Article共光路三自由度激光测量系统Three-degree-of-freedom.PDF

Opto-Electronic Engineering Article 光 电 工 程 2017 年，第44 卷，第8 期   共光路三自由度激光测量系统 1 1 1 1 伍婷婷 ，黄强先 *，张 芮 ，武万多 ， 1,2 王超群 1 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，合肥 230009 ； 2 合肥工业大学电子科学与应用物理学院，合肥 230009 摘要：基于迈克尔逊干涉原理和激光自准直原理，采用共光路布局，研制了能对运动工作台同时进行一维位移和二维 角度测量的三自由度激光测量系统。在位移测量中，采用光程差放大技术，并结合偏振干涉技术和信号差分处理，得 到高质量的位移输出信号和高分辨力的位移测量结果。在角度测量中，运动工作台的偏摆和俯仰运动会引起固定在工 作台上的反射镜位置变化。入射光被反射镜反射，并被四象限探测器探测，根据四象限探测器上的光斑位置变化，获 得偏摆角和俯仰角的变化值。对研制的系统进行稳定性和分辨力测试，同时与英国雷尼绍XL-80 激光干涉仪进行比对 实验。实验结果表明：测量系统的位移分辨力为0.8 nm ，角度分辨力为0.2″；在50 mm 的测量范围内，与雷尼绍XL-80 激光干涉仪测量值相比，系统的位移最大偏差小于100 nm，偏摆角最大偏差为0.5″，俯仰角最大偏差为0.4″。 关键词：共光路；激光；偏振干涉；自准直；同时测量 中图分类号：TH744 文献标志码：A Three‐degree‐of‐freedom common‐path laser measurement system 1 1 1 1 1,2 Tingting Wu , Qiangxian Huang *, Rui Zhang , Wanduo Wu and Chaoqun Wang 1School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2School of Electronic Science and Applied Physics, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China Abstract: Common optical path arrangement was adopted to design a three-degree-of-freedom laser measurement system for measuring 1D displacement and 2D angles of a moving stage simultaneously on the basis of the princi- ples of Michelson interference and laser auto-collimation. In the displacement measurement, the fine resolution of displacement measurement was achieved by using optical path difference doubling technique. Combined with po- larization interference technology and signal differential processing, high-quality displacement output