專利名稱：一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別適用于工件或物體沿某導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)時(shí)，對其運(yùn)動(dòng)的二維直線度誤差或?qū)Υ笮凸ぜ男螤钗恢谜`差(如直線度、同軸度等)進(jìn)行測量的一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。
背景技術(shù)：
直線度測量是機(jī)械加工中一項(xiàng)常見而重要的測量項(xiàng)目，它主要包括對工件實(shí)際表面直線度誤差的測量以及對直線導(dǎo)軌或自動(dòng)校正直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)直線度誤差的測量。采用雙頻激光干涉儀可較好實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)部件線位移誤差和角位移誤差的高精度檢測，但儀器價(jià)格昂貴，測量成本較高，且是單參數(shù)測量，難以滿足所有用戶的需要。中國專利02285917.9提出了一種基于半導(dǎo)體激光、單模光纖組件同時(shí)測量二維直線度的方法。但該方法難以滿足高精度、超高精度的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置為由固定單元100、移動(dòng)單元200和輸出與顯示單元300三部分組成的激光測量系統(tǒng)，其特征是，固定單元100的帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器1、單模光纖2、準(zhǔn)直透鏡3、偏光分光器4、λ/4波片5和移動(dòng)單元的反射器11放置在發(fā)射光光路的光軸上；在反射光光軸上，偏光分光器4下面放置反射器6，在單模光纖2下面，從上向下放置平面反射鏡7、透鏡組8、和光電探測器9，驅(qū)動(dòng)和信號處理器10分別和帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器1、光電探測器9和計(jì)算機(jī)12連接。
所說移動(dòng)單元是一個(gè)逆向反射器，或采用多個(gè)反射器，使測量靈敏度進(jìn)一步提高；并通過支架固定。
所述移動(dòng)單元內(nèi)多個(gè)反射器為角錐棱鏡或者貓眼。
所說λ/4波片的快軸與線偏振光的偏振方向成45°，光線四次通過λ/4波片。
所說的λ/4波片用λ/2波片取代時(shí)，并使其快軸與線偏振光的偏振方向成45°，且讓光線2次通過。
所說的透鏡組是由兩個(gè)焦距不同的凸透鏡組成，并且在共同的焦平面上放置針孔濾波。
所述固定單元中利用由逆向反射器和反射鏡組成的反射單元14替代方式一中的偏振分光鏡4、λ/4波片5和反射器6，使之測量靈敏度放大到與實(shí)施方式一一樣的效果，從而更加節(jié)省光學(xué)元器件。
所說的直線度誤差信號的光電接收器9可采用四象限光電接收器、PSD位敏器件或者CCD光電接收器。
本發(fā)明的測量原理和測量方法是由帶光纖的半導(dǎo)體激光器1發(fā)射高穩(wěn)定激光束，入射到偏振分光器4，該入射光經(jīng)過偏振分光器4變?yōu)榫€偏振光。該線偏振光經(jīng)過λ/4波片5后，變成圓偏振偏振光。入射到移動(dòng)單元200反射后，再經(jīng)過λ/4波片5后，又由圓偏振光變成線偏振光，但其偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°角。經(jīng)過偏振分光器4反射到另一個(gè)反射器6，使光線再次沿原來方向通過一次移動(dòng)單元的反射器11。光線總共四次通過λ/4波片后，其偏振方向又回到最初的偏振狀態(tài)，透過偏振分光器4，入射到平面反射鏡7、通過透鏡組8，入射到光電探測器9上，并由此光電探測器(美國Edmund Optics公司型號為NT53-007的CCD)接收。當(dāng)移動(dòng)單元200沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，因?qū)к壴趦蓚€(gè)方向直線度的誤差，必然造成光線反射器在對應(yīng)兩個(gè)方向的位移。由于入射光線不動(dòng)，移動(dòng)單元的光線反射器在兩個(gè)方向的位移必然引起其反射光線在對應(yīng)兩個(gè)方向上位置改變，此光線位置的改變量直接由接收此反射光線的光電接收器探測到，并經(jīng)過信號處理電路得到二維直線度誤差。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比所具有的特點(diǎn)其一、入射光線經(jīng)偏光分光器、波片和另一反射器使光線多次通過移動(dòng)單元的反射器，使其測量靈敏度成倍增加，即光線N次通過移動(dòng)單元，靈敏度增加到2N倍；
其二、在光電探測器前采用透鏡組，并選擇合適的參數(shù)，可以進(jìn)一步提高測量的靈敏度，同時(shí)在透鏡組中采用針孔濾波，增加系統(tǒng)抗干擾能力和穩(wěn)定性；其三、移動(dòng)單元上無電纜連接，現(xiàn)場測量極為方便。裝置結(jié)構(gòu)簡單、體積小，安裝、調(diào)整方便，可獲得高的測量精度，可適用直線度誤差的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)測量。要解決的技術(shù)問題是提供一種簡單的激光直線度測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)方向的直線度誤差同時(shí)測量。實(shí)現(xiàn)直線度誤差8倍以上的放大，從而大大提高系統(tǒng)測量靈敏度。測量系統(tǒng)的移動(dòng)測量頭無電纜連接，且具有體積小、重量輕、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。


圖1提高直線度度測量靈敏度的一個(gè)實(shí)施方式原理圖。
圖2光線2次通過移動(dòng)單元的反射器提高測量靈敏度的原理圖。
圖3光線通過透鏡組再次提高測量靈敏度的原理圖。
圖4光線4次反射提高測量靈敏度的原理圖。
圖5光線4次反射提高測量靈敏度的另一種方式原理圖。
圖6實(shí)施例四原理7實(shí)施例五原理8實(shí)施例六原理圖探測器CCD的驅(qū)動(dòng)和信號處理器選用型號是NI-1405或者Bandit II-EO數(shù)據(jù)處理模塊。
圖中1為半導(dǎo)體激光發(fā)射器，2為單模光線，3為準(zhǔn)直透鏡，4為偏振分光器，5為λ/4波片，6、11、13為逆向反射器，7為平面反射鏡，8為透鏡組，9為光電探測器，10為驅(qū)動(dòng)和信號處理器，12為計(jì)算機(jī)，14反射單元(由逆向反射器和反射鏡組成)，100為固定單元，200為移動(dòng)單元，300為輸出與顯示單元。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置為由固定單元100、移動(dòng)單元200和輸出與顯示單元300三部分組成的激光測量系統(tǒng)。下面對照附圖，說明實(shí)現(xiàn)
具體實(shí)施例方式一種提高直線度測量靈敏度系統(tǒng)包括激光發(fā)射器、偏光分光器、λ/4波片、反射器、光電接收單元以及信號處理。
實(shí)施例一(如圖1所示)系統(tǒng)中的高靈敏度直線度誤差測量系統(tǒng)是由固定單元100中的半導(dǎo)體激光器1發(fā)射高穩(wěn)定激光束，經(jīng)過單模光纖2、準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直后，入射到偏振分光器4，該入射光經(jīng)過偏振分光器4，變?yōu)榫€偏振光。該線偏振光經(jīng)過λ/4波片5后，變成圓偏振偏振光。入射到移動(dòng)單元200中的角錐棱鏡11反射后，再經(jīng)過λ/4波片后，又由圓偏振光變成線偏振光，但其偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°角。經(jīng)過偏振分光器反射到另一個(gè)反射器6，使光線再次沿原來方向通過一次移動(dòng)單元的角錐棱鏡11。即光線總共四次λ/4波片5后，但其偏振方向又回到最初的偏振狀態(tài)，透過偏振分光器4，入射到平面反射鏡7、通過透鏡組8，入射到探測器上9，并由此光電接收器接收。當(dāng)移動(dòng)單元200沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，如果導(dǎo)軌在兩個(gè)方向直線度誤差，必然造成光線反射器在對應(yīng)兩個(gè)方向的位移。由于入射光線不動(dòng)，移動(dòng)單元的光線反射器在兩個(gè)方向的位移必然引起其反射光線在對應(yīng)兩個(gè)方向上位置改變，此光線位置的改變量直接由接收此反射光線的光電接收器探測9到，并經(jīng)過信號處理電路得到二維直線度誤差。由圖2中的幾何光學(xué)知識可得，當(dāng)移動(dòng)單元在垂直于導(dǎo)軌方向上有Δ平移時(shí)，其反射光線兩次經(jīng)過移動(dòng)單元200中的角錐棱鏡11反射，使透過偏振分光器4的光線有4Δ的平移，即δx＝4Δx；δy＝4Δy(1)式中Δx、Δy分別是移動(dòng)單元中的角錐棱鏡11在垂直光線入射方向上的水平和豎直直線度誤差；δx、δy分別是反射光線透過偏振分光器4后在水平和豎直方向上的平移。由圖3可知，當(dāng)透鏡組8中透鏡L1、L2的焦距分別為f1、f2，且入射光線有d平移時(shí)，出射光線的平移D為D＝df2/f1(2)即探測器9上得到光點(diǎn)平移為X＝δxf2/f1＝4Δxf2/f1；Y＝δyf2/f1＝4Δyf2/f1(3)
則水平和豎直方向直線度誤差分別為Δx＝Xf1/(4f2)；Δy＝Y(jié)f1/(4f2) (4)如果透鏡L1、L2的焦距比為0.5，探測器的分辨率為0.1um，代入式(4)可得到系統(tǒng)二維直線度測量分辨率為12.5nm。信號經(jīng)過處理電路10完成對探測器9探測到的二維直線度信號進(jìn)行采集、處理、經(jīng)過與計(jì)算機(jī)12通訊輸出并顯示。還可以在透鏡組8中的焦平面上增加一個(gè)小孔濾波器，提高測量的精度。另外，在測最過程中為了盡量減少滾轉(zhuǎn)角對測量的影響，應(yīng)該盡量減小入射光和反射光之間的距離。
實(shí)施例二(如圖4所示)與實(shí)施方式一的不同之處在于移動(dòng)單元200中增加了一個(gè)反射器11，并在固定單元中相應(yīng)增加了一套偏振分光器4、λ/4波片5，反射器6，和反射器13。使系統(tǒng)的測量靈敏度在實(shí)施方式一的基礎(chǔ)上再次增加一倍。
實(shí)施例三(如圖5所示)與實(shí)施方式一的不同之處在于利用一個(gè)反射單元14(由逆向反射器和反射鏡組成)，使測量光路四次通過移動(dòng)靶鏡，達(dá)到與實(shí)施方式二同樣的靈敏度倍增效果，與方式二不同的是使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊。
實(shí)施例四(如圖6所示)與實(shí)施方式一的不同之處在于固定單元中的透鏡組8放置在偏振分光器和反射器6之間的光路上，使達(dá)到同樣的效果，所不同的是使第二次入射到移動(dòng)單元的光線的直徑增大，可以減小空氣擾動(dòng)對測量的影響。
實(shí)施例五(如圖7所示)與實(shí)施方式一的不同之處在于固定單元中的透鏡組8放置在反射器11和λ/4波片5之間的光路上，使測量光兩次通過透鏡組8，使系統(tǒng)的測量靈敏度在實(shí)施方式一的基礎(chǔ)上再次提高。但光線直徑也兩次被放大，因此必須考慮探測器的尺寸。
實(shí)施例六(如圖8所示)
與實(shí)施方式一的不同之處在于在固定單元中利用反射單元14(由逆向反射器和反射鏡組成)替代方式一中的偏振分光鏡4、λ/4波片5和反射器6，使之測量靈敏度放大到與實(shí)施方式一一樣的效果，從而更加節(jié)省光學(xué)元器件。
權(quán)利要求
1.一種提高直線度測量靈敏度的測量裝置，所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置為由固定單元(100)、移動(dòng)單元(200)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(300)三部分組成的激光測量系統(tǒng)，其特征是，固定單元(100)的帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器(1)、單模光纖(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、偏光分光器(4)、λ/4波片(5)和移動(dòng)單元的反時(shí)器(11)放置在發(fā)射光光路的光軸上；在反射光光軸上，在偏光分光器(4)下面放置反射器(6)，在單模光纖(2)下面，從上向下放置平面反射鏡(7)、透鏡組(8)、和光電探測器(9)，驅(qū)動(dòng)和信號處理器(10)分別和帶尾光纖半導(dǎo)體激光發(fā)射器(1)、光電探測器(9)和計(jì)算機(jī)(12)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說移動(dòng)單元是一個(gè)逆向反射器，或采用多個(gè)反射器，使測量靈敏度進(jìn)一步提高；并通過支架固定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所述移動(dòng)單元內(nèi)多個(gè)反射器為角錐棱鏡或者貓眼。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說λ/4波片的快軸與線偏振光的偏振方向成45°，光線四次通過λ/4波片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說的λ/4波片用λ/2波片取代時(shí)，并使快軸與線偏振光的偏振方向成45°，且讓光線2次通過。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說的透鏡組是由兩個(gè)焦距不同的凸透鏡組成，并且在共同的焦平面上放置針孔濾波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所述固定單元中利用由逆向反射器和反射鏡組成的反射單元(14)替代方式一中的偏振分光鏡(4)、λ/4波片(5)和反射器(6)，使之測量靈敏度放大到與實(shí)施方式一一樣的效果，從而更加節(jié)省光學(xué)元器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述提高直線度測量靈敏度的測量裝置，其特征是，所說接收直線度誤差信號的光電探測器(9)，采用四象限光電接收器、PSD位敏器件或者CCD光電接收器。
9.一種提高直線度測量靈敏度的方法，其特征是，所述測量方法是由帶光纖的半導(dǎo)體激光器(1)發(fā)射高穩(wěn)定激光束，入射到偏振分光器(4)，該入射光經(jīng)過偏振分光器(4)變?yōu)榫€偏振光，該線偏振光經(jīng)過λ/4波片(5)后，變成圓偏振偏振光；入射到移動(dòng)單元(200)反射后，再經(jīng)過λ/4波片(5)后，又由圓偏振光變成線偏振光，但其偏振方向旋轉(zhuǎn)了90°角，經(jīng)過偏振分光器(4)反射到另一個(gè)反射器(6)，使光線再次沿原來方向通過一次移動(dòng)單元的反射器(11)，光線總共四次通過λ/4波片后，其偏振方向又回到最初的偏振狀態(tài)，透過偏振分光器(4)，入射到平面反射鏡(7)、通過透鏡組(8)，入射到光電探測器(9)上，并由此光電探測器接收，當(dāng)移動(dòng)單元(200)沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，因?qū)к壴趦蓚€(gè)方向直線度的誤差，必然造成光線反射器在對應(yīng)兩個(gè)方向的位移，光線在對應(yīng)兩個(gè)方向上位置改變，此光線位置的改變量直接由接收此反射光線的光電接收器探測到，并經(jīng)過信號處理電路得到二維直線度誤差。
全文摘要
本發(fā)明公開了屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種提高直線度測量靈敏度的方法與裝置。由固定單元、移動(dòng)單元和計(jì)算機(jī)三部分組成的激光測量系統(tǒng)。包括激光發(fā)射器、偏光分光器、λ/4波片、反射器、光電接收單元以及信號處理組成的穩(wěn)定準(zhǔn)直激光測量系統(tǒng)，通過光學(xué)器件設(shè)置測量光線多次經(jīng)過移動(dòng)靶鏡，使其測量靈敏度成倍得到放大。同時(shí)在探測器前面設(shè)置透鏡組，使系統(tǒng)測量靈敏度得到進(jìn)一步放大。實(shí)現(xiàn)了直線導(dǎo)軌高靈敏度二維直線度實(shí)時(shí)測量。
文檔編號G01B11/27GK1920478SQ20061008888
公開日2007年2月28日 申請日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月24日
發(fā)明者匡翠方, 馮其波, 陳士謙, 張志峰 申請人:北京交通大學(xué)