專利名稱：基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法與裝置。
背景技術(shù)：
激光外差干涉測量因其具有抗干擾能力強、測量范圍大、信噪比高和易于實現(xiàn)高精度等特點而被廣泛應(yīng)用于超精密加工、光刻機以及三坐標測量機等領(lǐng)域。隨著超精密工程的不斷發(fā)展，對加工精度和生產(chǎn)效率提出越來越高的要求；同時也對外差干涉測量的測量精度、分辨率和速度都提出了新的挑戰(zhàn)。在激光外差干涉測量中，非線性誤差嚴重限制了測量精度和分辨率的進一步提高，國內(nèi)外學(xué)者對激光外差干涉非線性誤差進行了大量的研究。非線性誤差源于干涉光路 中的光學(xué)混疊，傳統(tǒng)的干涉測量系統(tǒng)無法避免干涉測量中的光學(xué)混疊，限制了其測量精度和分辨率的提高。T. L. Schmitz 和 J. F. Beckwith 提出了一種干涉儀改造的方法(Ascousto-opticdisplacement—measureing interferometer a new heterodyne interferometer withAnstromlevel periodic error. Journal of Modern Optics 49,pages 2105-2114)。相較于傳統(tǒng)的測量方法，該方法將聲光移頻器作為分光鏡，將測量光束和參考光束進行分離。該方法可以減小參考光和測量光的頻率混疊，有利于減小測量的非線性誤差，從而提高測量精度和分辨率。但是，該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且特殊，無法廣泛應(yīng)用于超精密加工與測量中。Ki-Nam Joo等研制了一種新型激光干涉測量結(jié)構(gòu)(Simple heterodyne laserinterferometer with subnanometer periodic errors. Optics Letters/Vol. 34, No. 3/February 1,2009) 0該結(jié)構(gòu)是參考光束與測量光束在空間上分離，消除了干涉測量中的頻率混疊，完全消除非線性誤差，從而提高測量精度以及測量分辨率。此外，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，相較于前一種測量方法，更有利于在超精密測量領(lǐng)域的應(yīng)用。但是該方法測量速度依舊受光源頻差的制約，限制了其在高速測量領(lǐng)域的廣泛使用。以上幾種干涉測量方法及裝置均存在測量速度受光源頻差制約的問題。隨著超精密加工對測量速度要求的不斷提高，干涉儀光源的頻差也不斷地增大，從而導(dǎo)致激光光源的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，成本越來越昂貴，嚴重限制了激光干涉測量的廣泛應(yīng)用。而且測量分辨率與測量速度存在沖突。為了同時提高干涉儀的測量速度與分辨率，國內(nèi)外學(xué)者對信號處理系統(tǒng)進行了大量的研究并提出了相應(yīng)的解決方案，但現(xiàn)有信號處理系統(tǒng)一般都結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴且需要很多特殊設(shè)計的芯片；并且受現(xiàn)有半導(dǎo)體芯片水平的限制，干涉測量性能提升困難。綜上所述，現(xiàn)有激光外差干涉測量方法均無法同時滿足超精密加工測量對干涉儀的高精度和高測量速度的要求，嚴重限制了超精密加工測量領(lǐng)域的發(fā)展。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有激光外差干涉儀的缺陷，本發(fā)明提出了一種基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法與裝置，提高激光外差干涉的測量精度，解決激光光源頻差對測量速度限制的問題。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法，該方法步驟如下(I)穩(wěn)頻激光器輸出兩束頻率分別為f\、f2的平行光束；(2)兩平行光束的一部分直接經(jīng)探測后轉(zhuǎn)換為激光外差干涉測量的參考信號，其頻差值為 fb = ，表示為 Ir 00 COS (2 31 fbt)；
(3)兩束平行光束的另一部分被分光鏡分為兩部分，反射部分作為參考光束，透射部分作為測量光束；(4)參考光束中，頻率分別為f\、f2的兩參考光束經(jīng)反射棱鏡及參考棱鏡反射后，返回分光鏡；(5)測量光束中，頻率分別為f\、f2的兩光束被偏振分光鏡透射，然后經(jīng)四分之一波片和平面反射鏡作用后返回偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°，被偏振分光鏡反射，然后再被測量棱鏡反射回偏振分光鏡，經(jīng)偏振分光鏡反射后，再次經(jīng)四分之一波片和平面反射鏡作用返回偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向又旋轉(zhuǎn)了 90°，被偏振分光鏡透射返回分光鏡；(6)通過調(diào)節(jié)參考棱鏡和測量棱鏡使得頻率為的測量光束與頻率為f2的參考光束進行干涉，產(chǎn)生一路測量信號，表示為Iml~cos [2 π (fb+Af)t];頻率為f2的測量光束與頻率為的參考光束進行干涉，產(chǎn)生另一路測量信號，表示為Im2 - cos [2 π (fb-Af)t],兩測量信號具有大小相同、符號相反的多普勒頻移，其頻率分別為fb+Af和fb-Af ;(7)兩測量信號經(jīng)光電探測器探測后分別送入兩個相同的相位計A和相位計B，其中，相位計A用于處理頻率為fb+Af的測量信號，相位計B用于處理頻率為fb_Af的測量信號;(8)根據(jù)被測目標端平面反射鏡的運動方向和運動速度，使用開關(guān)電路在相位計A和相位計B之間進行選擇；(9)根據(jù)所選擇的相位計A或者相位計B對被測目標的位移進行計算。所述的穩(wěn)頻激光器輸出的兩平行光束為水平線偏振光或垂直線偏振光。所述的相位計在使用開關(guān)電路進行選擇時，當被測量目標端平面反射鏡正向運動速度高于設(shè)定值V1時，選擇相位計B ;當被測量目標端平面反射鏡負向運動速度高于設(shè)定值％時，選擇相位計A ;其中，設(shè)被測量目標端平面鏡遠離第二個偏振分光鏡的方向為正方向。一種基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量裝置，該裝置包括穩(wěn)頻激光器、分光鏡、偏振分光鏡、測量棱鏡、四分之一波片、平面反射鏡、光電探測器A、光電探測器B，該裝置還包括反射棱鏡、參考棱鏡、相位計A、相位計B、開關(guān)電路、測量電路，其中，分光鏡位于穩(wěn)頻激光器輸出端；反射棱鏡位于分光鏡的反射方向，參考棱鏡位于反射棱鏡的反射方向；偏振分光鏡位于分光鏡的透射方向；測量棱鏡位于偏振分光鏡的反射方向；偏振分光鏡的透射方向上依次放置四分之一波片和平面反射鏡；分光鏡輸出兩路干涉測量光束，其中一路接光電探測器A，另一路接光電探測器B ;光電探測器A的輸出端接相位計A輸入端，光電探測器B輸出端接相位計B輸入端；穩(wěn)頻激光器的參考信號輸出端分別與相位計A和相位計B的輸入端連接，相位計A和相位計B輸出端同時接開關(guān)電路輸入端；開關(guān)電路的輸出端與測量電路連接。所述的參考棱鏡為角錐棱鏡，同時測量棱鏡為直角棱鏡。所述的參考棱鏡為直角棱鏡，同時測量棱鏡為角錐棱鏡。所述的參考棱鏡由兩個角錐棱鏡組成，同時測量棱鏡為角錐棱鏡。所述的參考棱鏡為角錐棱鏡，同時測量棱鏡由兩個角錐棱鏡組成。所述的補償光路中，光束在反射棱鏡內(nèi)單次反射的光程為分光鏡內(nèi)單次反射光程的兩倍。本發(fā)明具有以下特點及良好效果(I)本發(fā)明中，參考光與測量光在空間上是分離的，在到達探測器之前沒出現(xiàn)過重疊，消除了干涉儀的非線性誤差產(chǎn)生的根源。(2)傳統(tǒng)干涉儀中采用偏振分光棱鏡進行光束分離，干涉鏡組調(diào)節(jié)難度高且成本高；本發(fā)明中改用普通非偏振分光棱鏡代替偏振分光棱鏡，因其對激光光源的偏振態(tài)變化不敏感，從而大大降低了干涉鏡組的調(diào)節(jié)難度，同時，使用非偏振分光棱鏡能夠降低干涉儀成本。(3)本發(fā)明中，干涉儀產(chǎn)生的兩個測量信號具有大小相同、符號相反的多普勒頻 移，根據(jù)物體運動方向?qū)蓽y量信號進行選擇，可以保證多普勒頻移始終使頻差增加。相較于傳統(tǒng)的干涉儀，本發(fā)明中的干涉儀使測量速度不再受激光光源頻差的限制，傳統(tǒng)的小頻差激光器也可以應(yīng)用于高速測量中。(4)本發(fā)明中，由于激光頻差較小，信號處理系統(tǒng)可以利用普通時鐘信號獲得高分辨率，簡化了信號測量系統(tǒng)的設(shè)計，降低了系統(tǒng)的成本。


附圖為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意中，I穩(wěn)頻激光器、2分光鏡、3反射棱鏡、4參考棱鏡、5偏振分光鏡、6測量棱鏡、7四分之一波片、8測量平面反射鏡、9光電探測器A、10光電探測器B、ll相位計A、12相位計B、13開關(guān)電路、14測量電路。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實例進行詳細的描述。一種基于光路補償?shù)母咚俪芗す馔獠罡缮鏈y量裝置，該裝置包括穩(wěn)頻激光器
I、分光鏡2、偏振分光鏡5、測量棱鏡6、四分之一波片7、測量平面反射鏡8、光電探測器A9、光電探測器B10，該裝置還包括反射棱鏡3、參考棱鏡4、相位計Al I、相位計B12、開關(guān)電路13、測量電路14,其中，分光鏡2位于穩(wěn)頻激光器I輸出端；反射棱鏡3位于分光鏡2的反射方向，參考棱鏡4位于反射棱鏡3的反射方向；偏振分光鏡5位于分光鏡2的透射方向；測量棱鏡6位于偏振分光鏡5的反射方向；偏振分光鏡5的透射方向上依次放置四分之一波片7和平面反射鏡8 ;分光鏡2輸出兩路干涉測量光束，其中一路接光電探測器A9，另一路接光電探測器BlO ;光電探測器A9的輸出端接相位計All輸入端，光電探測器BlO輸出端接相位計B12輸入端；穩(wěn)頻激光器I的參考信號輸出端分別與相位計All和相位計B12的輸入端連接，相位計AU、相位計B12輸出端同時接開關(guān)電路13輸入端；開關(guān)電路13的輸出端與測量電路14連接。—種基于光路補償?shù)母咚俪芗す馔獠罡缮鏈y量方法，該方法步驟如下(I)穩(wěn)頻激光器I輸出兩束頻率分別為f\、f2的平行光束；(2)兩平行光束的一部分直接經(jīng)探測后轉(zhuǎn)換為激光外差干涉測量的參考信號，其頻差值為 fb = ，表示為 Ir 00 cos (2 31 fbt)；(3)兩束平行光束的另一部分被分光鏡2分為兩部分，反射部分作為參考光束，透射部分作為測量光束；(4)參考光束中，頻率分別為f\、f2的兩參考光束經(jīng)反射棱鏡3及參考棱鏡4反射 后，返回分光鏡；(5)測量光束中，頻率分別為f\、f2的兩光束被偏振分光鏡5透射，然后經(jīng)四分之一波片7和平面反射鏡8作用后返回偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°，被偏振分光鏡5反射,然后再被測量棱鏡6反射回偏振分光鏡5,經(jīng)偏振分光鏡5反射后，再次經(jīng)四分之一波片7和平面反射鏡8作用返回偏振分光鏡5，此時測量光束的偏振方向又旋轉(zhuǎn)了 90° ,被偏振分光鏡5透射返回分光鏡2 ；(6)通過調(diào)節(jié)參考棱鏡4和測量棱鏡6使得頻率為的測量光束與頻率為f2的參考光束進行干涉，產(chǎn)生一路測量信號，表示為Iml ~ cos [2 π (fb+Af)t];頻率為&的測量光束與頻率為的參考光束進行干涉，產(chǎn)生另一路測量信號，表示為Im2 - cos[2 π (fb-Af)t]，兩測量信號具有大小相同、符號相反的多普勒頻移，其頻率分別為fb+Λ f和fb-Λ f ;(7)兩測量信號分別被光電探測器A9和光電探測器BlO探測；(8)光電探測器A 9輸出頻率為fb+Af的測量信號，并將信號送入相位計All中進行處理；(9)光電探測器BlO輸出頻率為fb_A f的測量信號，并將信號送入相位計B12中進行處理；(10)相位計All和相位計B12的處理信號同時送入開關(guān)電路13，根據(jù)被測目標的運動方向和運動速度在兩相位計之間進行選擇；相位計All和相位計B12的測量范圍存在一部分重疊。將該重疊部分做為相位計切換的“滯回區(qū)”，當被測目標運動速度高于“滯回區(qū)”的上限Vth時，由相位計All切換為相位計B12，相位計B12輸出被送入相位累加器。同理，當被測目標運動速度低于“滯回區(qū)”的下限-Vth時，由相位計B12切換回相位計AU。當被測目標速度在“滯回區(qū)”內(nèi)時，不進行相位計切換操作，從而消除了電路噪聲和速度噪聲對切換操作的影響。(11)將經(jīng)過開關(guān)電路13選擇后的信號送入測量電路14中進行處理，從而獲得被測目標的運動信息。
權(quán)利要求
1.一種基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法，其特征在于該方法步驟如下 (1)穩(wěn)頻激光器輸出兩束頻率分別為f\、f2的平行光束； (2)兩平行光束的一部分直接經(jīng)探測后轉(zhuǎn)換為激光外差干涉測量的參考信號，其頻差值為 fb = ，表示為 Ir 00 COS (2 31 fbt)； (3)兩束平行光束的另一部分被分光鏡分為兩部分，反射部分作為參考光束，透射部分作為測量光束； (4)參考光束中，頻率分別為f\、f2的兩參考光束經(jīng)反射棱鏡及參考棱鏡反射后，返回分光鏡； (5)測量光束中，頻率分別為f\、f2的兩光束被偏振分光鏡透射，然后經(jīng)四分之一波片和平面反射鏡作用后返回偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°，被偏振分光鏡反射，然后再被測量棱鏡反射回偏振分光鏡，經(jīng)偏振分光鏡反射后，再次經(jīng)四分之一波片和平面反射鏡作用返回偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向又旋轉(zhuǎn)了 90°，被偏振分光鏡透射返回分光鏡； (6)通過調(diào)節(jié)參考棱鏡和測量棱鏡使得頻率為的測量光束與頻率為f2的參考光束進行干涉，產(chǎn)生一路測量信號，表示為Iml~cos [2 π (fb+Af)t];頻率為&的測量光束與頻率為的參考光束進行干涉，產(chǎn)生另一路測量信號，表示為Im2 - cos [2 π (fb_Af)t]，兩測量信號具有大小相同、符號相反的多普勒頻移，其頻率分別為fb+Af和fb_Af ; (7)兩測量信號經(jīng)光電探測器探測后分別送入兩個相同的相位計A和相位計B，其中，相位計A用于處理頻率為fb+Af的測量信號，相位計B用于處理頻率為fb_ Af的測量信號; (8)根據(jù)被測目標端平面反射鏡的運動方向和運動速度，使用開關(guān)電路在相位計A和相位計B之間進行選擇； (9)根據(jù)所選擇的相位計A或者相位計B對被測目標的位移進行計算。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法，其特征在于穩(wěn)頻激光器輸出的兩平行光束為水平線偏振光或垂直線偏振光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法，其特征在于使用開關(guān)電路進行選擇時，當被測量目標正向運動速度高于設(shè)定值V1時，選擇相位計B ;當被測量目標負向運動速度高于設(shè)定值V2時，選擇相位計A ;其中，設(shè)被測量目標端的平面反射鏡遠離偏振分光鏡的方向為正方向。
4.一種基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量裝置，該裝置包括穩(wěn)頻激光器(I)、分光鏡(2)、偏振分光鏡(5)、測量棱鏡(6)、四分之一波片(7)、平面反射鏡(8)、光電探測器A (9)、光電探測器B(10)，其特征在于該裝置還包括反射棱鏡(3)、參考棱鏡(4)、相位計A(Il)、相位計B(12)、開關(guān)電路(13)、測量電路(14)，其中，分光鏡⑵位于穩(wěn)頻激光器(I)輸出端；反射棱鏡(3)位于分光鏡(2)的反射方向，參考棱鏡(4)位于反射棱鏡(3)的反射方向；偏振分光鏡(5)位于分光鏡(2)的透射方向；測量棱鏡(6)位于偏振分光鏡(5)的反射方向；偏振分光鏡(5)的透射方向上依次放置四分之一波片(7)和平面反射鏡(8);分光鏡(2)輸出兩路干涉測量光束，其中一路接光電探測器A(9)，另一路接光電探測器B(IO);光電探測器A(9)的輸出端接相位計A(Il)輸入端，光電探測器B(IO)輸出端接相位計B(12)輸入端，穩(wěn)頻激光器(I)的參考信號輸出端分別與相位計A(Il)和相位計B(12)的輸入端連接，相位計A(Il)和相位計B(12)輸出端同時接開關(guān)電路(13)輸入端；開關(guān)電路(13)的輸出端與測量電路(14)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量裝置，其特征在于參考棱鏡(4)為角錐棱鏡，測量棱鏡(6)為直角棱鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量裝置，其特征在于參考棱鏡(4)為直角棱鏡，測量棱鏡(6)為角錐棱鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量裝置，其特征在于參考棱鏡(4)由兩個角錐棱鏡組成，測量棱鏡(6)為角錐棱鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量裝置，其特征在于參考棱鏡(4)為角錐棱鏡，測量棱鏡￠)由兩個角錐棱鏡組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量裝置，其特征在于光束在反射棱鏡(3)內(nèi)單次反射的光程為分光鏡(2)內(nèi)單次反射光程的兩倍。
全文摘要
基于光路補償?shù)募す馔獠罡缮鏈y量方法與裝置屬于激光應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域；本發(fā)明采用了空間分離的參考光和測量光，并進行光路補償設(shè)計，同時該方法產(chǎn)生了兩個具有相反多普勒頻移的干涉測量信號，并根據(jù)被測目標的運動方向和速度，選擇性使用兩測量信號來進行干涉測量；本發(fā)明不僅減小了溫度變化對測量的影響，而且消除了干涉儀中的頻率混疊現(xiàn)象，提高了外差干涉測量的測量精度；同時解決了激光光源頻差對測量速度限制的問題。
文檔編號G01B11/02GK102865820SQ20121034702
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月19日
發(fā)明者譚久彬, 刁曉飛, 胡鵬程, 楊千惠, 白洋 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)