基于PSD的导轨直线度测量

　　600mm口径近红外干涉仪准直波前的检测需要用到精密导轨,而导轨的直线度对于测试结果影响很大,因此必须对此导轨的直线度进行测量.工业上采用了很多方法测量导轨的直线度[1-4].目前比较先进的测量法普遍用激光束为测量基准[5-10],利用CCD或位置灵敏探测器PSD等高精度的光电探测器进行测量.匡萃方等进行了一系列的研究,提出了几种导轨自由度的测量方案,特别是对于偏摆角,俯仰角和滚转角的测量,包括二维转角同时测量法[9]、直线导轨三维转角测量法[10]等.本文设计了2个较为简便的基于PSD的导轨直线度测量法,其中平面镜系统用于测量导轨的俯仰角和偏摆角,五棱镜和直角棱镜组合系统用于测量导轨的滚转角.

　　1 原理

　　导轨直线度的测量可以通过对导轨三维转角的测量来实现.

　　1.1 俯仰角和偏摆角测量原理

　　俯仰角和偏摆角的测量原理光路如图1(a)所示.半导体激光器LD发出的一束部分偏振光经过偏振分光棱镜PBS后变为线偏振光P光.当P光经过K/4波片后,偏振方向旋转了45b,经过平面反射镜反射回来再次经过K/4波片,偏振方向再次旋转45b,此时光线已旋转90b变为S光,经过偏振分光棱镜PBS被反射,通过透镜聚焦到位置灵敏传感器PSD上.当反射镜M随导轨运动副沿着直线导轨移动时,反射光线对导轨的3个方向的平移误差和转动角误差不敏感,而只对俯仰角和偏摆角敏感,实现了误差分离.当反射镜M转动一个角度H,则反射光线转动了2H,经过透镜成像在探测器上得到一个偏移量$.如图1(b)所示建立坐标系,设初始时平面反射镜M的法线方向为{0,0,-1}T,准直激光入射方向为{0,0,-1}^T.

　　当移动平台随着直线导轨运动时,三维平移对反射镜的法线方向没有影响,所以并不影响其反射光线的方向.当导轨直线度不好时,导轨上的运动副分别绕X,Y,Z轴偏转A,B,C角.根据棱镜调整理论可得平面反射镜M的反射矩阵为

　　所以反射光线的方向为

　　在PSD上得到的成像位置为

　　可得俯仰角和偏摆角的大小为

　　式中,ΔX,ΔY分别为光点在探测器的水平、竖直方向的位移;α,β分别为俯仰角和偏摆角的误差;f为透镜的焦距.当PSD的分辨率为1μm,透镜焦距为550mm时,代入式(4)、(5)可以得到该方法的理论测角精度为0.2''.

　　1.2 滚转角测量原理

　　滚转角的测量原理光路如图2(a)所示.激光器LD放置在导轨的一端,发出一束基准光束.五棱镜和直角棱镜放在导轨运动副的平台上,随导轨运动副沿导轨运动.光束进入五棱镜被折转90b后射到直角棱镜的斜面上,反射后光束与入射光束大致平行,方向相反.再由平面反射镜反射到凸透镜上,会聚到位于透镜焦面的探测器PSD上.