[發明專利]一種光頻梳六自由度測量方法及測量系統

有效

• 申請號: 201710897562.4
• 申請日: 2017-09-28
• 公開（公告）號: CN107727058B
• 公開（公告）日: 2020-06-19
• 發明（設計）人: 吳冠豪;曾理江;朱澤斌;熊士林;倪凱;周倩
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01C1/00
• 分類號: G01C1/00;G01B11/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 徐寧;劉美麗

本發明涉及一種光頻梳六自由度測量方法及測量系統，其特征在于包括以下內容：1)設置具有一定重復頻率差的第一光頻梳和第二光頻梳，第一光頻梳和第二光頻梳的光譜范圍有重疊，以保證兩光頻梳能發生多外差干涉；2)第一光頻梳分成兩束光脈沖分別經由設置在測量臂的測量光柵角錐和設置在參考臂上的參考光柵角錐衍射返回后合成一束光；3)第二光頻梳發出的光脈沖依次經兩個平行間隔設置的透射二維光柵，其中，透射二維光柵與測量光柵角錐中的光柵參數相同；4)合光光束與經透射二維光柵出射的光脈沖發生干涉，同時測量兩個正交方向的干涉信息得到測量光柵角錐的六自由度位置和姿態信息。

技術領域

本發明涉及一種光頻梳六自由度測量方法及測量系統，涉及光學測量技術領域。

背景技術

無論是高精度裝配，還是超精密加工，都離不開對位置和姿態多個自由度的高精度測量。所述多自由度測量，即不是分時測量，也不是同時用多個測頭測量不同的參數，而是用一個測頭同時獲取多自由度的信息。這樣的測量避免了環境變化引入誤差，節約測量時間，也方便調整與安裝。這對復雜工況下的高精度裝配，或超精密加工中的反饋控制，都是非常重要的。

美國API(Automated Precision Inc)公司在近年推出了六自由度同步測量系統XD Laser激光干涉儀，用于測繪機床誤差圖并進行機床校準。XD Laser激光干涉儀在測量靶鏡里將測量光分成三束，一束用于干涉測距，一束基于位置傳感器測量橫向位置，一束用自準直原理測角。所有功能集中在一個尺寸70mm×94mm×45mm的測頭中，可同時測量多參數，簡化了調整步驟，節約了調整時間。XD Laser激光干涉儀將之前用2～3天才能完成的機床誤差測繪，縮短到幾小時。雷尼紹公司也推出了指標與之類似的六自由度測量系統XM-60多光束激光干涉儀，同樣采用一個測頭完成六自由度測量，采用了無線信號傳輸，避免了測試過程中電纜的拖拽。目前這類測量系統市場售價約20萬美元。這類儀器的測頭多為有源設計，抗干擾能力有限，姿態測量范圍也比較小，主要用于離線測繪機床的誤差圖，難以進行遠距離裝配與對接測量。

發明內容

針對上述問題，本發明的目的是提供一種能夠解決測量過程中誤差串擾且成本較低的光頻梳六自由度測量方法及測量系統。

為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種光頻梳六自由度測量方法，其特征在于包括以下內容：1)設置具有一定重復頻率差的第一光頻梳和第二光頻梳，第一光頻梳和第二光頻梳的光譜范圍有重疊，以保證兩光頻梳能夠發生多外差干涉；2)第一光頻梳分成兩束光脈沖分別經由設置在測量臂的測量光柵角錐和設置在參考臂上的參考光柵角錐衍射返回后合成一束光；3)第二光頻梳發出的光脈沖依次發送到兩個平行間隔設置的透射二維光柵，其中，透射二維光柵與測量光柵角錐中的光柵參數相同；4)合光光束與經透射二維光柵出射的光脈沖發生干涉，同時測量兩個正交方向的干涉信息得到測量光柵角錐的六自由度位置和姿態信息；其中，六自由度位置和姿態包括俯仰角、偏擺角、橫向位移、軸向位移和滾轉角。

進一步地，采用干涉光中所攜帶的光譜相頻特性獲得測量光柵角錐的俯仰角和偏擺角，并獲取該光譜經過狹縫后的幅頻特性來測量相應的橫向位移；采用0級衍射光獲得測量光柵角錐的軸向位移，并利用衍射光點位置獲得測量光柵角錐的滾轉角，完成六自由度位置和姿態的高精度絕對測量。

進一步地，俯仰角或偏擺角為：

mR+S；

其中，m＝[A/R]；

R＝2πF；

式中，“[]”表示取整運算，A為粗測絕對值，F為放大因子，S為多外差干涉光譜范圍內單個譜線相位值進行非模糊角度范圍內的小角度。

進一步地，橫向位移ΔxΔy分別為：