一种直线度和滚转角误差同时测量系统

1.本发明属于光学精密测量技术领域，更具体地说是涉及一种能够同时获得直线度和滚转角误差的测量系统。


背景技术：

2.高精度多自由度几何误差测量技术在制造或检测系统的精密机床、坐标测量机、晶圆载物台、表面轮廓仪等工业设备中发挥重要作用，针对这些几何误差的测量是精密机器精度校准和误差补偿的一项基本任务。
3.对于移动工作台，存在沿运动方向的定位误差、垂直于运动方向的直线度误差(即水平直线度误差和竖直直线度误差)以及角度误差(即俯仰角误差、偏摆角误差和滚转角误差)；这其中，针对移动工作台的垂直直线度误差以及滚转角度误差的测量精度的提高是一个具有挑战性的难题；现有技术中，应用于垂直直线度误差和滚转角误差的高精度测量的最为普遍方法是平行双光束法，但其主要存在如下问题：
4.1、基于位置探测器的平行双光束法在感测精度和分辨力上都较低；
5.2、基于四象限探测器的平行双光束法，其感测精度和分辨力优于位置探测器，但精度和线性度受死区间隙的影响，同时测量点分别位于两个分立的探测器上，探测器的安装误差会直接影响测量结果，并且因其灵敏面积小而不适用于二维移动工作台；
6.3、两束平行光束通常采用常规分光镜组分光产生，导致平行光束的平行度不高，同样对测量精度产生影响。


技术实现要素：

7.本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种直线度和滚转角误差同时测量系统，采用平行双光束法，利用刀刃边缘反射镜作为感测转换元件，通过提高平行光束的平行度有效提高测量精度，实现垂直直线度误差和滚转角误差的高精度测量。
8.本发明为实现发明目的采用如下技术方案：
9.本发明直线度和滚转角误差同时测量系统，其特点是由固定单元和移动测量单元构成收发一体式结构，采用平行双光束法实现测量；
10.所述固定单元安装在固定平面上，所述移动测量单元安装在移动工作台上；
11.在所述固定单元中利用由棱形棱镜和直角棱镜在斜面胶合构成的组合棱形棱镜保持平行光束的平行度，在所述移动测量单元中采用刀刃边缘反射镜作为感测转换元件；在移动工作台存在垂直直线度误差和滚转角误差时，刀刃边缘反射镜的刀刃反射边缘切割测量光束，改变反射光束光强，并由光电探测器检测获得光强变化信息，依此实现垂直直线度和滚转角误差的测量。
12.本发明直线度和滚转角误差同时测量系统的特点也在于：
13.所述固定单元包括激光器、偏振分光棱镜、四分之一波片、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、组合棱形棱镜、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、
第一吸光片、第二吸光片和第三吸光片；
14.所述移动测量单元为刀刃边缘反射镜；
15.所述激光器的出射光以线偏振光态入射偏振分光镜、经偏振分光镜的透射形成第一p偏振光，并经偏振分光镜的反射形成第一s偏振光；
16.所述第一s偏振光经四分之一波片变成圆偏振光，所述圆偏振光经组合棱形棱镜产生相互平行的第一光束和第二光束；
17.所述第一光束经第一分光棱镜透射在刀刃边缘反射镜的反射边缘形成第一测点，第二光束经第二分光棱镜透射在刀刃边缘反射镜的反射边缘形成第二测点，以所述刀刃边缘反射镜作为测量直线度误差和滚转角误差的感测转换元件；
18.在第一测点处经刀刃边缘反射镜反射形成第一测量光束；
19.在第二测点处经刀刃边缘反射镜反射形成第二测量光束；
20.所述第一测量光束经第一分光棱镜反射，再经第二聚焦透镜入射第一光电探测器；所述第一测量光束经第一分光棱镜透射，再经组合棱形棱镜分成第三光束和第四光束，所述第三光束经四分之一波片形成第二p偏振光后透射经过偏振分光镜由第一吸光片吸收，所述第四光束由第二吸光片吸收；
21.所述第二测量光束经第二分光棱镜反射，再经第三聚焦透镜入射第二光电探测器；所述第二测量光束经第二分光棱镜透射，再经组合棱形棱镜分成第五光束和第六光束，所述第五光束经四分之一波片形成第三p偏振光后透射经过偏振分光镜被第一吸光片吸收，所述第六光束被第三吸光片吸收；
22.依据所述第一光电探测器和第二光电探测器光强检测信号求解获得移动工作台垂直直线度误差和滚转角误差。
23.本发明直线度和滚转角误差同时测量系统的特点也在于：设置第三光电探测器，所述第一p偏振光经第一聚焦透镜入射第三光电探测器，用于获得关于激光器的光功率变化的检测信号。
24.本发明直线度和滚转角误差同时测量系统的特点也在于：将所述刀刃边缘反射镜设置在二维调整座上，利用所述二维调整座调整刀刃边缘反射镜在竖直方向的位置以及滚转角度。
25.本发明直线度和滚转角误差同时测量系统的特点也在于：按如下步骤实现垂直直线度和滚转角误差的测量：
26.步骤1、针对所述测量系统进行初始调整
27.首先利用二维调整座调整刀刃边缘反射镜在竖直方向的位置，使第一测点和第二测点处的光束完全由刀刃边缘反射镜反射，由第一光电探测器和第二光电探测器输出的光电流信号一一对应为i
01
和i
02
；
28.然后利用二维调整座调整刀刃边缘反射镜在竖直方向的位置以及滚转角度，使第一测点和第二测点处的光束均由刀刃反射边缘等强平分，由第一光电探测器和第二光电探测器输出的光电流信号一一对应为i
01
/2和i
02
/2；
29.步骤2、测量激光束的光功率
30.检测获得由所述第三光电探测器输出的光电流信号i3，针对所述光电流信号i3进行信号处理以获得激光束的光功率；
31.步骤3、实现垂直直线度和滚转角误差的测量
32.计算获得垂直直线度误差δz和滚转角误差ε
xx
分别为：
[0033][0034][0035]
其中：
[0036]
i1为第一光电探测器输出的光电流；
[0037]
i2为第二光电探测器输出的光电流；
[0038]
i3为第三光电探测器输出的光电流；
[0039]
δz1为刀刃边缘反射镜在第一测点竖直方向的位移；
[0040]
δz2为刀刃边缘反射镜在第二测点竖直方向的位移；
[0041]kz1
为第一光电探测器的测量灵敏度；
[0042]kz2
为第一光电探测器的测量灵敏度；
[0043]
l为第一测量光束和第二测量光束间的距离。
[0044]
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0045]
1、本发明采用组合式棱形棱镜产生双光束，平行度不受零件加工和安装的影响，可以实现两束测量光束的高度平行，有效提高测量精度；
[0046]
2、本发明采用刀刃边缘反射镜作为测量敏感元件，避免了四象限探测器死区间隙的影响，提高了测量灵敏度和线性范围，同时，刀刃边缘反射镜的刀刃反射边缘的直线度误差极小，使测量系统能够应用于二维移动工作台，实现二维移动工作台的直线度和滚转角误差的高精度测量；
[0047]
3、本发明中两处测量点位于同一精密元件，相对于常规平行双光束测量法的测量点分别位于两个探测器，有效避免了因探测器安装问题对测量带来的影响。
附图说明
[0048]
图1为本发明测量系统原理图；
[0049]
图2为本发明测量系统中组合棱形棱镜原理图；
[0050]
图3为本发明中利用刀刃边缘反射镜分割测量光束示意图；
[0051]
图4为本发明中直线度误差测量原理图；
[0052]
图5为本发明中滚转角误差测量原理图；
[0053]
图中标号：1固定单元，2移动测量单元，101为激光器，102偏振分光棱镜，103四分之一波片，104第一聚焦透镜，105第三光电探测器，106组合棱形棱镜，107第一分光棱镜，108第二聚焦透镜，109第一光电探测器，110第二分光棱镜，111第三聚焦透镜，112第二光电探测器，113第一测量光束，114第二测量光束，115第一吸光片，116第二吸光片，117第三吸光片，201二维调整座，202刀刃边缘反射镜，203第一测点，204第二测点，205刀刃反射边缘。
具体实施方式
[0054]
参见图1，本实施例同时获得直线度和滚转角误差的测量系统是由固定单元1和移
动测量单元2构成收发一体式结构；固定单元1安装在固定平面上，移动测量单元2安装在移动工作台上；在固定单元1中采用平行双光束法，利用由棱形棱镜和直角棱镜在斜面胶合构成的组合棱形棱镜保持平行光束的平行度，在移动测量单元2中采用刀刃边缘反射镜202；在移动工作台存在垂直直线度误差和滚转角误差时，刀刃边缘反射镜202的刀刃反射边缘切割测量光束，改变反射光束光强，并由光电探测器检测获得光强变化信息，依此实现垂直直线度和滚转角误差的高精度测量。
[0055]
如图1所示，固定单元1包括激光器101、偏振分光棱镜102、四分之一波片103、第一聚焦透镜104、第二聚焦透镜108、第三聚焦透镜111、组合棱形棱镜106、第一分光棱镜107、第二分光棱镜110、第一光电探测器109、第二光电探测器112、第一吸光片115、第二吸光片116和第三吸光片117；移动测量单元2为刀刃边缘反射镜202。
[0056]
激光器101的出射光以线偏振光态入射偏振分光镜102、经偏振分光镜102的透射形成第一p偏振光，并经偏振分光镜102的反射形成第一s偏振光；为保证测量光束有足够的光强，通过旋转激光器改变激光偏振方向，使第一p偏振光和第一s偏振光的光强比为1:8。
[0057]
第一s偏振光经四分之一波片103变成圆偏振光，圆偏振光经组合棱形棱镜106产生相互平行的第一光束和第二光束；第一光束经第一分光棱镜107透射在刀刃边缘反射镜202的反射边缘形成第一测点203，第二光束经第二分光棱镜110透射在刀刃边缘反射镜202的反射边缘形成第二测点204，以刀刃边缘反射镜202作为测量直线度误差和滚转角误差的感测转换元件；在第一测点203处经刀刃边缘反射镜202反射形成第一测量光束113；在第二测点204处经刀刃边缘反射镜202反射形成第二测量光束114。
[0058]
第一测量光束113经第一分光棱镜107反射，再经第二聚焦透镜108入射第一光电探测器109；第一测量光束113经第一分光棱镜107透射，再经组合棱形棱镜106分成第三光束和第四光束，第三光束经四分之一波片103形成第二p偏振光后透射经过偏振分光镜102由第一吸光片115吸收，第四光束由第二吸光片116吸收，避免激光出射系统造成空间中杂散光。
[0059]
第二测量光束114经第二分光棱镜110反射，再经第三聚焦透镜111入射第二光电探测器112；第二测量光束114经第二分光棱镜110透射，再经组合棱形棱镜106分成第五光束和第六光束，第五光束经四分之一波片103形成第三p偏振光后透射经过偏振分光镜102被第一吸光片115吸收，第六光束被第三吸光片117吸收，避免激光出射系统造成空间中杂散光。
[0060]
当移动工作台存在垂直直线度误差和/或滚转角误差时，刀刃边缘反射镜202的刀刃反射边缘切割测量光束，从而改变反射的测量光束的光强，依据第一光电探测器109和第二光电探测器112光强检测信号求解获得移动工作台垂直直线度误差和滚转角误差。
[0061]
具体实施中，相应的技术措施还包括：
[0062]
设置第三光电探测器105，第一p偏振光经第一聚焦透镜104入射第三光电探测器105，用于获得关于激光器的光功率变化的检测信号。
[0063]
将刀刃边缘反射镜202设置在二维调整座201上，利用二维调整座201调整刀刃边缘反射镜202在竖直方向的位置以及滚转角度。
[0064]
由于固定工件加工误差以及安装的不理想，使得光学器件的实际相对位置和理想情况存在差异，本实施例中特定结构的设置使得平行光束不受器件安装影响，如图2所示，
当组合棱形棱镜106存在角度误差θ，第一测量光束113和第二测量光束114的平行度不受角度误差θ的影响。
[0065]
图1所示，定义全局坐标系o-xyz的x方向为移动测量单元位移方向，y方向为移动测量单元水平方向，z方向为移动测量单元竖直方向；按如下步骤实现垂直直线度和滚转角误差的测量：
[0066]
步骤1、针对测量系统进行初始调整
[0067]
如图3所示，首先利用二维调整座201调整刀刃边缘反射镜202在z轴向的位置，使第一测点203和第二测点204处的光束完全由刀刃边缘反射镜202反射，由第一光电探测器109和第二光电探测器112输出的光电流信号一一对应为i
01
和i
02
；
[0068]
然后利用二维调整座201调整刀刃边缘反射镜202在z轴向的位置以及绕x轴向的滚转角度，使第一测点203和第二测点204处的光束均由刀刃反射边缘205等强平分，由第一光电探测器109和第二光电探测器112输出的光电流信号一一对应为i
02
/2和i
02
/2；
[0069]
步骤2、测量激光束的光功率
[0070]
检测获得由第三光电探测器105输出的光电流信号i3，针对光电流信号i3进行信号处理以获得激光束的光功率；
[0071]
步骤3、实现垂直直线度和滚转角误差的测量
[0072]
当移动工作台存在垂直直线度和滚转角误差时，移动测量单元2中的刀刃边缘反射镜202的刀刃反射边缘205将切割第一测量光束113和第二测量光束114，从而改变反射的光束大小，使第一光电探测器109和第二光电探测器112接收的光强大小随之发生改变。
[0073]
如图4和图5所示，计算获得垂直直线度误差δz和滚转角误差ε
xx
分别为：
[0074][0075][0076]
其中：
[0077]
i1为第一光电探测器109输出的光电流；
[0078]
i2为第二光电探测器112输出的光电流；
[0079]
i3为第三光电探测器105输出的光电流；
[0080]
δz1为刀刃边缘反射镜202在第一测点203竖直方向的位移；
[0081]
δz2为刀刃边缘反射镜202在第二测点204竖直方向的位移；
[0082]kz1
为第一光电探测器109的测量灵敏度；
[0083]kz2
为第一光电探测器112的测量灵敏度；
[0084]
l为第一测量光束113和第二测量光束114间的距离。
[0085]
本发明系统结构简单、易于集成，适用于高精密移动工作台运动误差的测量。