CN113358037B - 一种激光位移测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光位移测量装置和方法，包括：干涉测量模块、激光光源模块、信号调制模块、控制处理模块、光学游标解调模块；其中，控制处理模块控制信号调制模块给激光光源模块施加光源调制信号，使得激光光源模块提供给干涉测量模块两束固定频差的激光；控制处理模块控制干涉测量模块进行干涉测量，测量时激光在干涉测量模块中的两个Fabry‑Perot腔内分别进行干涉并分别被两个光电探测器探测形成主副测量干涉信号；光学游标解调模块对干涉测量模块得到的主副测量干涉信号进行解调，解调结果通过控制处理模块计算得到被测位移。本发明具有亚皮米级分辨力，能够用于位移的大量程高精度测量。

Description

一种激光位移测量装置和方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别是涉及一种基于光学游标Fabry-Perot干涉术的激光位移测量装置和方法。

背景技术

高精度的纳米位移测量在超精密加工、微电子制造以及精密测试计量等技术领域有着重要的应用。激光干涉仪以光波长为测量尺度，具有超高分辨率的测量能力，是测量领域中最精密的测量仪器之一，在现代工业测量领域得到了广泛的应用。然而不管是单频激光干涉仪还是双频激光干涉仪，都存在着周期性的非线性误差，这些非线性误差可以达到几纳米，甚至可以达到几十纳米，严重影响了激光干涉仪精度的提升。同时激光干涉方法由于受到干涉激光波长以及光学结构等的影响，在进行大量程测量时，其干涉测量的分辨力或测量范围会受到一定的限制，不能二者兼顾。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供激光位移测量装置和方法，同时构建两套Fabry-Perot干涉仪相互协调，形成主副测量干涉信号，通过光学游标原理解调出位移测量的大小数，实现大量程亚皮米级分辨力动态位移测量。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种激光位移测量装置，包括：干涉测量模块、激光光源模块、信号调制模块、控制处理模块、光学游标解调模块；其中，控制处理模块控制信号调制模块给激光光源模块施加光源调制信号，使得激光光源模块提供给干涉测量模块两束固定频差的激光；控制处理模块控制干涉测量模块进行干涉测量，测量时激光在干涉测量模块中的两个Fabry-Perot腔内分别进行干涉并分别被两个光电探测器探测形成主副测量干涉信号；光学游标解调模块对干涉测量模块得到的主副测量干涉信号进行解调，解调结果通过控制处理模块计算得到被测位移。

作为优选，所述干涉测量模块，包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一精密位移台、第一谐振平面镜、第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台；其中，激光光源模块发出主激光束与副激光束；主激光束射进由固定于第一精密位移台上的第一谐振平面镜与固定于第二精密位移台上的第一角锥反射镜构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成主测量干涉光束，主测量干涉光束被第一光电探测器接收形成主测量干涉信号；副激光束射进由第二谐振平面镜与第一角锥反射镜构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，副测量干涉光束被第二光电探测器接收形成副测量干涉信号。

作为优选，包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一精密位移台、第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台、第二角锥反射镜、第三谐振平面镜、反射镜、分光板、第三光电探测器、分光镜；其中，激光光源模块发出两束固定频差的主激光束与副激光束；主激光束被分光板分成第一子主激光束与第二子主激光束；第一子主激光束被反射进由固定于第一精密位移台上的第三谐振平面镜与固定于第二精密位移台上的第一角锥反射镜构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成第一子主测量干涉光束，第一子主测量干涉光束经过分光镜透射后被第一光电探测器接收形成第一子主测量干涉信号；第二子主激光束被反射进由第三谐振平面镜与第二角锥反射镜构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成第二子主测量干涉光束，第二子主测量干涉光束经过分光镜反射后被第三光电探测器接收形成第二子主测量干涉信号；第一子主测量干涉信号和第二子主测量干涉信号构成主测量干涉信号；副激光束被反射镜反射进由第二谐振平面镜与第一角锥反射镜构成的第三Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，副测量干涉光束被第二光电探测器接收形成副测量干涉信号。

作为优选，所述的第一谐振平面镜为两端具有第一反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5%~97.6%；所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%。

作为优选，所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%；所述的第三谐振平面镜为中间具有第三反射率且两端具有第四反射率的平面镜，所述第三反射率为90%~97.6%，所述第四反射率为2.5%~97.6%。

本发明还提供一种激光位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1、信号调制模块对激光光源模块进行调制，使其发出两束波长分别为

的激光射进干涉测量模块进行干涉测量；

步骤2、控制处理模块控制干涉测量模块进行干涉测量；波长为

的激光分别射向由第一精密位移台、第一谐振平面镜、第一角锥反射镜和第二精密位移台构成的主Fabry-Perot干涉仪和由第二谐振平面镜、第一角锥反射镜和第二精密位移台构成的副Fabry-Perot干涉仪内进行干涉形成主测量干涉光束和副测量干涉光束，然后分别由第一、二光电探测器接收；

步骤3、控制处理模块控制第二精密位移台移动，使得第一角锥反射镜来回扫描；

步骤4、第一谐振平面镜移动位移

时，由第一光电探测器探测主测量干涉光束， 得到主测量干涉信号；由第二光电探测器探测副测量干涉光束，得到副测量干涉信号；光学 游标解调模块通过光学游标原理对主测量干涉信号与副测量干涉信号进行解调，解调出位 移小数个数M，由控制处理模块计算得到位移小数l：

步骤5、当第二谐振平面镜移动位移超过一个Fabry-Perot干涉峰时，即移动超过一个位移大数，光学游标解调模块解调出位移大数个数N，由控制处理模块计算得到位移大数L：

步骤6、控制处理模块通过计算位移大数、位移小数，再根据以下公式计算得到被 测位移

，

至此求出第一谐振平面镜的运动位移。

作为优选，所述的第一谐振平面镜为两端具有第一反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5%~97.6%；所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%。

本发明还提供一种激光位移测量方法，包括以下步骤：

步骤1、信号调制模块对激光光源模块进行调制，使其发出两束波长分别为

的激光射进干涉测量模块进行干涉测量；

步骤2、控制处理模块控制干涉测量模块进行干涉测量；波长为

的激光被分光板 分成第一子主激光束与第二子主激光束，第一子主激光束、第一子主激光束与波长

的激 光分别射向由第一精密位移台、第三谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台构成的 第一主Fabry-Perot干涉仪，由第一精密位移台、第三谐振平面镜、第二角锥反射镜构成的 第二主Fabry-Perot干涉仪和由第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台构成的 副Fabry-Perot干涉仪内进行干涉形成第一子主测量干涉光束、第二子主测量干涉光束与 副测量干涉光束，然后分别被第一、二、三光电探测器接收；

步骤3、控制处理模块控制第二精密位移台移动，使得第一角锥反射镜来回扫描；

步骤4、第三谐振平面镜移动位移

时，由第一光电探测器探测第一子主测量干 涉光束，得到第一子主测量干涉信号；由第二光电探测器探测副测量干涉光束，得到副测量 干涉信号；由第三光电探测器探测第二子主测量干涉光束，得到第二子主测量干涉信号；

步骤5、光学游标解调模块通过光学游标原理对第一子主测量干涉信号与副测量干涉信号进行解调，解调出位移小数个数M，由控制处理模块计算得到位移小数l：

步骤6、光学游标解调模块对第二子主测量干涉信号进行解调得到位移大数个数，由控制处理模块计算得到位移大数L：

步骤7、控制处理模块通过计算位移大数、位移小数，再根据以下公式计算得到被 测位移

，

至此求出第三谐振平面镜的运动位移，其中，l ₀为机械置零时第一子主测量干涉信号与第二子主测量干涉信号之间的光强峰位移差值。

作为优选，所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%；所述的第三谐振平面镜为中间具有第三反射率且两端具有第四反射率的平面镜，所述第三反射率为90%~97.6%，所述第四反射率为2.5%~97.6%。

本发明具有的有益效果是：

（1）本发明通过主副测量激光束之间存在一定波长差，采用光学游标原理进行位移解析，能实现亚皮米级分辨力的位移测量。

（2）本发明采用的Fabry-Perot干涉仪实现位移大小数结合测量位移，能够克服Fabry-Perot腔无法满足长距离干涉测量等问题。

（3）本发明，采用的双频双Fabry-Perot腔结构，抗干扰能力强，能够实现长距离高精度的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明激光位移测量装置的工作原理图；

图2是本发明干涉测量模块的光学原理示意图；

图3是本发明干涉测量模块另一种结构的光学原理示意图；

图4是不同波长进行Fabry-Perot干涉形成的干涉峰信号图；

图中：1、干涉测量模块，2、激光光源模块，3、信号调制模块，4、控制处理模块，5、光学游标解调模块，6、第一光电探测器，7、第二光电探测器，8、第一精密位移台，9、第一谐振平面镜，10、第二谐振平面镜，11、第一角锥反射镜，12、第二精密位移台，13、第二角锥反射镜，14、第三谐振平面镜，15、反射镜，16、分光板，17、第三光电探测器，18、分光镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

游标效应最初应用于提高长度测量的分辨率(如游标卡尺)，其工作原理在于巧妙利用主尺与游标的微小比例尺差异来进行长度测量。光学游标原理就是游标效应在光学干涉中的应用，当两个具有波长差的激光进行Fabry-Perot干涉时，会形成两个具有微小差异的干涉信号，与游标卡尺的主尺与游标具有异曲同工之妙。通过对这两个干涉信号进行解调，就能通到光学游标和光学主尺得到亚皮米级分辨力的位移读数。采用Fabry-Perot干涉技术的激光波长测量装置和方法

Fabry-Perot干涉为多光束干涉，根据多光束干涉的公式：

其中，I为透射光光强，a为入射光光振幅，R为Fabry-Perot腔谐振镜的光强反射 率，d为Fabry-Perot腔腔长，λ为入射光波长。折叠Fabry-Perot腔干涉峰的间隔

与干涉 波长

之间的关系可表示为：

如图4所示，根据干涉激光波长的不同，随着Fabry-Perot腔的变化会出现间距不同的干涉峰。如果两个Fabry-Perot腔的干涉波长非常接近，那么他们分别进行干涉后形成的干涉峰间隔也会非常接近。比如波长为633nm与波长为632.996nm分别进行干涉形成的干涉峰间隔的差值就为1pm。利用这两个具有不同等间隔的干涉峰就能构建光学主尺与光学游标，根据不同的波长差值就能形成不同分辨率的光学游标尺。

如图1所示，本发明提供一种激光位移测量装置包括：干涉测量模块1，激光光源模块2，信号调制模块3，控制处理模块4，光学游标解调模块5组成；所述信号调制模块3对激光光源模块2的激光进行调制，使得激光光源模块2提供给干涉测量模块1两束固定频差的激光。控制处理模块4控制干涉测量模块1进行干涉测量。光学游标解调模块2对干涉测量模块1得到的干涉信号进行解调，解调结果通过控制处理模块4计算得到被测位移；

如图2所示，所述的干涉测量模块1包括第一光电探测器6、第二光电探测器7、第一精密位移台8、第一谐振平面镜9、第二谐振平面镜10、第一角锥反射镜11、第二精密位移台12；激光光源模块2发出两束激光，主激光束与副激光束；主激光束射进由固定于第一精密位移台8上的第一谐振平面镜9与固定于第二精密位移台12上的第一角锥反射镜11构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成主测量干涉光束，主测量干涉光束被第一光电探测器6接收形成主测量干涉信号。副激光束射进由第二谐振平面镜10与第一角锥反射镜11构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束。副测量干涉光束被第二光电探测器7接收形成副测量干涉信号。

记第一精密位移台8、第一谐振平面镜9、第一角锥反射镜11和第二精密位移台12组成的干涉仪为主Fabry-Perot干涉仪，第二谐振平面镜10、第一角锥反射镜11和第二精密位移台12组成的干涉仪为副Fabry-Perot干涉仪；由第二谐振平面镜10与第一角锥反射镜11构成的第二Fabry-Perot腔为主Fabry-Perot干涉仪与副Fabry-Perot干涉仪公共腔体。

由此构成两套干涉仪，通过使主副测量激光束之间存在一定波长差，第一角锥反射镜11来回扫描，构成光学游标，采用大小数结合可准确计算第一谐振平面镜9的位移。

进一步，所述的第一谐振平面镜为两端具有第一反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5%~97.6%；所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%。

本发明还提供一种激光位移测量方法，实施过程如下：

测量开始时，由控制处理模块4控制的信号调制模块3给激光光源模块2施加光源调制信号，使激光光源模块2发出两束波长分别为

、

的激光射进干涉测量模块1进行干涉得到主测量干涉信号、副测量干涉信号，此时的光学游标长度即光学主尺与光学副尺两次对准位置之间的长度，为：

主副测量干涉信号同时送入到光学游标解调模块5中，光学游标解调模块5对主副测量干涉信号进行解调判断，判断主副测量干涉信号是否同时到达干涉峰值。

若主副测量干涉信号没有同时到达干涉峰值，则光学游标解调模块5给控制处理模块4发送未检测到零点的信号，控制处理模块4接收到未检测到零点信号后，控制干涉测量模块1中的第二精密位移台12移动，固定其上的第一角锥反射镜11移动，移动的同时，光学游标解调模块5对主副测量干涉信号进行解调判断，判断其是否同时到达干涉峰值点，判断后将判断结果发送给控制处理模块4。直到判断结果为主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点，控制处理模块4控制第二精密位移台12停止移动，并记下第二精密位移台12此时的位置L ₀。

此时干涉测量模块1形成的主副测量干涉信号都达到干涉峰值点，从而实现对本发明装置的机械置零。

测量时，控制处理模块4控制第一精密位移台8移动，使得固定其上的第一谐振平 面镜9以小于一个主测量干涉信号峰值间隔的步进值移动，每步进一次停止后，控制处理模 块4控制第二精密位移台12从位置L ₀开始向第一谐振平面镜9移动方向扫描一个光学游标 长度

，使得第一角锥反射镜11扫描一个光学游标长度

。

扫描过程中主副测量干涉信号同时送入到光学游标解调模块5中进行解调判断，判断主副测量干涉信号是否同时到达干涉峰值。判断过程中，同时对副测量干涉信号经过的干涉峰值个数进行计数，即对位移小数计数。当主副测量干涉信号同时到达干涉峰值时，光学游标解调模块5将主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点的信号与副测量干涉信号经过的干涉峰值个数M的信号发送到控制处理模块4，控制处理模块4控制第一角锥反射镜11停止扫描，并回到L ₀位置处。同时按照公式（4）进行计算得到位移小数l：

当主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点时副测量干涉信号经过的干涉峰值个数比上一次解调出来的位移小数个数小，此时代表第一谐振平面镜9移动了一个位移大数，控制处理模块4经此类推得出位移大数个数N，通过公式（5）进行计算得到位移大数：

最后控制处理模块4根据公式（6）计算得到被测位移

，然后进行下一次位移测 量。

实施例2

本实施例中，干涉测量模块采用原理图3的装置。如图3所示，所述干涉测量模块1在图2中干涉测量装置基础上增加了一路由第一精密位移台、第三谐振平面镜、第二角锥反射镜构成的Fabry-Perot干涉仪，且采用第二谐振平面镜10替换第一谐振平面镜9。具体包括第一光电探测器6、第二光电探测器7、第一精密位移台8、第二谐振平面镜10、第一角锥反射镜11、第二精密位移台12、第二角锥反射镜13、第三谐振平面镜14、反射镜15、分光板16、第三光电探测器17、分光镜18；激光光源模块2发出两束固定频差的激光，主激光束与副激光束；主激光束被分光板15分成两束激光，即第一子主激光束与第一子主激光束。第一子主激光束被反射进由固定于第一精密位移台8上的第三谐振平面镜14与固定于第二精密位移台12上的第一角锥反射镜11构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成第一子主测量干涉光束，第一子主测量干涉光束经过分光镜17透射后被第一光电探测器6接收形成第一子主测量干涉信号。第二子主激光束被反射进由第三谐振平面镜14与第二角锥反射镜13构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成第二子主测量干涉光束，第二子主测量干涉光束经过分光镜18反射后被第三光电探测器17接收形成第二子主测量干涉信号。第一子主测量干涉信号、第二子主测量干涉信号构成主测量干涉信号。副激光束被反射镜15反射进由第二谐振平面镜10与第一角锥反射镜11构成的第三Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，副测量干涉光束被第二光电探测器7接收形成副测量干涉信号。

进一步，所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%；所述的第三谐振平面镜为中间具有第三反射率且两端具有第四反射率的平面镜，所述第三反射率为90%~97.6%，所述第四反射率为2.5%~97.6%。

本发明还提供一种激光位移测量方法，实施过程如下：

测量开始时，由控制处理模块4控制的信号调制模块3给激光光源模块2施加光源 调制信号，使激光光源模块2发出两束波长分别为

的激光射进干涉测量模块1进行干 涉得到第一子主测量干涉信号 I ₀、第二子主测量干涉信号I ₁、副测量干涉信号I ₂，此时的光 学游标长度为

，即光学主尺与光学副尺两次对准位置之间的长度。

测量干涉信号I ₀、I ₁、I ₂同时送入到光学游标解调模块5中，光学游标解调模块5对测量干涉信号I ₀、I ₁、I ₂进行解调判断，判断测量干涉信号I ₀、I ₂是否同时到达干涉峰值点。

若测量干涉信号I ₀、I ₂没有同时到达干涉峰值点，则光学游标解调模块5给控制处理模块4发送未检测到零点的信号，控制处理模块4接收到未检测到零点信号后，控制干涉测量模块1中的第二精密位移台12移动，固定其上的第一角锥反射镜11移动，移动的同时，光学游标解调模块5对测量干涉信号I ₀、I ₂进行解调判断，判断其是否同时到达干涉峰值点，判断后将判断结果发送给控制处理模块4。直到判断结果为测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点，控制处理模块4控制第二精密位移台12停止移动，并记下第二精密位移台12此时的位置L ₀。

控制处理模块4控制第一精密位移台8移动，使得固定其上的第三谐振平面镜14移动，在这过程中，光学游标解调模块5对第二子主测量干涉信号进行解调判断，当第二子主测量干涉信号到达第一个干涉峰时，控制处理模块4控制第一精密位移台8停止移动。

控制处理模块4控制第二精密位移台12从位置L ₀开始向第三谐振平面镜14移动方 向扫描一个光学游标长度

，使得第一角锥反射镜11扫描一个光学游标长度

。

扫描过程中光学游标解调模块5对测量干涉信号I ₀、I ₂进行解调判断，判断测量干涉信号I ₀、I ₂是否同时到达干涉峰值点。判断过程中，同时对副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数进行计数，即对位移小数计数，当测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点时，光学游标解调模块5将测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点的信号与副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数M的信号发送到控制处理模块4，控制处理模块4通过公式（4）计算得到位移小数，并记住此时解调出来的位移小数l ₀。控制处理模块4控制第二精密位移台12回到位置L ₀处。

此时干涉测量模块1形成的测量干涉信号I ₀、I ₂都达到干涉峰值点，从而实现对本发明装置的机械置零。

测量时，控制处理模块4控制第一精密位移台8移动，使得固定其上的第三谐振平面镜14移动，在这过程中，光学游标解调模块5对第二子主测量干涉信号I ₁经过的干涉峰值个数N进行计数，即对位移大数计数。

第一精密位移台8停止移动后，控制处理模块4控制第二精密位移台12从位置L ₀开 始向第三谐振平面镜14移动方向重复扫描一个光学游标长度

，使得第一角锥反射镜11扫 描一个光学游标长度

。

扫描过程中光学游标解调模块5对测量干涉信号I ₀、I ₂进行解调判断，判断测量干涉信号I ₀、I ₂是否同时到达干涉峰值点。判断过程中，同时对副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数进行计数，即对位移小数计数，当测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点时，光学游标解调模块5将测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点的信号与副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数M的信号以及第二子主测量干涉信号I ₁经过的干涉峰值个数N信号发送到控制处理模块4，控制处理模块4通过公式（4）计算得到位移小数，通过公式（5）计算得到位移大数。

最终的被测位移按照下面的规则给出：

一、当第二子主测量干涉信号没有到达第一个干涉峰时，最终的被测位移为位移小数：

二、当第二子主测量干涉信号经过第一个干涉峰后：

1、l ₀不为零，代表第一角锥反射镜11扫描起点处，第二子主测量干涉信号不在干涉峰的位置，此时：

a、位移小数l大于l ₀时：

b、位移小数l小于l ₀时：

2、l ₀为零，代表第一角锥反射镜11扫描起点处，第二子主测量干涉信号在干涉峰的位置，此时：

最终计算得到被测位移

，然后进行下一次测量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种激光位移测量装置，其特征在于，包括：干涉测量模块、激光光源模块、信号调制模块、控制处理模块、光学游标解调模块；其中，控制处理模块控制信号调制模块给激光光源模块施加光源调制信号，使得激光光源模块提供给干涉测量模块两束固定频差的激光；控制处理模块控制干涉测量模块进行干涉测量，测量时激光在干涉测量模块中的两个Fabry-Perot腔内分别进行干涉并分别被两个光电探测器探测形成主副测量干涉信号；光学游标解调模块对干涉测量模块得到的主副测量干涉信号进行解调，解调结果通过控制处理模块计算得到被测位移，

其中，所述干涉测量模块，包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一精密位移台、第一谐振平面镜、第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台；其中，激光光源模块发出主激光束与副激光束；主激光束射进由固定于第一精密位移台上的第一谐振平面镜与固定于第二精密位移台上的第一角锥反射镜构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成主测量干涉光束，主测量干涉光束被第一光电探测器接收形成主测量干涉信号；副激光束射进由第二谐振平面镜与第一角锥反射镜构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，副测量干涉光束被第二光电探测器接收形成副测量干涉信号；

或者，所述干涉测量模块包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一精密位移台、第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台、第二角锥反射镜、第三谐振平面镜、反射镜、分光板、第三光电探测器、分光镜；其中，激光光源模块发出两束固定频差的主激光束与副激光束；主激光束被分光板分成第一子主激光束与第二子主激光束；第一子主激光束被反射进由固定于第一精密位移台上的第三谐振平面镜与固定于第二精密位移台上的第一角锥反射镜构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成第一子主测量干涉光束，第一子主测量干涉光束经过分光镜透射后被第一光电探测器接收形成第一子主测量干涉信号；第二子主激光束被反射进由第三谐振平面镜与第二角锥反射镜构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成第二子主测量干涉光束，第二子主测量干涉光束经过分光镜反射后被第三光电探测器接收形成第二子主测量干涉信号；第一子主测量干涉信号和第二子主测量干涉信号构成主测量干涉信号；副激光束被反射镜反射进由第二谐振平面镜与第一角锥反射镜构成的第三Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，副测量干涉光束被第二光电探测器接收形成副测量干涉信号。

2.权利要求1所述的激光位移测量装置，其特征在于，所述的第一谐振平面镜为两端具有第一反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5%~97.6%；所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%。

3.权利要求2所述的激光位移测量装置，其特征在于，所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%；所述的第三谐振平面镜为中间具有第三反射率且两端具有第四反射率的平面镜，所述第三反射率为90%~97.6%，所述第四反射率为2.5%~97.6%。

4.一种激光位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、信号调制模块对激光光源模块进行调制，使其发出两束波长分别为

、

的激光射进干涉测量模块进行干涉测量；

步骤2、控制处理模块控制干涉测量模块进行干涉测量；波长为

、

的激光分别射向由第一精密位移台、第一谐振平面镜、第一角锥反射镜和第二精密位移台构成的主Fabry-Perot干涉仪和由第二谐振平面镜、第一角锥反射镜和第二精密位移台构成的副Fabry-Perot干涉仪内进行干涉形成主测量干涉光束和副测量干涉光束，然后分别由第一、二光电探测器接收；

步骤3、控制处理模块控制第二精密位移台移动，使得第一角锥反射镜来回扫描；

步骤4、第一谐振平面镜移动位移

时，由第一光电探测器探测主测量干涉光束，得到主测量干涉信号；由第二光电探测器探测副测量干涉光束，得到副测量干涉信号；光学游标解调模块通过光学游标原理对主测量干涉信号与副测量干涉信号进行解调，解调出位移小数个数M，由控制处理模块计算得到位移小数l：

步骤5、当第一谐振平面镜移动位移超过一个Fabry-Perot干涉峰时，即移动超过一个位移大数，光学游标解调模块解调出位移大数个数N，由控制处理模块计算得到位移大数L：

步骤6、控制处理模块通过计算位移大数、位移小数，再根据以下公式计算得到被测位移

，

至此求出第一谐振平面镜的运动位移；

其中，所述干涉测量模块，包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一精密位移台、第一谐振平面镜、第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台；其中，激光光源模块发出主激光束与副激光束；主激光束射进由固定于第一精密位移台上的第一谐振平面镜与固定于第二精密位移台上的第一角锥反射镜构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成主测量干涉光束，主测量干涉光束被第一光电探测器接收形成主测量干涉信号；副激光束射进由第二谐振平面镜与第一角锥反射镜构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，副测量干涉光束被第二光电探测器接收形成副测量干涉信号；

测量开始时，由控制处理模块控制的信号调制模块给激光光源模块施加光源调制信号，使激光光源模块发出两束波长分别为

、

的激光射进干涉测量模块进行干涉得到主测量干涉信号、副测量干涉信号；主副测量干涉信号同时送入到光学游标解调模块中，光学游标解调模块对主副测量干涉信号进行解调判断，判断主副测量干涉信号是否同时到达干涉峰值；若主副测量干涉信号没有同时到达干涉峰值，则光学游标解调模块给控制处理模块发送未检测到零点的信号，控制处理模块接收到未检测到零点信号后，控制干涉测量模块中的第二精密位移台移动，固定其上的第一角锥反射镜移动，移动的同时，光学游标解调模块对主副测量干涉信号进行解调判断，判断其是否同时到达干涉峰值点，判断后将判断结果发送给控制处理模块；直到判断结果为主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点，控制处理模块控制第二精密位移台停止移动，并记下第二精密位移台此时的位置L ₀；此时干涉测量模块形成的主副测量干涉信号都达到干涉峰值点；

测量时，控制处理模块控制第一精密位移台移动，使得固定其上的第一谐振平面镜以小于一个主测量干涉信号峰值间隔的步进值移动，每步进一次停止后，控制处理模块控制第二精密位移台从位置L ₀开始向第一谐振平面镜移动方向扫描一个光学游标长度

，使得第一角锥反射镜扫描一个光学游标长度

；扫描过程中主副测量干涉信号同时送入到光学游标解调模块中进行解调判断，判断主副测量干涉信号是否同时到达干涉峰值；判断过程中，同时对副测量干涉信号经过的干涉峰值个数进行计数，即对位移小数计数；当主副测量干涉信号同时到达干涉峰值时，光学游标解调模块将主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点的信号与副测量干涉信号经过的干涉峰值个数M的信号发送到控制处理模块，控制处理模块控制第一角锥反射镜停止扫描，并回到L ₀位置处；当主副测量干涉信号同时到达干涉峰值点时副测量干涉信号经过的干涉峰值个数比上一次解调出来的位移小数个数小，此时代表第一谐振平面镜移动了一个位移大数，控制处理模块经此类推得出位移大数个数N；最后控制处理模块计算得到被测位移

，然后进行下一次位移测量。

5.权利要求4所述的激光位移测量方法，其特征在于，所述的第一谐振平面镜为两端具有第一反射率的平面镜，所述第一反射率为2.5%~97.6%；所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%。

6.一种激光位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、信号调制模块对激光光源模块进行调制，使其发出两束波长分别为

、

的激光射进干涉测量模块进行干涉测量；

步骤2、控制处理模块控制干涉测量模块进行干涉测量；波长为

的激光被分光板分成第一子主激光束与第二子主激光束，第一子主激光束、第二 子主激光束与波长

的激光分别射向由第一精密位移台、第三谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台构成的第一主Fabry-Perot干涉仪，由第一精密位移台、第三谐振平面镜、第二角锥反射镜构成的第二主Fabry-Perot干涉仪和由第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台构成的副Fabry-Perot干涉仪内进行干涉形成第一子主测量干涉光束、第二子主测量干涉光束与副测量干涉光束，然后分别被第一、二、三光电探测器接收；

步骤3、控制处理模块控制第二精密位移台移动，使得第一角锥反射镜来回扫描；

步骤4、第三谐振平面镜移动位移

时，由第一光电探测器探测第一子主测量干涉光束，得到第一子主测量干涉信号；由第二光电探测器探测副测量干涉光束，得到副测量干涉信号；由第三光电探测器探测第二子主测量干涉光束，得到第二子主测量干涉信号；

步骤5、光学游标解调模块通过光学游标原理对第一子主测量干涉信号与副测量干涉信号进行解调，解调出位移小数个数M，由控制处理模块计算得到位移小数l：

步骤6、光学游标解调模块对第二子主测量干涉信号进行解调得到位移大数个数N ，由控制处理模块计算得到位移大数L：

步骤7、控制处理模块通过计算位移大数、位移小数，再根据以下公式计算得到被测位移

，

至此求出第三谐振平面镜的运动位移，其中，l ₀为机械置零时第一子主测量干涉信号与第二子主测量干涉信号之间的光强峰位移差值；

其中，所述干涉测量模块包括：第一光电探测器、第二光电探测器、第一精密位移台、第二谐振平面镜、第一角锥反射镜、第二精密位移台、第二角锥反射镜、第三谐振平面镜、反射镜、分光板、第三光电探测器、分光镜；其中，激光光源模块发出两束固定频差的主激光束与副激光束；主激光束被分光板分成第一子主激光束与第二子主激光束；第一子主激光束被反射进由固定于第一精密位移台上的第三谐振平面镜与固定于第二精密位移台上的第一角锥反射镜构成的第一Fabry-Perot腔内进行干涉形成第一子主测量干涉光束，第一子主测量干涉光束经过分光镜透射后被第一光电探测器接收形成第一子主测量干涉信号；第二子主激光束被反射进由第三谐振平面镜与第二角锥反射镜构成的第二Fabry-Perot腔内进行干涉形成第二子主测量干涉光束，第二子主测量干涉光束经过分光镜反射后被第三光电探测器接收形成第二子主测量干涉信号；第一子主测量干涉信号和第二子主测量干涉信号构成主测量干涉信号；副激光束被反射镜反射进由第二谐振平面镜与第一角锥反射镜构成的第三Fabry-Perot腔内进行干涉形成副测量干涉光束，副测量干涉光束被第二光电探测器接收形成副测量干涉信号；

测量开始时，由控制处理模块控制的信号调制模块给激光光源模块施加光源调制信号，使激光光源模块发出两束波长分别为

、

的激光射进干涉测量模块进行干涉得到第一子主测量干涉信号I ₀、第二子主测量干涉信号I ₁、副测量干涉信号I ₂；测量干涉信号I ₀、I ₁、I ₂同时送入到光学游标解调模块中，光学游标解调模块对测量干涉信号I ₀、I ₁、I ₂进行解调判断，判断测量干涉信号I ₀、I ₂是否同时到达干涉峰值点；若测量干涉信号I ₀、I ₂没有同时到达干涉峰值点，则光学游标解调模块给控制处理模块发送未检测到零点的信号，控制处理模块接收到未检测到零点信号后，控制干涉测量模块中的第二精密位移台移动，固定其上的第一角锥反射镜移动，移动的同时，光学游标解调模块对测量干涉信号I ₀、I ₂进行解调判断，判断其是否同时到达干涉峰值点，判断后将判断结果发送给控制处理模块，直到判断结果为测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点，控制处理模块控制第二精密位移台停止移动，并记下第二精密位移台此时的位置L ₀；控制处理模块控制第一精密位移台移动，使得固定其上的第三谐振平面镜移动，在这过程中，光学游标解调模块对第二子主测量干涉信号进行解调判断，当第二子主测量干涉信号到达第一个干涉峰时，控制处理模块控制第一精密位移台停止移动；控制处理模块控制第二精密位移台从位置L ₀开始向第三谐振平面镜移动方向扫描一个光学游标长度

，使得第一角锥反射镜扫描一个光学游标长度

；扫描过程中光学游标解调模块对测量干涉信号I ₀、I ₂进行解调判断，判断测量干涉信号I ₀、I ₂是否同时到达干涉峰值点；判断过程中，同时对副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数进行计数，即对位移小数计数，当测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点时，光学游标解调模块将测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点的信号与副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数M的信号发送到控制处理模块，控制处理模块计算得到位移小数，并记住此时解调出来的位移小数l；控制处理模块控制第二精密位移台回到位置L ₀处；此时干涉测量模块形成的测量干涉信号I ₀、I ₂都达到干涉峰值点；

测量时，控制处理模块控制第一精密位移台移动，使得固定其上的第三谐振平面镜移动，在这过程中，光学游标解调模块对第二子主测量干涉信号I ₁经过的干涉峰值个数N进行计数，即对位移大数计数；第一精密位移台停止移动后，控制处理模块控制第二精密位移台从位置L ₀开始向第三谐振平面镜移动方向重复扫描一个光学游标长度

，使得第一角锥反射镜扫描一个光学游标长度

；扫描过程中光学游标解调模块对测量干涉信号I ₀、I ₂进行解调判断，判断测量干涉信号I ₀、I ₂是否同时到达干涉峰值点；判断过程中，同时对副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数进行计数，即对位移小数计数，当测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点时，光学游标解调模块将测量干涉信号I ₀、I ₂同时到达干涉峰值点的信号与副测量干涉信号I ₂经过的干涉峰值个数M的信号以及第二子主测量干涉信号I ₁经过的干涉峰值个数N信号发送到控制处理模块，控制处理模块计算得到位移小数，进而计算得到位移大数。

7.权利要求6所述的激光位移测量方法，其特征在于，所述的第二谐振平面镜为中间全透射且两端具有第二反射率的平面镜，所述第二反射率为2.5%~97.6%；所述的第三谐振平面镜为中间具有第三反射率且两端具有第四反射率的平面镜，所述第三反射率为90%~97.6%，所述第四反射率为2.5%~97.6%。

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