。该四组分光组件均由一三角棱镜组件和一平行四边形棱镜组件组成，该平行四边形棱镜组件的其中一个斜面与该三角棱镜组件的一个侧面用物理方法或其它方法胶合。该三角棱镜组件和该平行四边形棱镜组件的紧邻面均设置一消偏振分光膜，该平行四边形棱镜组件反射光面镀高反膜，其他工作面镀抗反射膜。该四组分光组件的设置的该消偏振分光膜的消偏振分光膜比分别为4：1，3：1，2：1，1：1。

更进一步地，该偏振分光棱镜组件由两个三角棱镜组成，该两个三角棱镜的侧面用物理方法或其它方法胶合。该两个三角棱镜的紧邻面镀高消光比偏振分光膜，其余工作面镀抗反射膜。

更进一步地，该三组角锥棱镜组件的入射面均镀抗反射膜，反射面均镀消偏振反射膜。

更进一步地，该两组沃拉斯顿棱镜组件的工作面均镀抗反射膜。

更进一步地，该反射光学镜组包括三组直线度反射镜组件和三组角锥棱镜反射组件。该三组直线度反射镜组件的反射面镀高反膜，该三组角锥棱镜反射组件的入射面镀抗反射膜，反射面镀消偏振反射膜。

本发明同时公开一种双频激光干涉测量系统，包括：激光器，用于提供频率不同且偏振态相互垂直的一激光束；光学装置，用于将该激光束形成参考光和测量光，该参考光和测量光形成一干涉信号；激光计数卡，用于接收该干涉信号并被转换为一位移信号；该光学装置采用如上文所述的结构。

本发明同时公开一种用于多几何误差量测量的方法，包括：利用一激光器提供频率不同且偏振态相互垂直的一激光束，使该激光束入射一光学装置形成参考光和测量光，该参考光和测量光形成一干涉信号，利用该干涉信号获得误差测量值，其特征在于，该激光束进入该光学装置后等分为五份，其中的三份光形成与X轴平行的第一入射光、第二入射光及第三入射光，利用该第一、第二、第三入射光获得位移X及角度Rx，Ry，Rz；余下两份光分别用于测量直线度?Y和测量直线度?Z。该光学装置采用如上文所述的结构。

更进一步地，位移X，角度Rx，Ry，Rz的计算公式为：                                                ，，，，其中，X1为X轴平行的第一入射光的位移信号，X2为X轴平行的第二入射光的位移信号，X3为X轴平行的第三入射光的位移信号。

与现有技术相比较，本发明所提供的用于多几何误差量测量的光学装置、干涉系统及光学测量方法，基于双频激光干涉测量系统，可以同时测量六个物理量，包括一个位移量，2个直线度，3个旋转量。因而可以极大的缩短检测时间，提高检测效率，并且其可溯源性强，传感头为无源器件，不会引入热干扰，不需要电缆输出信号，进而消除热干扰导致的误差。精度高。同时，本发明具备很强的应用性。 

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1所示为本发明所示出的应用于多几何误差量测量的光学装置的结构示意图；

图2所示为本发明的反射光学镜组的结构示意图；

图3所示为本发明的干涉光学镜组的结构示意图；

图4所示为本发明的分光组件的结构示意图；

图5所示为本发明的偏振分光棱镜PBS组件的结构示意图；

图6所示为本发明的直线度反射镜组件的结构示意图；

图7所示为本发明所示出的应用于多几何误差量测量的方法的原理示意图；

图8所示为本发明所示出的应用于多几何误差量测量的方法的原理示意图；

图9所示为本发明所示出的应用于多几何误差量测量的方法的原理示意图；

图10所示为现有技术中所示出的双频激光干涉仪系统的结构示意图原理示意图；

图11所示为本发明的测量轴X1，X2，X3的位移测量原理光路结构示意图；

图12所示为本发明的测量轴?Y和?Z的直线度测量原理光路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明用于多几何误差量测量的光学装置。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“Y方向”一词主要指与水平向平行的方向，“X方向”一词主要指与水平向平行的且与Y方向垂直的方向，“Z方向”一词主要指与水平向垂直的方向，“Rx方向”一词主要指与绕X轴旋转方向，“Ry方向”一词主要指与绕Y轴旋转方向，“Rz方向”一词主要指与绕Z轴旋转方向，“?Y” 一词主要指沿Y的直线度，“?Z” 一词主要指沿Z的直线度。

本发明公开一种用于多几何误差量测量的光学装置，该光学装置由一干涉光学镜组和一反射光学镜组构成，该干涉光学镜组包括：第一光学单元，用于测量位移X及角度Rx，Ry，Rz；第二光学单元，用于测量直线度?Y和测量直线度?Z；基座组件，用于与该第一、第二光学单元连接；该反射镜组用于将来自该干涉光学镜组的光束原路返回且与入射光分开一定距离。利用本发明所公开的光学装置，可以同时测量六个物理量，包括一个位移量，2个直线度，3个旋转量。

为了能够清晰的描述其工作原理，先介绍一下双频激光干涉测量系统的基本组成及原理。如图10所示，一个双频激光干涉测量系统包括激光器24，干涉镜组25，运动反射镜26，激光计数卡29，信号处理单元28，显示设备27。激光器24发出频率为f1和f2偏振态相互垂直的一束光，该光束在干涉镜组25处根据偏振态的不同分为两部分，一部分反射到固定镜返回形成参考光（由虚线表示）。一部分投射到运动镜26返回形成测量光（由实线表示）。两路光汇合形成干涉，该干涉信号进入激光计数卡29，被转换为位移信号，位移信号经过信号处理单元28处理后被显示设备27显示出来。

其中本发明公布的一种应用于多几何误差量测量的光学装置等效于图10中的干涉镜组25，运动反射镜26，用于实现六个误差量，包括一个位移量，2个直线度，3个旋转量的同时测量。

本发明公布的一种应用于多几何误差量测量的光学装置包括干涉光学镜组和反射光学镜组，如图1所示。该光学装置由一干涉光学镜组和一反射光学镜组构成。图3是干涉光学镜组的结构图。干涉光学镜组包括：分光组件1，分光组件2，分光组件3，分光组件4，偏振分光棱镜PBS组件5，角锥棱镜组件6，角锥棱镜组件7，角锥棱镜组件8，沃拉斯顿棱镜组件9，沃拉斯顿棱镜组件10，玻璃基座组件16。

分光组件1，分光组件2，分光组件3，分光组件4组成五轴分光分结构，其功能为将入射光平均分为5份。分光组件的结构如图4所示，它包括三角棱镜组件18和平行四边形棱镜组件17组成，三角棱镜组件18和平行四边形棱镜组件17之间有消偏振分光膜20，并且分光组件1，分光组件2，分光组件3，分光组件4的分光膜分别为4：1，3：1，3：1，2：1，1：1。平行四边形棱镜组件反射光面镀HR高反膜19，其他工作面镀AR抗反射膜。

其具体过程如下：入射光进入分光组件1，被分为4：1。其中一份光进入偏振分光棱镜PBS组件5成为轴X2的入射光，4份光进入分光组件2。分光组件2将其分为3：1，其中一份光进入偏振分光棱镜PBS组件5成为轴X3的入射光，3份光进入分光组件3。分光组件3将其分为2：1，其中一份光进入偏振分光棱镜PBS组件5成为轴X1的入射光，2份光进入分光组件4。分光组件4将其分为1：1，分别进入直线度测量轴?Y和?Z。

偏振分光棱镜PBS组件5，角锥棱镜组件6，角锥棱镜组件7，角锥棱镜组件8组成测量轴X1，X2，X3的干涉镜组部分。

如图5所示，偏振分光棱镜PBS组件5中镀偏振分光膜20，另外角锥棱镜组件的入射面镀AR抗反射膜，反射面镀消偏振反射膜。

其具体过程如下：含有两个频率f1和f2偏振态相互垂直的入射光，在偏振分光棱镜PBS组件5中镀偏振分光膜20处根据偏振态不同被分为两束，一束透射形成测量光入射到反射镜组并被原方向返回，且在空间上分开一段距离。一束反射后经过角锥棱镜组件被原方向返回，且在空间上分开一段距离。最终汇合形成干涉信号，该信号进入后续的电子系统激光计数卡29，信号处理单元28，显示设备27，形成位移输出，其位移测量原理光路结构示意图见图11。

沃拉斯顿棱镜组件9，沃拉斯顿棱镜组件10组成直线度测量轴?Y和?Z的干涉镜组部分。

其具体过程如下，含有两个频率f1和f2偏振态相互垂直的入射光在沃拉斯顿棱镜组件处根据偏振态的不同形成两束存在一定夹角的出射光，该出射光入射到反射镜组并被原方向返回。并在沃拉斯顿棱镜组件处汇合发生干涉，形成直线度测量轴?Y和?Z的输出。如果反射镜组在出射光平面上垂直于名义运动轴方向存在位移，那么该位移信号将被调制到干涉光信号里。

图2是反射镜组的结构图，反射镜组包括：直线度反射镜组件11，直线度反射镜组件12，角锥棱镜反射组件13，角锥棱镜反射组件14，角锥棱镜反射组件15。 

直线度反射镜组件11，直线度反射镜组件12的功能为将沃拉斯顿棱镜组件9或者10分出的两束光原路返回，并且与入射光分开一段距离，反射面镀HR高反膜，如图6所示

工作原理如下，仔细调整面21和面23的夹角使其匹配沃拉斯顿棱镜组件出射光角度可以使入射光各自原路返回。同时由于面22与与面21为垂直关系，因此可以将沃拉斯顿棱镜组件分出的两束光原路返回，并且与入射光分开一段距离，其测量原理光路结构示意图见图12。

本发明同时公开一种双频激光干涉测量系统，包括：激光器，用于提供频率不同且偏振态相互垂直的一激光束；光学装置，用于将该激光束形成参考光和测量光，该参考光和测量光形成一干涉信号；激光计数卡，用于接收该干涉信号并被转换为一位移信号；该光学装置采用如上文所述的结构。

本发明公布的一种应用于多几何误差量测量的方法，利用一激光器提供频率不同且偏振态相互垂直的一激光束，使该激光束入射一光学装置形成参考光和测量光，该参考光和测量光形成一干涉信号，利用该干涉信号获得误差测量值，其特征在于，该激光束进入该光学装置后等分为五份，其中的三份光形成与X轴平行的第一入射光、第二入射光及第三入射光，利用该第一、第二、第三入射光获得位移X及角度Rx，Ry，Rz；余下两份光分别用于测量直线度?Y和测量直线度?Z。 

如图9所示，本发明公布的一种应用于多几何误差量测量的光学装置，可以输出三路位移信号，X1，X2，X3。

为了更好的消除环境误差及振动的影响可以取三者的平均作为位移量输出

即

同时显而易见：

旋转

直线度?Y=?Y

      ?Z=?Z

对于Rx的分析如下：

基本原理是：根据几何原理三点就可以确定一个平面，而本发明公布的一种应用于多几何误差量测量的光学装置，可以输出三路位移信号，X1，X2，X3，该三路位移信号可以确认一个平面30，那么通过监测三路位移信号就可以监测平面30的旋转进而计算出Rx。在本发明中使三路位移确定的平面30（即反射镜组中三个角锥棱镜组件顶点确定的平面）与ZY平面不平行。那么，其发线也与X轴不平行，假设其夹角为，如图8所示。如果ZY平面围绕X轴旋转，那么也随着旋转。

     下面推导的旋转与Rx的关系：

      如图7所示，假设为X轴，面30的初始单位向量，当Rx旋转时，面30的单位向量与初始单位向量的夹角，假设面30的单位向量与X轴的夹角为。

      在?OAB中，

        （1）

在?ABC中，

（2）

由公式（1）（2）可知

即

（，），为初始向量，

与现有技术相比较，本发明所提供的用于多几何误差量测量的光学装置、干涉系统及光学测量方法，基于双频激光干涉测量系统，可以同时测量六个物理量，包括一个位移量，2个直线度，3个旋转量。因而可以极大的缩短检测时间，提高检测效率，并且其可溯源性强，传感头为无源器件，不会引入热干扰，不需要电缆输出信号，进而消除热干扰导致的误差。精度高。同时，本发明具备很强的应用性。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。