CN101629810B - 一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种光学计量领域，涉及一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量方法，该方法在被测对象上放置两个角锥棱镜，对称的放置在特殊几何点的两侧，利用这两点的位移之和可以准确得到中心点位移；该方法利用偏振分光镜将激光器输出光分为测量光和参考光，其中测量光分别经过两个角锥棱镜，在每个角锥棱镜中往返两次，若被测点移动δ，测量光将移动8δ，实现了干涉测量的光学8倍频，提高了测量精度；该方法由于测量光在角锥棱镜中沿原路返回，根据角锥棱镜的特点，即使被测对象在垂直于运动方向的平面内发生移动，并不影响运动方向的测量精度，这使得该方法应用更广泛，可应用于无导轨运动测量等测量对象自由度较多的复杂运动。

Description

一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统及方法

技术领域

本发明属于一种光学计量领域，涉及一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量方法，适用于被测点是被测物的特殊几何点，如被测物是空心，测量点被遮挡或是为敏感区域。

背景技术

1958年激光问世以来，加上现代微电子技术的发展，激光干涉仪已成为目前最精确的长度与位置测量装置之一，随着激光的偏振特性被发现，偏振激光干涉仪被应用在高分辨力位移测量中，它具有光应用效率高的特点；典型的迈克尔逊偏振激光干涉仪原理是将一束圆偏振激光经过偏振分光镜PBS分成P光和S光，它们经参考反射镜和移动反射镜以及四分之一波片后原路返回，并在分光点处重新相遇，最后形成干涉，其中移动反射镜往往与被测对象连成一体，测量时，被测对象必须沿着导轨移动，被测点往往就是移动反射镜所在之处，对于特殊几何点测量无法准确测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术中存在的不足之处，提供一种可应用于无导轨运动测量等测量对象自由度较多的复杂运动以及被测点是被测物的特殊几何点，如被测物是空心，测量点被遮挡或是为敏感区域等。

为达到上述目的，本发明提供一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统及方法。

本发明的技术内容是：

一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统，所述系统包括被测物6，激光器1，角锥棱镜单元，偏振分光单元和相干/接收装置7；

所述的角锥棱镜单元包括2个角锥棱镜组；所述每一个角锥棱镜组包括1个角锥棱镜和1个平面镜；所述角锥棱镜单元中的两个角锥棱镜4和5分别设置在待测特殊几何点的对称两侧，且角锥棱镜4和5入射面平行于被测物表面并垂直于入射光；

在测量中，在所述角锥棱镜单元中的一对平面镜P3，P4的各个反射面分别与角锥棱镜4和5出射面互相平行，角锥棱镜面对面放置。

所述的偏振分光单元包括2个偏振分光组；所述每一个偏振分光组包括1个偏振分光镜，1个平面镜和一对λ/4波片；

所述偏振分光单元的2个偏振分光组分别设置在所述2个角锥棱镜组一侧；每一个偏振分光组的一对λ/4波片分别设置在所述一对偏振分光镜的附近；所述每一个偏振分光组中的平面镜设置在所述该组其中一个λ/4波片的后面。

所述角锥棱镜单元设置在所述被测物表面，所述偏振分光单元放置在所述角锥棱镜单元的一侧；所述激光器设置在所述其中一个偏振分光镜一侧；所述相干/接收装置放置在另一个偏振分光镜一侧；

所述激光器输出的光线通过所述偏振分光镜分为测量光和参考光；所述参考光不经过所述角锥棱镜单元，而通过偏振分光单元后进入所述相干/接收装置；所述测量光依次经过第一偏振分光镜进入第一个角锥棱镜后被平面镜反射，沿原光路再次进入该角锥棱镜返回至第一偏振分光镜，光线从第一偏振分光镜进入第二偏振分光镜，后经过第二个偏振分光镜进入第二个角锥棱镜，后被平面镜反射，沿原光路返回进入第二偏振分光镜后，进入相干/接收装置和所述参考光形成干涉。

上述所说的被测点是被测物的特殊几何点，特殊几何点指被测物是空心，或测量点被遮挡或是为敏感区域等，在这里我们想表达的意思是：激光测量物体的位移时，往往取被测物一点(在该点粘上反光镜等)的位移变化，该点的选取在精密测量中必须是几何中心(对称中心)，这样被测物由于温度变化引起形变以及扭摆等引起被测物各点位移变化不一致，在几何中心点处得到抑制(对称性决定的)；但是实际应用中被测物的中心点并不一定都能作为被测点例如空心、被遮挡(光线打不上去)或敏感区域不能粘贴平面镜等，甚至被测物中心区域就是一个点等。

在具体的应用中，系统中，所述一对偏振分光镜中第一偏振分光镜2和第二偏振分光镜3的分光面之间角度为90度；

设置在所述第一偏振分光镜2周围的λ/4波片B1和λ/4波片B2分别设置在所述第一偏振分光镜2的上面和右侧面，且与所述偏振分光镜镜面平行；且所述第一偏振分光镜2周围的平面镜P1放置在所述λ/4波片B2的右侧；

设置在所述第二偏振分光镜3周围的λ/4波片B3和λ/4波片B4分别设置在所述第二偏振分光镜3的上面和左侧面，且与所述偏振分光镜镜面平行；且所述第二偏振分光镜3周围的平面镜P2放置在所述λ/4波片B4的左侧；

所述激光器设置在第一偏振分光镜2的下方；所述相干/接收装置设置在所述第二偏振分光镜3的下方。

在具体的应用中，系统还可采取，所述一对偏振分光镜中第一偏振分光镜2和第二偏振分光镜3的分光面之间平行；

设置在所述第一偏振分光镜2周围的λ/4波片B1和λ/4波片B2分别设置在所述第一偏振分光镜2的上面和右侧面，且与所述偏振分光镜镜面平行；且所述第一偏振分光镜2周围的平面镜P1放置在所述λ/4波片B2的右侧；

设置在所述第二偏振分光镜3周围的λ/4波片B3和λ/4波片B4分别设置在所述第二偏振分光镜3的上下面，且与所述偏振分光镜镜面平行；且所述第二偏振分光镜3周围的平面镜P2放置在所述λ/4波片B4的下方；

所述激光器设置在第一偏振分光镜2的下方；所述相干/接收装置设置在所述第二偏振分光镜3的左侧。

另外，系统还可以采用，所述一对偏振分光镜中第一偏振分光镜2和第二偏振分光镜3的分光面之间平行或互成90度角；

设置在所述第一偏振分光镜2周围的λ/4波片B1和λ/4波片B2分别设置在所述第一偏振分光镜2的上下面，且与所述偏振分光镜镜面平行；且所述第一偏振分光镜2周围的平面镜P1放置在所述λ/4波片B2的下方；

设置在所述第二偏振分光镜3周围的λ/4波片B3和λ/4波片B4分别设置在所述第二偏振分光镜3的上下面，且与所述偏振分光镜镜面平行；且所述第二偏振分光镜3周围的平面镜P2放置在所述λ/4波片B4的下方；

所述激光器设置在第一偏振分光镜2的右侧；所述相干/接收装置设置在所述第二偏振分光镜3的左侧。

本发明根据上述系统还研发了对特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量方法，

所述测量方法包括如下步骤，

①确定被测物及待测特殊几何点；

②设置所述的角锥棱镜组：两个角锥棱镜分别设置在待测特殊几何点的等距离的两侧；并在所述两个角锥棱镜前方分别设置两个平面镜；

③设置偏振分光单元：在所述两个角锥棱镜的一侧对称设置偏振分光单元；

i，在所述激光器输出光路上设置第一偏振分光镜2；该偏振分光镜2的分光面与激光器的输出光路成45度；所述第一偏振分光镜2将激光器输出光分成两束偏振光：反射光和透射光；

ii，在所述第一偏振分光镜2的两个出射面前方设置有一对λ/4波片；

并在其中一个λ/4波片另一侧设置平面镜；

iii，从所述第一偏振分光镜2输出的参考光输入所述的第二偏振分光镜3；在所述第二偏振分光镜3的两个出射面前方设置有一对λ/4波片；

并在其中一个λ/4波片另一侧设置平面镜；且在所述第二偏振分光镜3周围设置有所述相干/接收装置；

④光线测定，所述激光器输出的激光通过所述偏振分光镜分为测量光和参考光；所述参考光不经过所述角锥棱镜单元，而通过偏振分光单元后进入相干/接收装置；所述测量光依次经过第一偏振分光镜进入第一个角锥棱镜后被平面镜反射，沿原光路再次进入该角锥棱镜返回至第一偏振分光镜，光线从第一偏振分光镜进入第二偏振分光镜，后经过第二个偏振分光镜进入第二个角锥棱镜，后被平面镜反射，沿原光路返回进入第二偏振分光镜后，进入相干/接收装置和所述参考光形成干涉；在测定过程中，第一偏振分光镜和第二偏振分光镜不断因重新输入的光线而使偏振态发生改变；

⑤测量结果，所述测量光和参考光在进入相干/接收装置之前，被测特殊几何点的移动将引起测量光8倍该移动距离，由于参考光固定不动，光程不改变，测量光和参考光光程差由测量光变化引起，实现8倍频测量；相干/接收装置包括干涉、光电转换、电信号调理、细分以及计数显示等，这里可以对干涉信号作进一步电子细分可以达到更高的测量精度。

该方法由于采用两个角锥棱镜，可以对称的放置在特殊几何点(如空心、中心有遮挡或是中心为敏感物)的两侧，利用这两点的位移之和可以准确得到中心点位移；由于测量光在两个角锥棱镜中分别往返两次，若被测点移动..测量光将移动8δ，实现了干涉测量的光学8倍频，提高了测量精度；即若被测点移动δ，即角锥棱镜移动δ，测量光在角锥棱镜里将变化2δ，由于测量光又原路返回，则其在角锥棱镜里光程变化4δ，同样测量光又经过第二个角锥棱镜，光程再变化4δ，最后测量光变化8δ，实现干涉测量的光学8倍频

由于测量光在角锥棱镜中沿原路返回，根据角锥棱镜的特点，即使被测对象在垂直于运动方向的平面内发生任意方向平移，并不影响运动方向的测量精度。

附图说明

图1是本发明激光干涉测量系统实施例1的光路示意图；

图2是本发明激光干涉测量系统实施例2的光路示意图；

图3是本发明激光干涉测量系统实施例3的光路示意图；

图4是本发明激光干涉测量系统实施例4的光路示意图；

图5是本发明激光干涉测量系统实施例5的光路示意图；

图6是本发明激光干涉测量系统实施例6的光路示意图；

上述各幅附图将结合下面的具体实施例加以说明。

具体实施方式

由图1-图6可知，本发明一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量方法由被测物6、激光器1)、测量光路、参考光路以及相干和接收装置7组成。其中被测物6上放置两个角锥棱镜4和5，测量光路和参考光路由偏振分光镜2和3、λ/4波片B1，B2，B3，B4，角锥棱镜4和5、平面镜P1，P2，P3，P4组成。

实施例1：

如图1所示，在激光器1输出光路上设置第一偏振分光镜2，该偏振分光镜的分光面与激光器的输出光路成45°，第一偏振分光镜2将激光器1输出光分成两束偏振光：反射光和透射光，其中反射光经过λ/4波片B2和固定反射镜P1后，重新进入该偏振分光镜，这时偏振态发生改变，并从偏振分光镜2透射出来，进入第二偏振分光镜3，偏振分光镜3的分光面与偏振分光镜2互成90°，从偏振分光镜2透射出的光同样在偏振分光镜3透射，经过λ/4波片B4和固定反射镜P2后，重新进入偏振分光镜3，这时偏振态发生改变，在偏振分光镜3中发生反射最后进入相干和接收装置7，该束光作为干涉系统的参考光束；从偏振分光镜2透射的光经过λ/4波片B1后进入角锥棱镜4，经平面镜P3反射并原光路返回，在进入偏振分光镜2前光束偏振态发生改变，经偏振分光镜2分光面反射，进入偏振分光镜3后反射，同理经过λ/4波片B3、角锥棱镜5和平面镜P4，并原光路返回，这时由于偏振态的改变，光在偏振分光镜3中透射进入相干和接收装置7，该束光作为测量光束，在相干和接收装置7中与参考光束进行干涉，从而实现干涉测量。

实施例2：

如图2所示，与实施例1所不同的是偏振分光镜3与偏振分光镜2分光面相互平行，测量光进入偏振分光镜3后反射至λ/4波片B4和固定反射镜P2，重新进入偏振分光镜3后透射，经过λ/4波片B3、角锥棱镜5和平面镜P4，并原光路返回，在偏振分光镜3分光面上反射与透射的参考光在相干和接收装置7中发生干涉。

实施例3：

如图3所示，偏振分光镜2将激光器1输出光分成两束偏振光：反射光和透射光。其中透射光经过偏振分光镜2、3后进入相干和接收装置7作为参考光束；反射光经过λ/4波片B2和固定反射镜P1，进入偏振分光镜2前偏振态改变一次，从偏振分光镜2透射，进入λ/4波片B1后进入角锥棱镜4，经平面镜P3反射并原光路返回，在重新进入偏振分光镜2前光束偏振态再次发生改变，经偏振分光镜2分光面反射，进入偏振分光镜3，偏振分光镜3的分光面与偏振分光镜2互成90°，这样光束在偏振分光镜3分光面上反射进入λ/4波片B3、角锥棱镜5和平面镜P3，并原光路返回，这时由于偏振态的改变，光在偏振分光镜3中透射，并进入λ/4波片B4和固定反射镜P2，重新进入偏振分光镜3，这时偏振态再次发生改变，光束在偏振分光镜3中发生反射最后进入相干和接收装置7，成为测量光束与参考光束发生干涉。

实施例4：

如图4所示，与实施例3基本一致，所不同的是偏振分光镜3与偏振分光镜2分光面相互平行，测量光进入偏振分光镜3后反射至λ/4波片B4和固定反射镜P2，重新进入偏振分光镜3后透射，经过λ/4波片B3、角锥棱镜5和平面镜P4，并原光路返回，在偏振分光镜3分光面上反射与参考光在相干和接收装置7中与参考光束发生干涉。

实施例5：

如图5所示，与实施例4基本一致，所不同的是偏振分光镜2将激光器1输出光分成的反射光(即测量光)首先进入λ/4波片B1、角锥棱镜4，经平面镜P3反射并原光路返回，在重新进入偏振分光镜2前光束偏振态发生改变，在偏振分光镜2中透射，经过λ/4波片B2和固定反射镜P1，进入偏振分光镜2前偏振态再发生改变，从偏振分光镜2分光面上反射进入偏振分光镜3。

实施例6：

如图6所示，与实施例5基本一致，所不同的是偏振分光镜3与偏振分光镜2分光面相互平行，测量光进入偏振分光镜3后反射进入λ/4波片B3、角锥棱镜5和平面镜P4，并原光路返回，这时由于偏振态的改变，光在偏振分光镜3中透射，并进入λ/4波片B4和固定反射镜P2，重新进入偏振分光镜3，这时偏振态再次发生改变，光束在偏振分光镜3中发生反射最后进入相干和接收装置7中与参考光束发生干涉。

Claims (7)

1.一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统，其特征在于，所述系统包括被测物(6)，激光器(1)，角锥棱镜单元，偏振分光单元和相干/接收装置(7)；

所述的角锥棱镜单元包括2个角锥棱镜组；所述每一个角锥棱镜组包括1个角锥棱镜和1个平面镜；

所述的偏振分光单元包括2个偏振分光组；所述每一个偏振分光组包括1个偏振分光镜，1个平面镜和一对λ/4波片；

所述角锥棱镜单元设置在所述被测物表面，所述偏振分光单元放置在所述角锥棱镜单元的一侧；所述激光器设置在所述2个偏振分光组中其中一个偏振分光组的第一偏振分光镜一侧；所述相干/接收装置放置在所述2个偏振分光组中另一个偏振分光组的另一个偏振分光镜一侧；

所述激光器输出的光线通过所述第一偏振分光镜分为测量光和参考光；所述参考光不经过所述角锥棱镜单元，而通过偏振分光单元后进入所述相干/接收装置(7)；所述测量光依次经过第一偏振分光镜(2)进入第一角锥棱镜(4)后被平面镜反射，沿原光路再次进入该角锥棱镜(4)返回至第一偏振分光镜(2)，光线从第一偏振分光镜(2)进入第二偏振分光镜(3)，后经过第二偏振分光镜(3)进入第二角锥棱镜(5)，后被平面镜反射，沿原光路返回进入第二偏振分光镜(3)后，进入相干/接收装置(7)和所述参考光形成干涉。

2.根据权利要求1所述的一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统，其特征在于，

所述角锥棱镜单元中的两个角锥棱镜(4和5)分别设置在待测特殊几何点的对称两侧，且第一角锥棱镜(4)和第二角锥棱镜(5)的入射面与入射光线相互垂直；

在所述角锥棱镜单元中的一对平面镜(P3，P4)的反射面分别与第一角锥棱镜(4)和第二角锥棱镜(5)出射面互相平行，且各个平面镜(P3，P4)与角锥棱镜面对面放置。

3.根据权利要求1所述的一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统，其特征在于，

所述偏振分光单元的2个偏振分光组分别设置在所述2个角锥棱镜组一侧；每一个偏振分光组的一对λ/4波片分别设置在每一个偏振分光组的偏振分光镜的附近；所述每一个偏振分光组中的平面镜设置在所述该组其中一个λ/4波片的后面。

4.根据权利要求3所述的一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统，其特征在于，

所述一对偏振分光镜中第一偏振分光镜(2)和第二偏振分光镜(3)的分光面之间角度为90度；

设置在所述第一偏振分光镜(2)周围的λ/4波片B1和λ/4波片B2分别设置在所述第一偏振分光镜(2)的上面和右侧面，且与所述第一偏振分光镜镜面平行；所述第一偏振分光镜(2)周围的平面镜P1放置在所述λ/4波片B2的右侧；

设置在所述第二偏振分光镜(3)周围的λ/4波片B3和λ/4波片B4分别设置在所述第二偏振分光镜(3)的上面和左侧面，且与所述第二偏振分光镜镜面平行；所述第二偏振分光镜(3)周围的平面镜P2放置在所述λ/4波片B4的左侧；

所述激光器设置在第一偏振分光镜(2)的下方；所述相干/接收装置(7)设置在所述第二偏振分光镜(3)的下方。

5.根据权利要求3所述的一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统，其特征在于，

所述一对偏振分光镜中第一偏振分光镜(2)和第二偏振分光镜(3)的分光面之间平行；

设置在所述第一偏振分光镜(2)周围的λ/4波片B1和λ/4波片B2分别设置在所述第一偏振分光镜(2)的上面和右侧面，且与所述第一偏振分光镜镜面平行；所述第一偏振分光镜(2)周围的平面镜P1放置在所述λ/4波片B2的右侧；

设置在所述第二偏振分光镜(3)周围的λ/4波片B3和λ/4波片B4分别设置在所述第二偏振分光镜(3)的上下面，且与所述第一偏振分光镜镜面平行；所述第二偏振分光镜(3)周围的平面镜P2放置在所述λ/4波片B4的下方；

所述激光器设置在第一偏振分光镜(2)的下方；所述相干/接收装置设置在所述第二偏振分光镜(3)的左侧。

6.根据权利要求3所述的一种特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量系统，其特征在于，

所述一对偏振分光镜中第一偏振分光镜(2)和第二偏振分光镜(3)的分光面之间平行或互成90度角；

设置在所述第一偏振分光镜(2)周围的λ/4波片B1和λ/4波片B2分别设置在所述第一偏振分光镜(2)的上下面，且与所述第一偏振分光镜镜面平行；所述第一偏振分光镜(2)周围的平面镜P1放置在所述λ/4波片B2的下方；

设置在所述第二偏振分光镜(3)周围的λ/4波片B3和λ/4波片B4分别设置在所述第二偏振分光镜(3)的上下面，且与所述第二偏振分光镜镜面平行；所述第二偏振分光镜(3)周围的平面镜P2放置在所述λ/4波片B4的下方；

所述激光器设置在第一偏振分光镜(2)的右侧；所述相干/接收装置设置在所述第二偏振分光镜(3)的左侧。

7.根据权利要求1-6之一所述系统所实现的对特殊几何点位移的光学倍频激光干涉测量方法，其特征在于，

所述测量方法包括如下步骤，

①确定被测物及待测特殊几何点；

②设置所述的角锥棱镜组：两个角锥棱镜分别设置在待测特殊几何点的等距离的两侧；并在所述两个角锥棱镜前方分别设置两个平面镜；

③设置偏振分光单元：在所述两个角锥棱镜的一侧对称设置偏振分光单元；

i，在所述激光器输出光路上设置第一偏振分光镜(2)；该偏振分光镜(2)的分光面与激光器的输出光路成45度；所述第一偏振分光镜(2)将激光器输出光分成两束偏振光：反射光和透射光；

ii，在所述第一偏振分光镜(2)的两个出射面前方设置有一对λ/4波片；并在其中一个λ/4波片另一侧设置平面镜；

iii，从所述第一偏振分光镜(2)输出的参考光输入所述的第二偏振分光镜(3)；在所述第二偏振分光镜(3)的两个出射面前方设置有一对λ/4波片；并在其中一个λ/4波片另一侧设置平面镜；且在所述第二偏振分光镜(3)周围设置有所述相干/接收装置；

④光线测定，所述激光器输出的激光通过所述偏振分光镜分为测量光和参考光；所述参考光不经过所述角锥棱镜单元，而通过偏振分光单元后进入相干/接收装置；所述测量光依次经过第一偏振分光镜进入第一个角锥棱镜后被平面镜反射，沿原光路再次进入该角锥棱镜返回至第一偏振分光镜，光线从第一偏振分光镜进入第二偏振分光镜，后经过第二个偏振分光镜进入第二个角锥棱镜，后被平面镜反射，沿原光路返回进入第二偏振分光镜后，进入相干/接收装置和所述参考光形成干涉；在测定过程中，重新输入第一偏振分光镜和第二偏振分光镜的光线由于λ/4波片的作用偏振态均发生90度偏转；

⑤测量结果：所述测量光和参考光在进入相干/接收装置之前，被测特殊几何点的移动将引起测量光8倍该移动距离，由于参考光固定不动，光程不改变，测量光和参考光光程差由测量光变化引起，实现8倍频测量；相干/接收装置包括干涉、光电转换、电信号调理、细分以及计数显示。

Images