高精密小滚转角干涉测量方法的研究

近年来，对超精密位移的精度要求越来越高，在各种高精密数控机床和三坐标测量机中通常已经小于100纳米或者几十纳米，在光栅刻划工作台和各种大型精密扫描定位装置中，例如扫描定位工作台和大范围扫描探针显微镜等，6个自由度的运动精度要求达到纳米级，这就意味着必须对位移运动过程中的各种转角偏移进行严格控制。利用现有的各种激光干涉仪已经可以方便地测量围绕垂直于运动方向的两个转角偏移，但是对于围绕运动轴的滚转角偏移(Roll)，特别是对于大行程运动，至今没有有效的测量方法。本申请的研究目标是针对上述各种高精密运动定位台，研究一种新型的小滚转角的激光干涉测量方法，它应该既具有高测量精度，又简便实用，而且可以溯源米定义。该方法可以应用在大部分高精密机床和三坐标测量机、以及各种大型精密扫描定位装置的制造和使用检测中，将给长期存在的精密机械制造工业中的滚转角测量难题提供一个新的解决方案。

近年来，对超精密位移的精度要求越来越高，在各种高精密数控机床和三坐标测量机中通常已经小于100纳米或者几十纳米，在光栅刻划工作台和各种大型精密扫描定位装置中，例如扫描定位工作台和大范围扫描探针显微镜等，6个自由度的运动精度要求达到纳米级，这就意味着必须对位移运动过程中的各种转角偏移进行严格控制。利用现有的各种激光干涉仪已经可以方便地测量围绕垂直于运动方向的两个转角偏移，但是对于围绕运动轴的滚转角偏移(Roll)，特别是对于大行程运动，至今没有有效的测量方法。面对长期存在的精密机械制造中通常只测量5个自由度的缺憾，我们研究出了一种既具有高精度，又简便实用的高效滚转角干涉测量方法。它不需要与行程同长的大反射参考镜，但同样能实现高分辨率，而且简便实用，还可以直接溯源米定义。使用普通的2π/360细分相位计，测量分辨率为1.1″，若使用2π/36000的高精密细分相位计，滚转角的测量分辨率可达到0.01″。特别是，只要更换不同的光学附件，系统不仅能测量滚转角，也可以像普通干涉仪一样测量长度位移，而且可以很方便地测量转角、直线度等，所以能轻松地实现各种精密定位装备的全自由度精密测量。这个方法可以应用在大部分高精密机床和三坐标测量机、以及各种大型精密扫描定位装置的制造和使用检测中，给长期存在的精密机械制造工业中的滚转角测量难题提供了一个新的解决方案。. 题为“高精密滚转角测量干涉仪”的文章已经被国内本领域最权威的“机械工程学报”录用，评审专家认为，不论是测量机理还是系统构造都具有创新性（见附件1）。文章也已经发表在本领域SCI检索二区的Optics Letters, (2013，38(18), 影响因子=3.385)。鉴于我们研究的微滚转角干涉方法的新颖性，它不仅获得中国专利局颁发的发明专利权（200910167309.9，用于测量微滚转角的激光干涉系统），而且也于2012年获得了美国专利及商标局颁发的发明专利权（US 8,325,348 B2，LASER INTERFEROMETER SYSTEM FOR MEASURING ROLL ANGLE）。同时，这个技术也推广到了生产实践，今年已经向天津希统电子设备有限公司转让了专利使用权（见附件15），开始产生经济效益。