本技術屬于物體空間姿態(tài)測量，更具體地，涉及一種緊湊型四光束干涉儀、制造方法及測量方法。

背景技術：

1、一個物體的空間姿態(tài)由6個自由度確定，其中位置狀態(tài)由3個線性量確定，姿態(tài)由3個角度量確定。隨著現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展，航空航天、機械加工與裝配等諸多領域對同時獲取多自由度的空間姿態(tài)參數(shù)提出了迫切的要求。激光干涉測量是實現(xiàn)大范圍高精度長度測量的最有效方法之一，同時高精度激光干涉儀是前沿科學研究和先進制造業(yè)中超精密測量的一個重要工具，例如在引力波探測、慣性傳感、數(shù)控機床和光刻機制造等領域有著巨大的需求。

2、對于激光干涉技術和應用而言，影響其測量精度提升的主要瓶頸為激光干涉測量的方法原理、干涉光源、干涉光學元件、干涉信號處理卡等關鍵單元的特性以及實際測量環(huán)境的穩(wěn)定性。如何通過激光干涉方式穩(wěn)定且精準地測量物體的多個自由度是本領域亟待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的缺陷，本技術的目的在于通過激光干涉方式穩(wěn)定且精準地測量物體的多個自由度。

2、為實現(xiàn)上述目的，第一方面，本技術提供了一種緊湊型四光束干涉儀，包括：玻璃底座、位于同一探測平面的四個光電探測器以及沿第一方向依次設置的兩個光纖準直器、側向位移分光棱鏡、消偏振分光棱鏡和平面反射鏡，第一方向垂直于探測平面；

3、兩個光纖準直器、側向位移分光棱鏡和兩個消偏振分光棱鏡固定于玻璃底座的平面上；

4、兩個光纖準直器用于沿第一方向出射激光以構成兩束激光(兩束激光進入側向位移分光棱鏡)且兩束激光位于第一平面，第一平面平行于玻璃底座的平面；

5、側向位移分光棱鏡用于將兩束激光分為四束激光，四束激光中的兩束位于第一平面，(四束激光中的)另外兩束位于第二平面，第二平面平行于玻璃底座的平面(第一平面與第二平面為不同的平面)；

6、探測平面垂直于玻璃底座的平面且兩個消偏振分光棱鏡位于探測平面上，四個光電探測器中的兩個位于玻璃底座的一側，(四個光電探測器中的)另外兩個位于玻璃底座的另一側；

7、對于同一側的兩個光電探測器，一個位于第一平面，另一個位于第二平面；

8、一個光纖準直器的激光出射口指向一個消偏振分光棱鏡(一個光纖準直器出射的激光所在的直線經(jīng)過一個消偏振分光棱鏡，另一個光纖準直器出射的激光所在的直線經(jīng)過另一個消偏振分光棱鏡)，消偏振分光棱鏡用于透射及反射激光，兩個消偏振分光棱鏡的分光平面所形成的直角開口朝向光纖準直器。

9、此處對上述沿第一方向出射激光以構成兩束激光進行說明，第一方向可以用一個向量來表示向量的起點可以是空間中的一個點，終點則表示方向的指向，光纖準直器出射的激光按該向量的指向進行傳播，且光纖準直器出射的激光的光路與該向量保持平行。一個光纖準直器出射一束激光，另一個光纖準直器出射另一束激光，以構成兩束激光。由于是沿同一方向(第一方向)出射，所以這兩束激光保持平行。

10、此處對上述第一平面和第二平面進行舉例說明，玻璃底座可以是水平放置，第一平面和第二平面均平行于玻璃底座的平面，在垂直高度上，第一平面相對于第二平面為下層，第二平面相對于第一平面為上層，第一平面和第二平面可以構成上下層。相應地，上述四束激光中的兩束位于下層，另外兩束位于上層。

11、此處對上述消偏振分光棱鏡用于透射及反射激光進行說明，對于上述四束激光中任意兩束位于同一平面的第一激光和第二激光，兩個消偏振分光棱鏡用于將第一激光和第二激光透射至平面反射鏡，并將第一激光和第二激光分別反射至第二光電探測器和第一光電探測器，并將平面反射鏡所反射的第一激光和第二激光分別反射至第一光電探測器和第二光電探測器，第一光電探測器和第二光電探測器均能接收到兩束激光，一個光電探測器接收到的兩束激光(第一激光和第二激光)發(fā)生干涉形成一組干涉光束。第一激光和第二激光為四束激光中位于第一平面或第二平面的兩個激光，第一光電探測器和第二光電探測器為四個光電探測器中位于第一平面或第二平面的兩個光電探測器。

12、可以將兩個消偏振分光棱鏡中的一個命名為第一消偏振分光棱鏡，另一個命名為第二消偏振分光棱鏡。

13、此處對上述將第一激光和第二激光透射至平面反射鏡進行說明，該過程具體可以是：第一消偏振分光棱鏡將第一激光透射至平面反射鏡，第二消偏振分光棱鏡將第二激光透射至平面反射鏡。

14、此處對上述第一激光和第二激光分別反射至第二光電探測器和第一光電探測器進行說明，該過程具體可以是：第一消偏振分光棱鏡將第一激光反射至第二消偏振分光棱鏡，再經(jīng)由第二消偏振分光棱鏡透射至位于探測平面的第二光電探測器；第二消偏振分光棱鏡將第二激光反射至第一消偏振分光棱鏡，再經(jīng)由第一消偏振分光棱鏡透射至位于探測平面的第一光電探測器。

15、此處對上述將平面反射鏡所反射的第一激光和第二激光分別反射至第一光電探測器和第二光電探測器進行說明，該過程具體可以是：具體可以是：第一消偏振分光棱鏡將平面反射鏡所反射的第一激光反射至位于探測平面的第一光電探測器；第二消偏振分光棱鏡將平面反射鏡所反射的第二激光反射至位于探測平面的第二光電探測器。

16、可以理解的是，通過四個光電探測器可以獲得四組干涉光束，進而基于四組干涉光束通過相位解調(diào)可以獲得四組干涉光束分別對應的相位變化數(shù)據(jù)，基于四組干涉光束分別對應的相位變化數(shù)據(jù)可以確定多個自由度。

17、同時，兩個光纖準直器、側向位移分光棱鏡和兩個消偏振分光棱鏡固定于玻璃底座的平面上，構成一個緊湊的整體，近似于一體化(也即準單片)，相比于通過分立的光學元器件進行測量的方式，本技術實施例通過采用這種緊湊型設計方式，能夠確保測量的穩(wěn)定性。

18、此外，相比于單光束干涉儀，本技術實施例提供的四光束干涉儀對環(huán)境噪聲具有良好的共模抑制能力，消偏振分光棱鏡的消偏振特性能夠避免對激光偏振產(chǎn)生影響，防止分光比例的改變影響測量結果，而上述緊湊型設計方式、良好的共模抑制能力與消偏振分光棱鏡的消偏振特性相結合，能夠確保測量的精確度，實驗數(shù)據(jù)表明四光束干涉儀具有皮米級和納弧度級的位移測量能力。

19、因此，本技術實施例提供的緊湊型四光束干涉儀通過激光干涉方式能夠穩(wěn)定且精準地測量物體的多個自由度。

20、在一種可能的實現(xiàn)方式中，光纖準直器的尾纖采用保偏光纖。

21、在一種可能的實現(xiàn)方式中，光纖準直器通過玻璃安裝座固定于玻璃底座上，光纖準直器放置于玻璃安裝座的中心穿孔位置。

22、在一種可能的實現(xiàn)方式中，玻璃底座上的部件采用紫外膠固化。

23、具體地，玻璃底座上的部件可以包括玻璃安裝座、光纖準直器、側向位移分光棱鏡和消偏振分光棱鏡。

24、第二方面，本技術提供一種緊湊型四光束干涉儀的制造方法，包括：

25、將光纖準直器放置于玻璃安裝座的中心穿孔位置，以光學平臺為基準，調(diào)節(jié)光纖準直器出射的激光平行于光學平臺，之后將光纖準直器固化于玻璃安裝座；

26、將玻璃底座固定于光學平臺上，保持與光學平臺平行，然后將兩個玻璃安裝座放置于玻璃底座上，調(diào)節(jié)兩個玻璃安裝座使兩個光纖準直器出射的兩束激光相互平行，且平行于光學平臺，之后將兩個玻璃安裝座與玻璃底座固化；

27、沿第一方向，將平面反射鏡放置于玻璃安裝座的正前方，并固定于光學平臺上，以使兩個光纖準直器出射的兩束激光按照原路徑反射回光纖準直器內(nèi)(確保在光纖準直器與平面反射鏡之間無遮擋的情況下，平面反射鏡能夠將光纖準直器所出射的激光按照原路徑反射回光纖準直器內(nèi))，兩個光纖準直器用于沿第一方向出射激光；

28、沿第一方向，將側向位移分光棱鏡放置于兩個玻璃安裝座的正前方，以形成相互平行的四光束，之后將側向位移分光棱鏡與玻璃底座固化，四束激光中的兩束位于第一平面，另外兩束位于第二平面，第一平面和第二平面平行于玻璃底座的平面；

29、沿第一方向，將兩個消偏振分光棱鏡分別放置于側向位移分光棱鏡的正前方，通過調(diào)節(jié)兩個消偏振分光棱鏡和平面反射鏡以使四個光電探測器探測到的干涉光束的對比度達到最大，之后將兩個消偏振分光棱鏡與玻璃底座固化，兩個消偏振分光棱鏡的分光平面保持垂直，兩個消偏振分光棱鏡的分光平面所形成的直角開口朝向光纖準直器，四個光電探測器和消偏振分光棱鏡位于同一探測平面，第一方向垂直于探測平面，且探測平面垂直于玻璃底座的平面。

30、在一種可能的實現(xiàn)方式中，玻璃底座上的部件采用紫外膠固化。

31、第三方面，本技術提供一種緊湊型四光束干涉儀的測量方法，應用于第一方面或第一方面的任一種可能的實現(xiàn)方式所描述的四光束干涉儀，包括：

32、基于四個光電探測器探測到的干涉光束，通過相位解調(diào)獲取第一干涉光束的相位變化數(shù)據(jù)第二干涉光束的相位變化數(shù)據(jù)第三干涉光束的相位變化數(shù)據(jù)和第四干涉光束的相位變化數(shù)據(jù)

33、基于相位變化數(shù)據(jù)和干涉光束的波長，確定平面反射鏡的位移變化量δx(t)，以及基于相位變化數(shù)據(jù)、干涉光束的波長和第一平面與第二平面之間的平行間距，確定平面反射鏡的俯仰角變化量δα(t)，以及基于相位變化數(shù)據(jù)、干涉光束的波長和第一平面與第二平面之間的平行間距，確定平面反射鏡的偏航角變化量δβ(t)；

34、其中，第一干涉光束為位于第一平面且沿第二方向行進的干涉光束，第二干涉光束為位于第一平面且沿第三方向行進的干涉光束，第三干涉光束為位于第二平面且沿第三方向行進的干涉光束，第四干涉光束為位于第二平面且沿第二方向行進的干涉光束，第二方向是以玻璃底座的平面作為旋轉平面將第一方向逆時針旋轉90度所確定的方向，第三方向是以玻璃底座的平面作為旋轉平面將第一方向順時針旋轉90度所確定的方向。

35、示例性地，對于上述四個光電探測器中的兩個位于玻璃底座的一側，另外兩個位于玻璃底座的另一側，這其中提到的兩側，可以將從玻璃底座沿第二方向看過去的一側稱為玻璃底座的左側，以及將從玻璃底座沿第三方向看過去的一側稱為玻璃底座的右側。

36、在一種可能的實現(xiàn)方式中，上述基于相位變化數(shù)據(jù)和干涉光束的波長，確定平面反射鏡的位移變化量δx(t)，包括通過以下公式確定位移變化量δx(t)：

37、

38、其中，λ表示干涉光束的波長，t表示時刻。

39、在一種可能的實現(xiàn)方式中，上述基于相位變化數(shù)據(jù)、干涉光束的波長和第一平面與第二平面之間的平行間距，確定平面反射鏡的俯仰角變化量δα(t)，包括通過以下公式確定俯仰角變化量δα(t)：

40、

41、其中，λ表示干涉光束的波長，d表示第一平面與第二平面之間的平行間距，t表示時刻。

42、在一種可能的實現(xiàn)方式中，上述基于相位變化數(shù)據(jù)、干涉光束的波長和第一平面與第二平面之間的平行間距，確定平面反射鏡的偏航角變化量δβ(t)，包括通過以下公式確定偏航角變化量δβ(t)：

43、

44、其中，λ表示干涉光束的波長，d表示第一平面與第二平面之間的平行間距，t表示時刻。

45、總體而言，通過本技術所構思的以上技術方案與現(xiàn)有技術相比，具有以下有益效果：

46、(1)通過四個光電探測器可以獲得四組干涉光束，進而基于四組干涉光束通過相位解調(diào)可以獲得四組干涉光束分別對應的相位變化數(shù)據(jù)，基于四組干涉光束分別對應的相位變化數(shù)據(jù)可以確定多個自由度。

47、(2)兩個光纖準直器、側向位移分光棱鏡和兩個消偏振分光棱鏡固定于玻璃底座的平面上，構成一個緊湊的整體，近似于一體化(也即準單片)，相比于通過分立的光學元器件進行測量的方式，本技術實施例通過采用這種緊湊型設計方式，能夠確保測量的穩(wěn)定性。

48、(3)相比于單光束干涉儀，本技術實施例提供的四光束干涉儀對環(huán)境噪聲具有良好的共模抑制能力，消偏振分光棱鏡的消偏振特性能夠避免對激光偏振產(chǎn)生影響，防止分光比例的改變影響測量結果，而上述緊湊型設計方式、良好的共模抑制能力與消偏振分光棱鏡的消偏振特性相結合，能夠確保測量的精確度，實驗數(shù)據(jù)表明四光束干涉儀具有皮米級和納弧度級的位移測量能力。