[发明专利]一种光频梳六自由度测量方法及测量系统

说明书

本发明涉及一种光频梳六自由度测量方法及测量系统，其特征在于包括以下内容：1)设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳，第一光频梳和第二光频梳的光谱范围有重叠，以保证两光频梳能发生多外差干涉；2)第一光频梳分成两束光脉冲分别经由设置在测量臂的测量光栅角锥和设置在参考臂上的参考光栅角锥衍射返回后合成一束光；3)第二光频梳发出的光脉冲依次经两个平行间隔设置的透射二维光栅，其中，透射二维光栅与测量光栅角锥中的光栅参数相同；4)合光光束与经透射二维光栅出射的光脉冲发生干涉，同时测量两个正交方向的干涉信息得到测量光栅角锥的六自由度位置和姿态信息。

技术领域

本发明涉及一种光频梳六自由度测量方法及测量系统，涉及光学测量技术领域。

背景技术

无论是高精度装配，还是超精密加工，都离不开对位置和姿态多个自由度的高精度测量。所述多自由度测量，即不是分时测量，也不是同时用多个测头测量不同的参数，而是用一个测头同时获取多自由度的信息。这样的测量避免了环境变化引入误差，节约测量时间，也方便调整与安装。这对复杂工况下的高精度装配，或超精密加工中的反馈控制，都是非常重要的。

美国API(Automated Precision Inc)公司在近年推出了六自由度同步测量系统XD Laser激光干涉仪，用于测绘机床误差图并进行机床校准。XD Laser激光干涉仪在测量靶镜里将测量光分成三束，一束用于干涉测距，一束基于位置传感器测量横向位置，一束用自准直原理测角。所有功能集中在一个尺寸70mm×94mm×45mm的测头中，可同时测量多参数，简化了调整步骤，节约了调整时间。XD Laser激光干涉仪将之前用2～3天才能完成的机床误差测绘，缩短到几小时。雷尼绍公司也推出了指标与之类似的六自由度测量系统XM-60多光束激光干涉仪，同样采用一个测头完成六自由度测量，采用了无线信号传输，避免了测试过程中电缆的拖拽。目前这类测量系统市场售价约20万美元。这类仪器的测头多为有源设计，抗干扰能力有限，姿态测量范围也比较小，主要用于离线测绘机床的误差图，难以进行远距离装配与对接测量。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够解决测量过程中误差串扰且成本较低的光频梳六自由度测量方法及测量系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种光频梳六自由度测量方法，其特征在于包括以下内容：1)设置具有一定重复频率差的第一光频梳和第二光频梳，第一光频梳和第二光频梳的光谱范围有重叠，以保证两光频梳能够发生多外差干涉；2)第一光频梳分成两束光脉冲分别经由设置在测量臂的测量光栅角锥和设置在参考臂上的参考光栅角锥衍射返回后合成一束光；3)第二光频梳发出的光脉冲依次发送到两个平行间隔设置的透射二维光栅，其中，透射二维光栅与测量光栅角锥中的光栅参数相同；4)合光光束与经透射二维光栅出射的光脉冲发生干涉，同时测量两个正交方向的干涉信息得到测量光栅角锥的六自由度位置和姿态信息；其中，六自由度位置和姿态包括俯仰角、偏摆角、横向位移、轴向位移和滚转角。

进一步地，采用干涉光中所携带的光谱相频特性获得测量光栅角锥的俯仰角和偏摆角，并获取该光谱经过狭缝后的幅频特性来测量相应的横向位移；采用0级衍射光获得测量光栅角锥的轴向位移，并利用衍射光点位置获得测量光栅角锥的滚转角，完成六自由度位置和姿态的高精度绝对测量。

进一步地，俯仰角或偏摆角为：

mR+S；

其中，m＝[A/R]；

R＝2πF；

式中，“[]”表示取整运算，A为粗测绝对值，F为放大因子，S为多外差干涉光谱范围内单个谱线相位值进行非模糊角度范围内的小角度。

进一步地，横向位移ΔxΔy分别为：