[发明专利]二维横向塞曼双频激光直线度/同轴度测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光精密测量技术，尤其涉及一种应用激光进行高精度准直测量技术。

背景技术

直线度的测量是几何计量领域中最基本的计量项目之一，长距离直线度测量在导轨的安装准直、大型仪器的安装定位、精密仪器制造与检测、大尺寸测量、军工产品制造等领域有着广泛的应用。许多工程中要求对多组轴、孔的同轴度测量，要求测量能断续进行，相对于直线度，同轴度测量提出了更高的要求。

清华大学殷纯永等人提出一种利用横向赛曼双频激光器测量直线度/同轴度的方法，利用一维直线度/同轴度干涉仪分别进行水平方向和垂直方向直线度/同轴度的测量，在进行水平方向测量和垂直方向测量切换时，需要将构成干涉仪的两个渥拉斯顿棱镜和直角棱镜旋转90度。该方法的测量范围达到30m。

该方法的实现装置如图1所示，包括：横向赛曼稳频双频激光器光源101、望远镜102、分光镜103、可转动90度的活动套筒106、一对玻璃光楔(图中未示出)、第一、第二渥拉斯顿棱镜107、108和直角棱镜109，分别设置在该分光镜103的反射光路和渥拉斯顿棱镜107返回光路上的第一检偏器104和第一光电接收器105、第二检偏器110和第二光电接收器111，以及与两个光电接收器相连的由信号放大电路、相位器112和计算机113构成的信号处理单元。

所说的光源采用横向赛曼激光器，直接出射两个相互正交的线偏振光；所说的两个渥拉斯顿棱镜107和108，其分束角完全相同；所说的一对光楔(图中未示出)安装在第一渥拉斯顿棱镜的两个端面上，调节它们可以校正从第一渥拉斯顿棱镜107出射的两束光(两束光未完全分开)相对于原入射光的不对称；所说的第二检偏器110和第二光电接收器111固定在活动套筒106上，可以与活动套筒106一同转动，光束通过活动套筒106的非中心小孔可以被第二光电接收器111接收；所说的激光源101、望远镜102、分光镜103、活动套筒106、检偏器104和110、光电接收器105和112都安装在一个底座(图中未示出)上，构成激光头。

上述装置的工作过程为：正交偏振光先经过分光镜103，将入射光分为两束，一束作为参考光，另一束作为测量光。参考光经过第一检偏器104进行合成，由第一光电接收器105接收转换成交流电信号，即参考信号。测量光先通过第一渥拉斯顿棱镜107后，分开一小角度，再通过第二渥拉斯顿棱镜108后，变成两束平行光，经直角棱镜109反射后，再依次通过第二渥拉斯顿棱镜108和第一渥拉斯顿棱镜107，又变成一束光，经过第二检偏器110进行合成，由第二光电接收器111接收转换成交流电信号，即测量信号。第一渥拉斯顿棱镜107或第二渥拉斯顿棱镜108的垂直于光路方向的移动会使测量信号相对于参考信号间的相位发生变化，用相位器112将参考信号和测量信号进行相位比较，将结果送到计算机113进行数据处理，就可得到第一渥拉斯顿棱镜107或第二渥拉斯顿棱镜108的移动量。

若将第二渥拉斯顿棱镜108和直角棱镜109放于导轨一端，激光头放于另一端，调整光路使之平行于导轨，使第一渥拉斯顿棱镜107沿导轨移动，即可测得导轨的水平或垂直方向上的直线度偏差，将第一渥拉斯顿棱镜107装在特定的靶子上即可用于同轴度测量。

该方法的测量原理为：为了实现断续测量，在量程范围内产生的光程差变化不能超过一个波长，信号相位的变化必须在±180°内，这样就必须对测量范围和分辨率作统一考虑。取测量信号和参考信号相位变化0.1°对应W1横向移动1μm，这样对渥拉斯顿棱镜107和108来说：

式中：λ：激光波长

θ：渥拉斯顿棱镜107和108的两出射光之间的夹角

C：相位卡计数器的累加数

根据设计，有S＝1μm，λ＝0.6328μm，C＝0.1°得：

θ/2＝0.0025°

再根据                sin(θ/2)＝(n₀-n_e)tgβ

得渥拉斯顿棱镜的楔角：β＝0.28°

信号相位每变化0.1°对应渥拉斯顿棱镜107或108横向移动1μm，信号一个周期±180°就代表W1移动±1.8mm，这个测量范围在通常的直线度/同轴度测量中是足够的。在测量相位时，由于信号不会跨越一个周期，保证了读数的单值性，而且相位测量是状态测量，渥拉斯顿棱镜移出光路，再放回光路中，测量还能继续进行，因而可用于同轴度的测量。