專利名稱：激光干涉儀光路準直瞄準裝置及瞄準方法
技術領域：
本發明涉及激光干涉儀測量光路準直瞄準裝置和瞄準方法，用于精密測試和精密計量技 術領域。當采用激光干涉儀進行長度測量時，用于快速準確地實現激光干涉儀測量光路與耙 鏡移動方向的準直瞄準。
背景技術：
隨著現代化國防建設、工業生產和、科學技術的飛躍發展，人們對位移測量及定位和標定 的精度以及測量速度提出越來越高的要求。激光干涉儀測量精度高，可達納米級測量精度， 分辨率高，測量速度快，量程大，廣泛用在精密或超精密測量中。但是，在激光干涉儀的長 度測量應用中，為了與激光干涉儀的長度測量精度相匹配，實現納米量級測量精度，必須使 激光干涉儀的測量光路與被測對象的運動方向，即激光干涉儀的耙鏡運動方向盡可能一致， 也就是準直，否則會產生不可忽略的余弦誤差。
目前常用的激光干涉儀，不論是單頻激光干涉儀或者雙頻激光干涉儀，精度都達到納米 級，例如HP的5529A雙頻激光干涉儀，在線性測量時它的精度能夠達到1.7ppm，即在l米的測 量范圍內，它的測量精度是1.7pm。可是，當干涉儀測量方向與靶鏡移動方向有一定的角度偏 差時，如10怖偏差會使測量結果與實際值相差4.2nm，即余弦誤差達到4.2^1111，這一誤差值 遠遠大于干涉儀本身的測量精度，由此可見激光干涉儀測量方向與耙鏡移動方向因沒有對準 而造成的測量誤差非常大。為了減小該余弦誤差，在測量前，需要對測量光路進行調節，使 干涉儀測量方向與靶鏡移動方向在一條直線上，減小余弦誤差，使測量精度與激光干涉儀的 測量精度相匹配。目前常用的辦法是調節者通過肉眼觀察激光器打在靶鏡上的光斑，是否隨 靶鏡的運動而發生上下或左右的偏移，由此判斷靶鏡移動的方向是否與干涉儀測量的方向在 一條直線上，并以此為依據對光路進行調整。但是，這種方法只能定性地判斷兩個方向之間 的偏差，觀察者也只能推斷出靶鏡的調整方向和大概的調整范圍，而不能精確確定。在實際 操作中，由于人眼所能分辨的最小位移只有0.1mm，使得人工調整的精度往往達不到實際要 求，在實際測量中，尤其是遠距離測量，非常細微的角度偏差都會對測量結果產生很大的影
響。表i所示為激光干涉儀的測量方向與靶鏡移動方向的角度偏差e對測量結果的影響。
3表l
、度偏差 大小(鵬)\^5,10'20'30'50'r
100.0000110.0000420.0001690.0003810.0010580.001523
200.0000210.0000850.0003380.0007620.0021150.003046
300.0000320.0001270.0005080.0011420.0031730.004569
500.0000530.0002120.0008460. oo簡0.0052880.007615
1000.0001060.0004230.0016920. 003,0. 0105770.015230
2000.0002120.0008460.0033850.0076150.0211540.030461
3000.0003170. 0012690.0050770.0114230.0317300.045691
5000. 0005290.0021150. 00,20.0190380. 052,0.076152
畫0. 0010580.0042310.0169230.0380770.1057680.15230
發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種激光干涉儀光路準直瞄準裝 置及瞄準方法，以期定量且快速、準確地實現干涉光路的調整，從而降低余弦誤差對測量系 統的影響。
本發明解決技術問題采用如下技術方案
本發明激光干涉儀光路準直瞄準裝置的結構特點是在靶鏡的反射面上固定設置四象限探 測器，所述四象限探測器是四個性能相同的光電二極管按照直角坐標的方式，以"0"點為 坐標原點，排列成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，各光電二極管的光敏面朝向 激光器；以所述四個象限中的光電二極管為分別作為各個象限的光強探測器，分別以各個光 電二極管對應輸出各象限光強電流信號I" 12、 13、 14;設置電信號轉換電路，所述各象限光 強電流信號在經電信號轉換電路之后以各象限電壓信號Ui、 U2、 U3、 U4對應輸出；設置運算 電路，在所述運算電路中分別輸出激光光斑水平位移信號X為(UrMJ4) - (U2+U3)和激光 光斑垂直位移信號Y為(U—U2) - (U3+U4)。
本發明激光干涉儀光路準直瞄準裝置的瞄準方法是按如下步驟進行
步驟1:在進行干涉光路的準直瞄準前，將靶鏡固定在初始位置上，調整激光器位置， 使得由運算器輸出的初始激光光斑水平位移信號XI和初始激光光斑垂直位移信號Yl均為 零，由此將激光器輸出光路瞄準在所述坐標的原點"0"的位置上；
步驟2:按靶鏡移動方向使靶鏡移動，由運算器輸出靶鏡移動后激光光斑水平位移信號 X2，靶鏡移動后激光光斑垂直位移信號Y2;
步驟3:若X2和Y2均為零，則判斷為激光干涉儀的測量方向與耙鏡移動的方向相一致； 若X2和Y2不為零，則依據X2和Y2獲得所需調整的激光干涉儀測量方向與靶鏡移動的方 向之間角度偏差。當激光干涉儀測量方向與靶鏡移動的方向相一致時，靶鏡的移動不會使照射在四象限探 測器上的光斑發生上下或左右方向的偏移，那么四象限探測器輸出的光強電流信號I,、 I2、 I3、 14保持不變，經過運算器處理后的激光光斑水平位移信號X和激光光斑垂直位移信號Y也都 保持為零。
當激光干涉儀測量方向與靶鏡移動的方向存在有角度偏差時，隨著耙鏡的移動，照射在 四象限探測器上的光斑發生偏移，此時四象限探測器輸出的光強電流信號Ii、 I2、 I3、 14也會 相應的發生改變，由運算器分別獲得激光光斑水平位移信號X和激光光斑垂直位移信號Y， 再經后續的濾波處理和模數轉換，最終可以通過計算機直接讀取激光干涉儀測量方向與耙鏡 移動的方向的角度偏差。
與已有技術相比，本發明有益效果體現在
1、 利用本發明激光干涉儀光路準直瞄準裝置及瞄準方法可以快速準確地讀取激光干涉儀 測量方向與靶鏡移動方向的偏差方向和大小，從而方便操作者對激光器進行俯仰和左右偏擺 的調整，實現激光干涉儀測量光路與靶鏡移動方向的準直瞄準。
2、 本發明采用四象限探測器代替人眼來檢測激光光斑的偏移信息，大大提高了檢測系統 的分辨率；同時有效避免了人眼直接觀察激光，消除激光功率過強可能對人眼造成的傷害。
圖l為本發明四象限探測器結構示意圖；其中，圖la為激光光斑與探測器中心未對準狀 態示意圖；圖lb為激光光斑與探測器中心對準狀態示意圖。
圖中標號l為第一象限探測器、2為第二象限探測器、3為第三象限探測器，4為第四 象限探測器、5為激光光斑。
圖2為本發明電路原理圖。
以下通過具體實施方式
，結合附圖對本發明作進一步說明-
具體實施例方式
參見圖1，本實施例中的激光干涉儀光路準直瞄準裝置結構設置為
在靶鏡的反射面上固定設置四象限探測器，即第一象限探測器l、第二象限探測器2、第
三象限探測器3和第四象限探測器4:四象限探測器是四個性能相同的光電二極管按照直角
坐標的方式，以"0"點為坐標原點，排列成第l、第2、第3和第4四個象限，各光電二極 管的光敏面朝向激光器；以四個象限中的光電二極管為分別作為各個象限的光強探測器，分 別以各個光電二極管對應輸出各象限光強電流信號h、 12、 13、 14;設置電信號轉換電路，各 象限光強電流信號在經電信號轉換電路之后以各象限電壓信號"、U2、 U3、 U4對應輸出；設 置運算電路，在運算電路中分別輸出激光光斑水平位移信號X為(U,+ U4) - (U2+U3)和激光光斑垂直位移信號Y為(U,+ U2) - (U3+U4)，該信號X和Y在經后續的濾波和模數轉換 后，通過計算機處理便可以直接得到激光千涉儀測量方向與靶鏡移動方向的偏移信息。 本實施例中激光干涉儀光路準直瞄準裝置的瞄準方法是按如下步驟進行
步驟1:在進行干涉光路的準直瞄準前，將靶鏡固定初始位置上，調整激光器位置，使 得由運算器輸出的初始激光光斑水平位移信號X1和初始激光光斑垂直位移信號Yl均為零， 由此將激光器輸出光路瞄準在所述坐標的原點"0"的位置上；此時，四象限探測器輸出的 光強電流信號大小相等。
步驟2:按靶鏡移動方向使靶鏡移動，由運算器輸出靶鏡移動后激光光斑水平位移信號
X2，靶鏡移動后激光光斑垂直位移信號Y2;
步驟3:若X2和Y2均為零，則判斷為激光干涉儀的測量方向與耙鏡移動的方向相一致；
若X2和Y2不為零，則依據X2和Y2獲得所需調整的激光干涉儀測量方向與靶鏡移動的方 向之間角度偏差。
圖1所示，激光束經過光學系統后照射到四象限探測器的光敏面上，形成一個有一定尺寸 的光斑，使得四個象限的光電二極管分別輸出光強電流Ii、 I2、 13、 14。設該光斑中心的位置 在水平方向和垂直方向上的偏移量分別為Ax和Ay，如圖la所示；當激光器所在的光學系統 光軸對準坐標原點"0"時，圓形光斑的中心與四象限中心重合，即Ax-O， Ay = 0，如圖lb 所示。此時，四個象限受照的光斑面積相同，輸出的光強電流I卜12、 13、 14大小相等。由于 光強電流I卜12、 13、 U幅值較小，需要經運算放大器轉換為電壓U, ， U2 ， U3 ， U4。禾!J 用電壓Ux， Uy代表光斑中心水平方向和垂直方向的偏移信息，見式(1)和式(2)
t/,C^+"4-(C/2+"3) (1)
",C^+(7廣("3+"4) (2)
式中U,， U2， U3， U4為四象限輸出的光電流信號I卜12、 13、 14經運算放大器轉換得到的 電壓信號。為了消除激光器自身功率變化對Ux， Uy的影響，通常，除以l^m，其中
H+"2+"3+"4 (3)
式中Us皿為四個象限輸出光電流轉變為電壓值的和。
將Ux和Uy除以U，后，得到消除激光器自身功率變化影響后的光斑中心水平方向和垂直
方向偏移信息Ax， Ay的當量信號，分別用"和ey表示，見式(4)和式(5)，為四象限加減求解 算法，
s (4)<formula>formula see original document page 7</formula>式中"為水平方向的位移信號；ey為垂直方向的位移信號。由此即可對應出光斑上下 或左右移動的距離，以及具體測量范圍內激光干涉儀測量方向與耙鏡移動方向的角度偏差。
針對本實施例的實驗使用HP5529A雙頻激光干涉儀，其光斑直徑為6mm，信號經過電路 處理后的幅值為ilOV，噪聲的幅值為10mV，系統的最小分辨率能夠達到1.2nm，相比人眼的 分辨率提高了80倍。
依照圖2所示電路，只要四象限探測器的光譜響應范圍與激光器的波長相匹配，就可得 到穩定的輸出，而與激光光斑的大小并無關聯。
權利要求
1、激光干涉儀光路準直瞄準裝置，其特征是在靶鏡的反射面上固定設置四象限探測器，所述四象限探測器是四個性能相同的光電二極管按照直角坐標的方式，以“O”點為坐標原點，排列成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，各光電二極管的光敏面朝向激光器；以所述四個象限中的光電二極管為分別作為各個象限的光強探測器，分別以各個光電二極管對應輸出各象限光強電流信號I1、I2、I3、I4；設置電信號轉換電路，所述各象限光強電流信號在經電信號轉換電路之后以各象限電壓信號U1、U2、U3、U4對應輸出；設置運算電路，在所述運算電路中分別輸出激光光斑水平位移信號X為(U1+U4)-(U2+U3)和激光光斑垂直位移信號Y為(U1+U2)-(U3+U4)。
2、 一種權利要求1所述激光干涉儀光路準直瞄準裝置的瞄準方法，其特征是按如下步驟 進行步驟1:在進行干涉光路的準直瞄準前，將靶鏡固定在初始位置上，調整激光器位置， 使得由運算器輸出的初始激光光斑水平位移信號XI和初始激光光斑垂直位移信號Yl均為零，由此將激光器輸出光路瞄準在所述坐標的原點"0"的位置上；步驟2:按靶鏡移動方向使耙鏡移動，由運算器輸出耙鏡移動后激光光斑水平位移信號 X2，靶鏡移動后激光光斑垂直位移信號Y2;步驟3:若X2和Y2均為零，則判斷為激光干涉儀的測量方向與耙鏡移動的方向相一致； 若X2和Y2不為零，則依據X2和Y2獲得所需調整的激光干涉儀測量方向與耙鏡移動的方 向之間角度偏差。
全文摘要
激光干涉儀光路準直瞄準裝置及瞄準方法，其特征是在靶鏡的反射面上固定設置四象限探測器，所述四象限探測器是四個性能相同的光電二極管按照直角坐標的方式，以“O”點為坐標原點，排列成四個象限，各光電二極管的光敏面朝向激光器；以四個象限中的光電二極管為分別作為各個象限的光強探測器，設置運算電路，在運算電路中分別輸出激光光斑水平位移信號X值和激光光斑垂直位移信號Y值。本發明可以定量且快速、準確地實現干涉光路的調整，從而降低余弦誤差對測量系統的影響。
文檔編號G01B11/02GK101493314SQ20091011628
公開日2009年7月29日 申請日期2009年3月5日 優先權日2009年3月5日
發明者劉小為, 夏豪杰, 孫拉拉, 東 陳, 黃強先 申請人:合肥工業大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
