CN105004273A - 一种激光干涉位移测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光干涉位移测量系统。包括激光器、起偏器、消偏振分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、角锥镜、平面反射镜和光电探测器。测量光入射移动角锥镜，由角锥镜位移引起原路反射回来的光的光程变化是角锥镜位移的四倍。该设计中通过偏振光学原理使测量光沿相同方向总共两次进出移动角锥镜，实现测量光与参考光光程差变化与角锥镜位移的八倍程关系，从而实现对位移的光学八倍细分测量。该系统具有测量分辨率高、测量结果准确的优点，且结构上安装方便、简单，价格低廉，适用范围广。
Description
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，更具体地，涉及一种激光干涉位移测量系统，特别涉及一种光学八倍程细分的超精密激光干涉位移测量系统。
背景技术
目前，随着现代工业的迅速发展，位移测量变得十分重要，而诸如机床在承载条件下微形变位移的测量、精密光学元件轮廓的测量等，对位移测量速度和精度的要求非常高。常见的位移测量包括机械式、电子式和几何光学式，游标卡尺等机械式位移测量仪存在测量精度低、测量结果严重依赖人工的缺点，电感电容式精密位移传感器测量范围小、容易受到环境电磁场以及自身电子噪声的干扰，光学干涉位移测量由于具有更高的测试灵敏度和精度，得到了广泛的应用。其中，最常用的光学干涉位移测量装置有迈克尔逊干涉位移传感器、外差式激光干涉位移传感器和光栅干涉位移传感器。
迈克尔逊干涉位移传感器是最经典的光学干涉位移测量方法，经过长期的研究与发展，技术成熟可靠，电路细分之后的分辨率可以达到1nm。但是其测量的精度直接与光源波长的稳定性相关，因此对光源及光路所处的环境要求高，另外由于正弦误差的存在，测量范围受到较大的限制。
外差式激光干涉位移传感器俗称双频激光干涉仪，具有测量范围大、分辨率与精度极高的特点。德国JENAer公司的ZLM700系列双拼激光干涉仪的直线测量范围达到40m，测量分辨率为0.1nm，在真空环境下测量精度为±0.08ppm，具备充当计量基准的能力，可以对其他测量设备进行标定与校准。但是其结构复杂、价格昂贵、对使用者要求甚高，因而并不适用于工业生产中的快速测量。
光栅干涉位移传感器是光栅衍射与激光干涉相结合的一种技术，海德汉公司的LIP300系列敞开式光栅尺具有70mm的测量范围、1nm的分辨率和±0.5μm的测量精度，在超精密机床、半导体工业测量等领域应用广泛。但是光栅测量装置必须时刻贴近光栅，对位置有着十分苛刻的要求，不仅安装不便、调整困难，其位置的局限性还会限制工作机的运动行程、运动精度等性能参数。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种激光干涉位移测量系统，能实现光学八倍程细分，大幅提高测量系统的分辨率，测量结果准确，且结构上安装方便、简单，价格低廉，适用范围广。
为实现上述目的，本发明提供了一种激光干涉位移测量系统，其特征在于，包括激光器、起偏器、第一消偏振分光棱镜、第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二1/4波片、角锥镜和第三平面反射镜；
定义X轴与所述激光器出射的光束方向相同，Y轴垂直于X轴，X轴和Y轴所在的平面为P；
工作时，所述激光器发出的光束通过所述起偏器后变为与平面P成45°角的线偏振光；线偏振光经过所述第一消偏振分光棱镜后，一部分沿X轴透射到达所述第一偏振分光棱镜，另一部分沿Y轴反射；
由所述第一消偏振分光棱镜到达所述第一偏振分光棱镜的光束中，偏振方向垂直于平面P的分量穿过所述第一偏振分光棱镜，沿X轴方向经过所述第一1/4波片到达所述第一平面反射镜，被所述第一平面反射镜反射后再经过所述第一1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜，被所述第一偏振分光棱镜的分光面反射后到达所述第二平面反射镜，被所述第二平面反射镜反射后原路返回至所述第一偏振分光棱镜，经所述第一偏振分光棱镜的分光面反射，再次经过所述第一1/4波片到达所述第一平面反射镜，被所述第一平面反射镜反射之后再经过所述第一1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜中，从所述第一偏振分光棱镜透射而出，此光束为参考光；
由所述第一消偏振分光棱镜到达所述第一偏振分光棱镜的光束中，偏振方向平行于平面P的分量被所述第一偏振分光棱镜的分光面反射，沿Y轴方向经过所述第二1/4波片到达所述角锥镜，依次被所述角锥镜和所述第三平面反射镜反射之后再经过所述角锥镜和所述第二1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜，由所述第一偏振分光棱镜透射到所述第二平面反射镜，被所述第二平面反射镜反射后原路返回至所述第一偏振分光棱镜，从所述第一偏振分光棱镜透射之后，再次经过所述第二1/4波片到达所述角锥镜，依次由所述角锥镜和所述第三平面反射镜反射之后再经过所述角锥镜和所述第二1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜，被所述第一偏振分光棱镜的分光面反射而出，此光束为测量光。
优选地，上述测量系统还包括第三1/4波片、第二消偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器；
工作时，所述参考光与所述测量光一同进入所述第一消偏振分光棱镜，被所述第一消偏振分光棱镜的分光面反射后，经过所述第三1/4波片到达所述第二消偏振分光棱镜；到达所述第二消偏振分光棱镜的光被分为两路相干光，这两路相干光分别经过所述第二偏振分光棱镜和所述第三偏振分光棱镜，得到四路等光强、相位依次相差90°的干涉信号，这四路干涉信号分别被所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器接收。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、使参考光在参考光路往返两次，测量光在测量光路往返两次，同时利用角锥镜的四倍程特性，使参考光和测量光八倍于安装在待测移动件上的角锥镜的位移的光程差变化，进而实现光学八倍程细分，大幅提高了测量系统的分辨率。
2、测量光与参考光分别通过1/4波片、消偏振分光棱镜和偏振分光棱镜后变成四个等光强、相位依次相差90°的干涉信号，如此可以将两相位相反的干涉信号差分，从而得到去除直流分量之后的正余弦信号，获得稳定可靠的电信号，测量结果更加准确。
3、采用角锥镜与待测移动件直接相连，对角锥镜的安装条件比较宽松，角锥镜的安装与入射光束角度没有严格的约束，测量过程中角锥镜的偏转对测量结果不会产生影响，因此结构上安装方便、简单，价格低廉，适用范围广。
附图说明
图1是本发明实施例的激光干涉位移测量系统的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-激光器，2-起偏器，3-第一消偏振分光棱镜，4-第一偏振分光棱镜，5-第二1/4波片，6-角锥镜，7-第三平面反射镜，8-第一1/4波片，9-第一平面反射镜，10-第二平面反射镜，11-第三1/4波片，12-第二消偏振分光棱镜，13-第二偏振分光棱镜，14-第三偏振分光棱镜，15-第一光电探测器，16-第二光电探测器，17-第三光电探测器，18-第四光电探测器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的激光干涉位移测量系统包括激光器1、起偏器2、第一消偏振分光棱镜3、第一偏振分光棱镜4、第一1/4波片8、第一平面反射镜9、第二平面反射镜10、第二1/4波片5、角锥镜6、第三平面反射镜7、第三1/4波片11、第二消偏振分光棱镜12、第二偏振分光棱镜13、第三偏振分光棱镜14、第一光电探测器15、第二光电探测器16、第三光电探测器17和第四光电探测器18。
定义X轴与激光器1出射的光束方向相同，Y轴垂直于X轴，X轴和Y轴所在的平面为P。
工作时，激光器1发出的光束通过起偏器2后变为与平面P成45°角的线偏振光；线偏振光经过第一消偏振分光棱镜3后，一部分沿X轴透射到达第一偏振分光棱镜4，另一部分沿Y轴反射。
由第一消偏振分光棱镜3到达第一偏振分光棱镜4的光束中，偏振方向垂直于平面P的分量穿过第一偏振分光棱镜4的分光面，沿X轴方向经过第一1/4波片8到达第一平面反射镜9，被第一平面反射镜9反射后再经过第一1/4波片8原路返回到第一偏振分光棱镜4中；返回到第一偏振分光棱镜4中的光束由于两次经过第一1/4波片8，其偏振方向旋转了90°变成平行于平面P，所以到达第一偏振分光棱镜4的分光面时不是透射而是被分光面反射，此反射光束到达第二平面反射镜10，被第二平面反射镜10反射后原路返回至第一偏振分光棱镜4，经第一偏振分光棱镜4的分光面反射，再次经过第一1/4波片8到达第一平面反射镜9，被第一平面反射镜9反射之后再经过第一1/4波片8原路返回到第一偏振分光棱镜4中，其偏振方向再次旋转90°变回垂直于平面P，所以从第一偏振分光棱镜4透射而出，此光束为参考光。
由第一消偏振分光棱镜3到达第一偏振分光棱镜4的光束中，偏振方向平行于平面P的分量被第一偏振分光棱镜4的分光面反射，沿Y轴方向经过第二1/4波片5到达角锥镜6，依次被角锥镜6和第三平面反射镜7反射之后再经过角锥镜6和第二1/4波片5原路返回到第一偏振分光棱镜4中；返回到第一偏振分光棱镜4中的光束由于两次经过第二1/4波片5，其偏振方向旋转了90°变成垂直于平面P，所以到达第一偏振分光棱镜4的分光面时不是被分光面反射而是透射，此透射光束到达第二平面反射镜10，被第二平面反射镜10反射后原路返回至第一偏振分光棱镜4，从第一偏振分光棱镜4透射之后，再次经过第二1/4波片5到达角锥镜6，依次被角锥镜6和第三平面反射镜7反射之后再经过角锥镜6和第二1/4波片5原路返回到第一偏振分光棱镜4中，其偏振方向再次旋转90°变回平行于平面P，被第一偏振分光棱镜4的分光面反射而出，此光束为测量光。
上述测量系统中，参考光路由第一偏振分光棱镜4、第一1/4波片8和第一平面反射镜9和第二平面反射镜10组成；参考光两次经过第一1/4波片8后，由第一偏振分光棱镜4的分光面反射，并借助第二平面反射镜10，再两次经过第一1/4波片8。测量光路由第一偏振分光棱镜4、第二1/4波片5、角锥镜6、第三平面反射镜7和第二平面反射镜10组成；测量光入射和反射两次经过第二1/4波片5之后由第一偏振分光棱镜4透射，并借助第二平面反射镜10，再两次经过第二1/4波片5。参考光和测量光分别在参考光路和测量光路往返两次，结合角锥镜的四倍程特性，使参考光和测量光八倍于安装在待测移动件上的角锥镜的位移的光程差变化，进而实现光学八倍程细分，大幅提高了测量系统的分辨率。
在本发明的一个实施例中，参考光与测量光的偏振态分别垂直和平行于平面P，它们一同进入第一消偏振分光棱镜3，被第一消偏振分光棱镜3的分光面反射后，经过第三1/4波片11到达第二消偏振分光棱镜12；到达第二消偏振分光棱镜12的光被分为两路相干光，这两路相干光分别经过第二偏振分光棱镜13和第三偏振分光棱镜14，得到四路等光强、相位依次相差90°的干涉信号，这四路干涉信号分别被第一至第四光电探测器15～18接收。
上述测量系统中，参考光与测量光的接收光路由第三1/4波片11、第二消偏振分光棱镜12、第二偏振分光棱镜13、第三偏振分光棱镜14和第一至第四光电探测器15～18组成。参考光与测量光经过上述接收光路后，变成四个等光强、相位依次相差90°的干涉信号，如此可以将两相位相反的干涉信号差分，从而得到去除直流分量之后的正余弦信号，获得稳定可靠的电信号，通过正余弦信号的差分处理形成一个完整的李萨圆，进而进行后续的位移计量。测量结果更加准确。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种激光干涉位移测量系统，其特征在于，包括激光器、起偏器、第一消偏振分光棱镜、第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第二1/4波片、角锥镜和第三平面反射镜；
定义X轴与所述激光器出射的光束方向相同，Y轴垂直于X轴，X轴和Y轴所在的平面为P；
工作时，所述激光器发出的光束通过所述起偏器后变为与平面P成45°角的线偏振光；线偏振光经过所述第一消偏振分光棱镜后，一部分沿X轴透射到达所述第一偏振分光棱镜，另一部分沿Y轴反射；
由所述第一消偏振分光棱镜到达所述第一偏振分光棱镜的光束中，偏振方向垂直于平面P的分量穿过所述第一偏振分光棱镜，沿X轴方向经过所述第一1/4波片到达所述第一平面反射镜，被所述第一平面反射镜反射后再经过所述第一1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜，被所述第一偏振分光棱镜的分光面反射后到达所述第二平面反射镜，被所述第二平面反射镜反射后原路返回至所述第一偏振分光棱镜，经所述第一偏振分光棱镜的分光面反射，再次经过所述第一1/4波片到达所述第一平面反射镜，被所述第一平面反射镜反射之后再经过所述第一1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜中，从所述第一偏振分光棱镜透射而出，此光束为参考光；
由所述第一消偏振分光棱镜到达所述第一偏振分光棱镜的光束中，偏振方向平行于平面P的分量被所述第一偏振分光棱镜的分光面反射，沿Y轴方向经过所述第二1/4波片到达所述角锥镜，依次被所述角锥镜和所述第三平面反射镜反射之后再经过所述角锥镜和所述第二1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜，由所述第一偏振分光棱镜透射到所述第二平面反射镜，被所述第二平面反射镜反射后原路返回至所述第一偏振分光棱镜，从所述第一偏振分光棱镜透射之后，再次经过所述第二1/4波片到达所述角锥镜，依次由所述角锥镜和所述第三平面反射镜反射之后再经过所述角锥镜和所述第二1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱镜，被所述第一偏振分光棱镜的分光面反射而出，此光束为测量光。
2.如权利要求1所述的激光干涉位移测量系统，其特征在于，还包括第三1/4波片、第二消偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器；
工作时，所述参考光与所述测量光一同进入所述第一消偏振分光棱镜，被所述第一消偏振分光棱镜的分光面反射后，经过所述第三1/4波片到达所述第二消偏振分光棱镜；到达所述第二消偏振分光棱镜的光被分为两路相干光，这两路相干光分别经过所述第二偏振分光棱镜和所述第三偏振分光棱镜，得到四路等光强、相位依次相差90°的干涉信号，这四路干涉信号分别被所述第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器接收。
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