專利名稱：一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)，具體涉及一種可以應(yīng)用于納米級準(zhǔn)確度非接觸式微位移測量的基于貓眼反射原理的平衡式干涉儀光學(xué)系統(tǒng)，屬于幾何量計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用，對非接觸式微位移測量技術(shù)提出了迫切需求。激光干涉測量技術(shù)以其量值可溯源、測量分辨力高等特點(diǎn)，一直在高準(zhǔn)確度微位移測量中占主導(dǎo)地位，其測量準(zhǔn)確度可達(dá)到納米量級。但是，在干涉測量中通常采用的用角錐棱鏡實(shí)現(xiàn)測量光束180°轉(zhuǎn)折的方法，已無滿足一些特殊場合的使用要求。例如在微小結(jié)構(gòu)的微位移測量中，角錐棱鏡會因其體積和重量而使應(yīng)用受到限制；在材料線膨脹系數(shù)測量中，由于接 觸變形、熱傳導(dǎo)等原因，不適于將角錐棱鏡與被測件接觸；再如在振動測量中，有時也不適于采用角錐棱鏡。在這些情況下，就需要用一種非接觸方法來實(shí)現(xiàn)測量光束的逆向反射。用透鏡-反射鏡式貓眼反射鏡作為干涉儀的測量鏡進(jìn)行微位移測量，可以將測量光束直接會聚在被測物體表面，從而實(shí)現(xiàn)非接觸測量，解決不適于安裝角錐棱鏡的場合的高精度微位移測量問題。然而，在采用貓眼反射原理測量位移的過程中，被測位移所引起的反射面離焦會使測量光束的波面發(fā)生變形，從而導(dǎo)致位移測量誤差。該問題一直限制著這種方法在高準(zhǔn)確度測量中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有干涉測量技術(shù)的局限，解決不適于使用角錐棱鏡的情況的微位移測量問題，提供了一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)。具有雙光程平衡式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對貓眼反射鏡引入的位移測量誤差進(jìn)行修正。該系統(tǒng)突破了基于貓眼反射原理的微位移干涉測量方法的原理性精度限制，可以用于實(shí)現(xiàn)納米級準(zhǔn)確度非接觸式微位移測量。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)，包括:穩(wěn)頻激光光源，小偏振分光鏡，直角棱鏡，半波片，角錐棱鏡，1/4波片,透鏡,平面反射鏡,大偏振分光鏡，偏振片和光電接收器；連接關(guān)系:以大偏振分光鏡為中心，說明該系統(tǒng)各組成部分之間的位置關(guān)系；大偏振分光鏡的左側(cè)為兩組上下并排放置的小偏振分光鏡和直角棱鏡的組合，小偏振分光鏡和直角棱鏡膠合在一起或緊貼著放置，兩組鏡子的總寬度約等于大偏振分光鏡的寬度；在大偏振分光鏡與每個直角棱鏡之間，各放置一個半波片；下面的小偏振分光鏡的左側(cè)為穩(wěn)頻激光光源，上面的小偏振分光鏡的左側(cè)依次為偏振片和光電接收器；大偏振分光鏡的下方為直角棱鏡；大偏振分光鏡的右側(cè)為1/4波片，1/4波片的右側(cè)依次放置透鏡、平面反射鏡和被測物；被測物的前表面位于透鏡的焦面上；平面反射鏡的中部開孔，以允許透鏡和被測物之間的光束通過；透鏡與平面反射鏡中部的開孔對應(yīng)平行。工作過程為:從穩(wěn)頻激光光源發(fā)出的光束，被小偏振分光鏡分為兩束，透過該小偏振分光鏡的光束為測量光束，被該小偏振分光鏡反射的光束為參考光束。測量光束經(jīng)過大偏振分光鏡和1/4波片后，被透鏡會聚在被測物的表面。透鏡和被測物的反射表面組成貓眼反射系統(tǒng)。測量光束在被測物的表面反射后，再次經(jīng)過1/4波片，由于兩次經(jīng)過1/4波片，光束偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，因此，當(dāng)它回到大偏振分光鏡時，被該偏振分光鏡反射。測量光束經(jīng)過角錐棱鏡反射后，回到大偏振分光鏡時仍然被反射。然后，測量光束再次依次經(jīng)過1/4波片、透鏡、被測物、透鏡和1/4波片。其偏振方向又旋轉(zhuǎn)了90°，因此，它透過大偏振分光鏡。然后，測量光束經(jīng)過半波片，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，經(jīng)直角棱鏡轉(zhuǎn)折后，到達(dá)小偏振分光鏡，被反射。參考光束經(jīng)直角棱鏡轉(zhuǎn)折后，通過半波片，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，然后通過大偏振分光鏡和1/4波片，到達(dá)平面反射鏡。被該反射鏡反射后，該光束經(jīng)過1/4波片，回到大偏振分光鏡。與測量光束一樣，它也被該偏振分光鏡反射，經(jīng)角錐棱鏡反射后，回到大偏振分光鏡，仍然被反射。然后，參考光束再次依次經(jīng)過1/4波片、平面反射鏡、1/4波片、大偏振分光鏡。到小偏振分光鏡后，透過該偏振分光鏡。測量光束和參考光束在小偏振分光鏡處相遇，然后經(jīng)過偏振片。于是，兩束光產(chǎn)生干涉，干涉信號由光電接收器接收。所述裝置還可以將穩(wěn)頻激光光源與偏振片、光電接收器的組合互換位置，此時光束傳播方向與原傳播方向相反。對于貓眼反射鏡引入的位移測量誤差，本發(fā)明利用式(I)所示的誤差修正數(shù)學(xué)模型，對測量結(jié)果進(jìn)行修正，從而有效地提高這種微位移測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度。

權(quán)利要求
1.本發(fā)明的一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)，其特征在于:包括穩(wěn)頻激光光源(I)，小偏振分光鏡(2)，直角棱鏡(3)，半波片(4)，角錐棱鏡(5)，I/4波片(6)，透鏡(7)，平面反射鏡(9),大偏振分光鏡(10),偏振片(11)和光電接收器(12)； 以大偏振分光鏡(10)為中心，說明該系統(tǒng)各組成部分之間的位置關(guān)系；大偏振分光鏡(10)的左側(cè)為兩組上下并排放置的小偏振分光鏡(2)和直角棱鏡(3)的組合,小偏振分光鏡(2)和直角棱鏡(3)膠合在一起或緊貼著放置，兩組鏡子的總寬度約等于大偏振分光鏡(10)的寬度；在大偏振分光鏡(10)與每個直角棱鏡(3)之間,各放置一個半波片(4);下面的小偏振分光鏡(2)的左側(cè)為穩(wěn)頻激光光源(I)，上面的小偏振分光鏡(2)的左側(cè)依次為偏振片(11)和光電接收器(12);大偏振分光鏡(10)的下方為直角棱鏡(5);大偏振分光鏡(10)的右側(cè)為1/4波片，1/4波片的右側(cè)依次放置透鏡(7)、平面反射鏡(9)和被測物(8)；被測物(8)的前表面位于透鏡(7)的焦面上；平面反射鏡(9)的中部開孔，以允許透鏡(7)和被測物(8)之間的光束通過；透鏡(7)與平面反射鏡(9)中部的開孔對應(yīng)平行。
2.如權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)，其特征在于:工作過程為:從穩(wěn)頻激光光源(I)發(fā)出的光束，被小偏振分光鏡(2)分為兩束,透過該小偏振分光鏡的光束為測量光束，被該小偏振分光鏡反射的光束為參考光束；測量光束經(jīng)過大偏振分光鏡(10)和1/4波片(6)后，被透鏡(7)會聚在被測物(8)的表面；透鏡(7)和被測物(8)的反射表面組成貓眼反射系統(tǒng)；測量光束在被測物(8)的表面反射后，再次經(jīng)過1/4波片￠)，由于兩次經(jīng)過1/4波片，光束偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，因此，當(dāng)它回到大偏振分光鏡(10)時，被該偏振分光鏡反射；測量光束經(jīng)過角錐棱鏡(5)反射后，回到大偏振分光鏡(10)時仍然被反射；然后，測量光束再次依次經(jīng)過1/4波片(6)、透鏡(7)、被測物(8)、透鏡(7)和1/4波片(6);其偏振方向又`旋轉(zhuǎn)了 90°，因此，它透過大偏振分光鏡(10);然后，測量光束經(jīng)過半波片，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，經(jīng)直角棱鏡轉(zhuǎn)折后，到達(dá)小偏振分光鏡，被反射； 參考光束經(jīng)直角棱鏡(3)轉(zhuǎn)折后，通過半波片(4)，偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，然后通過大偏振分光鏡(10)和1/4波片(6)，到達(dá)平面反射鏡(9);被該反射鏡反射后，該光束經(jīng)過1/4波片(6),回到大偏振分光鏡(10);與測量光束一樣,它也被該偏振分光鏡反射,經(jīng)角錐棱鏡(5)反射后，回到大偏振分光鏡(10)，仍然被反射；然后，參考光束再次依次經(jīng)過1/4波片(6)、平面反射鏡(9)、1/4波片￠)、大偏振分光鏡(10);到小偏振分光鏡后，透過該偏振分光鏡； 測量光束和參考光束在小偏振分光鏡處相遇，然后經(jīng)過偏振片(11);于是，兩束光產(chǎn)生干涉，干涉信號由光電接收器(12)接收。
3.如權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)，其特征在于:所述裝置還可以將穩(wěn)頻激光光源(I)與偏振片(11)、光電接收器(12)的組合互換位置，此時光束傳播方向與原傳播方向相反。
4.如權(quán)利要求1所述的本發(fā)明的一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)，其特征在于:對于貓眼反射鏡引入的位移測量誤差，本發(fā)明利用式(I)所示的誤差修正數(shù)學(xué)模型，對測量結(jié)果進(jìn)行修正，從而有效地提高這種微位移測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度；
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于貓眼反射原理的干涉微位移測量系統(tǒng)，屬于幾何量計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域。其特征是將貓眼反射原理用于干涉法微位移測量，提出貓眼反射鏡引入的位移測量誤差修正數(shù)學(xué)模型，并采用平衡式雙光程光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。本發(fā)明的誤差修正方法可以將貓眼反射鏡引入的測量誤差減小到納米量級。本系統(tǒng)硬件由穩(wěn)頻激光光源、偏振分光鏡、透鏡-反射鏡式貓眼反射鏡、角錐棱鏡、波片、偏振片、必要的反射鏡和直角棱鏡、以及光電接收器等組成。本系統(tǒng)具有測量分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量等特點(diǎn)，可用于解決無法使用角錐棱鏡的情況下的微位移干涉測量問題，在微位移、微振動、熱膨脹系數(shù)等測量方面有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號G01B11/02GK103105134SQ201310005758
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者任冬梅, 朱振宇, 牛立新, 段小艷 申請人:中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所