激光六自由度几何误差测量系统及方法

1.一种激光六自由度几何误差测量系统，其特征在于，包括光线分配单元、靶镜单元和测量单元；其中，所述光线分配单元包括：用于产生出射光L1的激光出射模块、用于对所述出射光L1进行分束的第一偏振分光镜、用于对所述出射光L1被所述第一偏振分光镜分出的分束光L12进行再分束的分光镜、用于对所述分束光L12被所述分光镜透射分出的干涉参考光L121进行后向反射的固定角锥棱镜、用于改变所述出射光L1被所述第一偏振分光镜分出的分束光L11的偏振状态的λ/4波片；所述靶镜单元包括：用于对所述分束光L12被所述分光镜反射分出的分束光L122进行再分束的第二偏振分光镜、用于对经过所述λ/4波片的分束光L11进行反射和透射的半透半反件和用于对所述分束光L11被所述半透半反件透射的分束光L111进行后向反射的移动角锥棱镜；所述分束光L111被所述移动角锥棱镜后向反射再次经过所述第一偏振分光镜被再次分束为干涉测量光L111′和分束光L111″；所述分束光L11被所述半透半反件反射后为分束光L112；所述干涉参考光L121被所述固定角锥棱镜后向反射后与所述干涉测量光L111′形成合束光L3；所述合束光L3通过第一偏振片后发生干涉；所述测量单元包括：用于分别接收所述分束光L122被所述第二偏振分光镜分束的两个参考光线的第六光电探测器和第七光电探测器、用于接收所述分束光L111″的第一光电探测器、用于接收发生干涉后的合束光L3的第二光电探测器和用于接收被聚焦透镜聚焦的分束光L112的第三光电探测器；其中，所述第六光电探测器和所述第七光电探测器用于测量所述靶镜单元的绕X轴转动的角度量误差；所述第一光电探测器用于测量所述靶镜单元沿Y轴、Z轴两个方向的线性量误差；所述第二光电探测器用于配合干涉测长模块测量所述靶镜单元沿X轴的线性量误差；所述第三光电探测器用于测量所述靶镜单元绕Y轴和Z轴转动的角度量误差。 2.根据权利要求1所述的激光六自由度几何误差测量系统，其特征在于，所述激光出射模块为双频激光器；所述干涉测长模块设置在所述激光出射模块与所述第一偏振分光镜之间；所述干涉测长模块包括用于从所述出射光L1中分束出激光L2的第一非偏分光镜、用于使所述激光L2发生干涉的第二偏振片和用于接收所述激光L2经过所述第二偏振片后形成的干涉光斑的第四光电探测器。 3.根据权利要求2所述的激光六自由度几何误差测量系统，其特征在于，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、所述第三光电探测器均为QD、PSD、CCD、CMOS中的任意一种；和/或，所述第四光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS和pin中的任意一种。 4.根据权利要求1所述的激光六自由度几何误差测量系统，其特征在于，所述激光出射模块为单频激光器；所述干涉测长模块设置在所述第一偏振分光镜与所述第二光电探测器之间；所述干涉测长模块包括用于从所述合束光L3中分束出透射光L31和反射光L32的第二非偏分光镜、用于对所述反射光L32进行延迟相位90°的第一λ/2波片和用于接收经过所述第一λ/2波片后的反射光L32形成的干涉光斑光的第五光电探测器。 5.根据权利要求4所述的激光六自由度几何误差测量系统，其特征在于，所述第六光电探测器和所述第七光电探测器均为QD、PSD、CCD、CMOS和pin中的任意一种；和/或，所述第五光电探测器为QD、PSD、CCD、CMOS中的任意一种。 6.根据权利要求1所述的激光六自由度几何误差测量系统，其特征在于，所述分束光L11为被所述第一偏振分光镜透射的光，所述分束光L12为被所述第一偏振分光镜反射的光；或，所述分束光L11为被所述第一偏振分光镜反射的光，所述分束光L12为被所述第一偏振分光镜透射的光。 7.根据权利要求1所述的激光六自由度几何误差测量系统，其特征在于，所述半透半反件为半透半反镜或镀在所述移动角锥棱镜表面的半透半反膜；和/或，所述第一偏振分光镜为立方偏振分光镜；和/或，所述第二偏振分光镜为立方偏振分光镜、渥拉斯顿棱镜、洛匈偏振器、格兰偏振棱镜的任意一种。 8.一种直线轴激光六自由度几何误差测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意一项所述的激光六自由度几何误差测量系统对待测量直线轴基于同一束激光完成六自由度几何误差的同时测量，包括如下步骤：将所述第二偏振分光镜、所述第六光电探测器、所述第七光电探测器与所述靶镜单元合成一体安装在所述待测量直线轴上；在所述靶镜单元的光敏感侧安装所述光线分配单元、所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述第三光电探测器；使所述激光出射模块发射出射光L1，并使所述测量单元对应接收所述出射光L1被所述光线分配单元分配的光；根据所述第六光电探测器和所述第七光电探测器接收的分束光L122被所述第二偏振分光镜分束的两束光线的光强变化计算所述待测量直线轴的滚转角、根据所述第一光电探测器接收的所述分束光L111″的光斑位置变化计算得到所述待测量直线轴沿Y轴与Z轴的直线度误差、根据所述第二光电探测器接收的合束光L3配合所述干涉测长模块测量所述待测量直线轴沿X轴的定位误差、以及根据所述第三光电探测器接收的所述分束光L112的光斑位置变化测量所述待测量直线轴的俯仰角和偏摆角。 9.根据权利要求8所述的直线轴激光六自由度几何误差测量方法，其特征在于，所述计算所述待测量直线轴的滚转角的方法包括：将所述第六光电探测器和所述第七光电探测器分别接收到的分束光L122被所述第二偏光分光镜分束的两束光线的光强记为Ia(γ)和Ib(γ)，所述Ia(γ)与所述Ib(γ)之间的函数关系记为f(γ)＝[Ia(γ)-Ib(γ)]/[Ia(γ)+Ib(γ)]，其中，γ为靶镜单元的滚转角；使所述靶镜单元绕X轴转动几个特定角度γ 1 、γ 2 、……，测得对应的f(γ 1 )、f(γ 2 )、……，标定出f(γ)与γ的函数曲线；实时测得光强Ia(γ)和Ib(γ)，根据所述Ia(γ)和所述Ib(γ)之间的函数关系和所述f(γ)与γ的函数曲线，计算所述靶镜单元绕X轴转动角度γ，以得到所述待测量直线轴的滚转角；和/或，所述根据所述第一光电探测器接收的所述分束光L111″的光斑位置变化计算得到所述待测量直线轴沿Y轴与Z轴的直线度误差的方法包括：根据所述第一光电探测器接受的分束光L111″的实时位置(y 1t ,z 1t) 与记录在所述第一光电探测器内的分束光L111″的初始位置(y 10 ,z 10 )的变化，确定所述分束光L111″的光斑位置变化量，计算得到所述待测量直线轴沿Y轴与Z轴的直线度误差分别为Δy＝2(y 1t -y 10 )和Δz＝2(z 1t -z 10 )；和/或，所述根据所述第三光电探测器接收的所述分束光L112的光斑位置变化测量所述待测量直线轴的俯仰角和偏摆角的方法包括：根据所述第三光电探测器接收的分束光L112的光斑的实时位置(y t ,z t )与记录在所述第三光电探测器内的分束光L112的光斑的初始位置(y 0 ,z 0 )的变化，确定所述分束光L112的光斑位置的变化量；根据所述分束光L112的光斑位置的变化量，计算所述待测量直线轴绕Y轴和Z轴转动的俯仰角和偏摆角分别为Δα＝(y t -y 0 )/2f和Δβ＝(z-z 0 )/2f，其中f为聚焦透镜的焦距。 10.根据权利要求8所述的直线轴激光六自由度几何误差测量方法，其特征在于，所述根据所述第二光电探测器接收的合束光L3配合所述干涉测长模块测量所述待测量直线轴沿X轴的定位误差的方法包括：当所述激光出射模块射出的激光为双频激光时，在所述激光出射模块与所述第一偏振分光镜之间安装所述干涉测长模块；其中，所述干涉测长模块包括用于从所述出射光L1中分束出反射激光L2的第一非偏分光镜、用于对所述反射激光L2进行干涉的第二偏振片和用于接收所述反射激光L2被所述第二偏振片干涉形成的干涉光斑的第四光电探测器；将出射光L1包含的具有频差的两束偏振光的频率分别记为f 1 和f 2 ，则，出射光L1被所述第一偏振分光镜分光时，分束光L11的频率为f 1 、分束光L12的频率为f 2 ，记所述分束光L111随着所述靶镜单元沿X轴位移量为Δx，由多普勒效应引起的频率变化量为f(Δx)，则所述分束光L111的频率为f 1 +f(Δx)，被所述第二光电探测器接收的合束光L3作为外差干涉测长的测量信号，则所述测量信号的频率为f 测 ＝f 1 +f(Δx)-f 2 ，将所述第四光电探测器接收到的干涉光斑作为外差干涉测长的标准信号，所述标准信号的频率为f 标 ＝f 1 -f 2 ；使所述测量信号的频率f 测 ＝f 1 +f(Δx)-f 2 与所述标准信号的频率f 标 ＝f 1 -f 2 相减，得到f(Δx)＝f 测 -f 标 ，记f(Δx)引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，所述激光出射模块输出的激光波长为λ，则靶镜单元沿X轴的线性量误差为Δx＝N(Δx)·λ/2，以得到所述待测量直线轴沿X轴的定位误差；当所述激光出射模块射出的激光为单频激光时，在所述第一偏振分光镜与所述第二光电探测器之间安装所述干涉测长模块；其中，所述干涉测长模块包括用于从所述合束光L3中分束出透射光L31和反射光L32的第二非偏分光镜、用于对所述反射光L32进行延迟相位90°的第一λ/2波片和用于接收经过所述第一λ/2波片后的反射光L32形成的干涉光斑光的第五光电探测器；透射光L31被所述第二光电探测器接收，将所述第二光电探测器接收的透射光L31的干涉光斑光强记为I 2 ，将被所述第五光电探测器接收的反射光L32的干涉光斑光强记为I 5 ，将被所述固定角锥棱镜后向反射的干涉参考光L121作为干涉长测量信号的参考光，将干涉测量光L111′作为外差干涉长测量信号的测量光；通过对所述I 2 和所述I 5 的处理，得到干涉长测量信号的参考光与所述外差干涉长测量信号的测量光的相位差φ(Δx)引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx)，激光出射模块输出激光波长为λ，则靶镜单元沿X轴的线性量误差为Δx＝N(Δx)·λ/2，以得到所述待测量直线轴沿X轴的定位误差。 11.一种转轴激光六自由度几何误差测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任意一项所述的激光六自由度几何误差测量系统对待测量转轴基于同一束激光完成六自由度几何误差的测量，包括如下步骤：将所述第二偏振分光镜、所述第六光电探测器、所述第七光电探测器与所述靶镜单元合成一体通过伺服转台安装在待测量转轴上；在所述靶镜单元的光敏感侧安装所述光线分配单元、所述第一光电探测器、所述第二光电探测器和所述第三光电探测器；使所述激光出射模块发射出射光L1，并使所述测量单元对应接收所述出射光L1被所述光线分配单元分配的光；根据所述第三光电探测器接收的所述分束光L112的光斑位置变化测量所述待测量转轴绕Y轴和Z轴转动的角度量误差、根据所述第六光电探测器和所述第七光电探测器接收的分束光L122被所述第二偏振分光镜分束的两束光线的光强变化计算所述待测量转轴绕X轴转动的角度量误差、根据所述第一光电探测器接收的所述分束光L111″的光斑位置变化计算得到所述待测量转轴沿Y轴的径向跳动误差与沿Z轴的轴向跳动误差、根据所述第二光电探测器接收的合束光L3配合所述干涉测长模块测量所述待测量转轴沿X轴的径向跳动误差。 12.根据权利要求11所述的转轴激光六自由度几何误差测量方法，其特征在于，在所述根据所述第三光电探测器接收的所述分束光L112的光斑位置变化测量所述待测量转轴绕Y轴和Z轴转动的角度量误差的过程中，根据所述待测量转轴绕Z轴转动的角度量误差，控制所述伺服转台沿所述待测量转轴旋转的反方向转动，使得所述分束光L112的光斑在水平方向回到所述第三光电探测器的中心，以实现所述伺服跟踪；其中，所述待测量转轴的旋转角度与所述伺服转台旋转角度之差为转角定位误差。 13.根据权利要求11所述的转轴激光六自由度几何误差测量方法，其特征在于，所述根据所述第三光电探测器接收的所述分束光L112的光斑位置变化测量所述待测量转轴绕Y轴和Z轴转动的角度量误差的方法，包括：根据所述第三光电探测器接收的分束光L112的光斑的实时位置(y t ′,z t ′)与记录在所述第三光电探测器内的分束光L112的光斑的初始位置(y 0 ′,z 0 ′)的变化，确定所述分束光L112的光斑位置的变化量；根据所述分束光L112的光斑位置的变化量，计算所述待测量转轴绕Y轴和Z轴转动的角度量误差分别为Δα′＝(y t ′-y 0 ′)/2f和Δβ′＝(z′-z 0 ′)/2f，其中f为聚焦透镜的焦距；和/或，所述根据所述第一光电探测器接收的所述分束光L111″的光斑位置变化计算得到所述待测量转轴沿Y轴的径向跳动误差与沿Z轴的轴向跳动误差的方法，包括：根据所述第一光电探测器接受的分束光L111″的实时位置(y 1t ′,z 1t ′)与记录在所述第一光电探测器内的分束光L111″的初始位置(y 10 ′,z 10 ′)的变化，确定所述分束光L111″的光斑位置变化量，计算得到所述待测量转轴沿Y轴的径向跳动误差与沿Z轴的轴向跳动误差分别为Δy′＝2(y 1t ′-y 10 ′)和Δz′＝2(z 1t ′-z 10 ′)；和/或，所述根据所述第六光电探测器和所述第七光电探测器接收的分束光L122被所述第二偏振分光镜分束的两束光线的光强变化计算所述待测量转轴绕X轴转动的角度量误差的方法，包括：将所述第六光电探测器和所述第七光电探测器分别接收到的分束光L122被所述第二偏光分光镜分束的两个参考光线的光强记为Ia(γ′)和Ib(γ′)，所述Ia(γ′)与所述Ib(γ′)之间的函数关系记为f(γ′)＝[Ia(γ′)-Ib(γ′)]/[Ia(γ′)+Ib(γ′)]，其中，γ′为靶镜单元绕X轴转动的角度量误差；使所述靶镜单元绕X轴转动几个特定角度γ 1 ′、γ 2 ′、……，测得对应的f(γ 1 ′)、f(γ 2 ′)、……，标定出f(γ′)与γ′的函数曲线；实时测得光强Ia(γ′)和Ib(γ′)，根据所述Ia(γ′)和所述Ib(γ′)之间的函数关系和所述f(γ′)与γ′的函数曲线，计算所述靶镜单元绕X轴转动角度γ′，以得到所述待测量转轴绕X轴转动的角度量误差。 14.根据权利要求11所述的转轴激光六自由度几何误差测量方法，其特征在于，所述根据所述第二光电探测器接收的合束光L3配合所述干涉测长模块测量所述待测量转轴沿X轴的径向跳动误差的方法，包括：当所述激光出射模块射出的激光为双频激光时，在所述激光出射模块与所述第一偏振分光镜之间安装所述干涉测长模块；其中，所述干涉测长模块包括用于从所述出射光L1中分束出反射激光L2的第一非偏分光镜、用于对所述反射激光L2进行干涉的第二偏振片和用于接收所述反射激光L2被所述第二偏振片干涉形成的干涉光斑的第四光电探测器；将出射光L1包含的具有频差的两束偏振光的频率分别记为f 1 ′和f 2 ′，则，出射光L1被所述第一偏振分光镜分光时，分束光L11的频率为f 1 ′、分束光L12的频率为f 2 ′，记所述分束光L111随着所述靶镜单元沿X轴位移量为Δx′，由多普勒效应引起的频率变化量为f(Δx′)，则所述分束光L111的频率为f 1 ′+f(Δx′)，被所述第二光电探测器接收的合束光L3作为外差干涉测长的测量信号，则所述测量信号的频率为f 测 ′＝f 1 ′+f(Δx′)-f 2 ′，将所述第四光电探测器接收到的干涉光斑作为外差干涉测长的标准信号，所述标准信号的频率为f 标 ′＝f 1 ′-f 2 ′；使所述测量信号的频率f 测 ′＝f 1 ′+f(Δx′)-f 2 ′与所述标准信号的频率f 标 ′＝f 1 ′-f 2 ′相减，得到f(Δx′)＝f 测 ′-f 标 ′，记f(Δx′)引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx′)，所述激光出射模块输出的激光波长为λ，则靶镜单元沿X轴的线性量误差为Δx′＝N(Δx′)·λ/2，以得到所述待测量转轴沿X轴的径向跳动误差；当所述激光出射模块射出的激光为单频激光时，在所述第一偏振分光镜与所述第二光电探测器之间安装所述干涉测长模块；其中，所述干涉测长模块包括用于从所述合束光L3中分束出透射光L31和反射光L32的第二非偏分光镜、用于对所述反射光L32进行延迟相位90°的第一λ/2波片和用于接收经过所述第一λ/2波片后的反射光L32形成的干涉光斑光的第五光电探测器；透射光L31被所述第二光电探测器接收，将所述第二光电探测器接收的透射光L31的干涉光斑光强记为I 2 ′，将被所述第五光电探测器接收的反射光L32的干涉光斑光强记为I 5 ′，将被所述固定角锥棱镜后向反射的干涉参考光L121作为干涉长测量信号的参考光，将干涉测量光L111′作为外差干涉长测量信号的测量光；通过对所述I 2 ′和所述I 5 ′的处理，得到干涉长测量信号的参考光与所述外差干涉长测量信号的测量光的相位差φ(Δx′)引起的干涉条纹明暗变化次数为N(Δx′)，激光出射模块输出激光波长为λ，则靶镜单元沿X轴的线性量误差为Δ′x＝N(Δx′)·λ/2，以得到所述待测量转轴沿X轴的径向跳动误差。