提高直线度测量分辨率的新方法

　　1 引言

　　光学直线度测量被广泛应用于工程计量领域。利用激光作为测量基准的直线度测量,主要包括:一是利用频率基准的激光干涉测量[1~3]。尽管有些干涉方法能达到很高的测量精度,但系统比较复杂,仪器价格比较昂贵;二是利用激光偏振基准的旋光调制测量方法[4]。此方法是通过探测激光能量变化来得到直线度大小,但是激光本身能量的变化对测量影响较大,因此该方法对激光器功率的稳定性提出了很高的要求;三是利用激光空间位置基准(即准直激光)测量方法[5~7]。目前研究较多的是激光准直方法,其中半导体单模光纤准直由于高稳定性的空间基准、激光器体积小、功耗低等优点,可以用探测器直接探测激光能量中心位置变化得到直线度大小,也可以通过逆向反射器反射,再利用探测器探测激光能量中心位置变化得到直线度。本文在文献[5~7]的基础上,提出了一种提高测量分辨率的新方法。

　　2 系统测量原理

　　系统的测量原理如图1所示,激光器(1)发射出准直激光入射到偏振分光器(2)变成线偏振光。该线偏振光经过K/4波片(3)后,(波片的快轴方向与激光偏振方向成45b)变成圆偏振光。入射到移动单元角锥棱镜(8)反射后,再经过K/4波片(3),又由圆偏振光变成线偏振光,但其偏振方向旋转了90b。经过偏振分光器(2)反射到另一个角锥棱镜(4),使光线沿原来方向再次通过一次移动单元的角锥棱镜(8),再次反射到固定单元中。光线总共四次经过K/4波片(3)后,其偏振方向又回到了初始状态。这时光线透过偏振分光器(2),再透过组合透镜(5),入射到四象限探测器(6),由此光电接收器接收,并经过驱动和信号处理电路(7)得到二维直线度误差。

　　3 系统分辨率分析

　　3.1 多次反射提高分辨率

　　如图2所示,由几何光学知识可得,当入射光不动,移动单元中的角锥棱镜RR2在竖直方向有Δ的移动,它的第一次反射光则有2Δ移动,经过固定单元中的角锥棱镜RR1的反射,使光线再次入射到RR2,第二次从RR2的反射光则有4Δ移动。因此透过偏振分光器(PBS)得到光线竖直方向位置变化量应该是移动单元角锥棱镜的4倍。同理也可以到水平方向的结果,即有

　　式中Δx、Δy分别是移动单元在水平、竖直方向的移动;X、Y分别是反射光线在上水平和竖直方向移动的位移。从(2)式可以得出所提系统的测量分辨率相对于文献[5]有4倍的提高。由以上分析还可以进一步得出,测量光线通过N次测量靶镜,系统的测量分辨率将提高2N倍,但相应的光程也会2N倍增加,这将会增大空气对测量结果的影响,因此应该权衡选择光线反射的次数。