CN102706282A - 一种激光干涉测距仪 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种激光干涉测距仪，包括激光器（10）、第一分光器(20)、第二分光器(30)、探测器(50)、参考面（40）、第一反射单元(80)、第一反射组(92)、第二反射组(91)；激光器、第一分光器、第二分光器依次设置；干涉光经第一反射单元反射后进入第一反射组，第一反射组的第一个斜面将光反射后导入第二反射组；光线在这两组反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到被测反射面，经该反射面反射，光沿原路返回，最后经第二分光器与经参考面反射的参考光重合，并经第一分光器反射后，在探测器表面进行干涉。本发明提出的激光干涉测距仪，可通过对周期性变化的已转化成电信号的干涉正弦信号进行数字化处理并通过对信号强度进行细分，使测量灵敏度提高。
Description
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，涉及一种测距仪，尤其涉及一种激光干涉测距仪。
背景技术
利用激光波长非常好的空间相干性及稳定性形成的干涉波测量物体的微小位移已有非常多的报道；如参考文献1：《US Patent“Apparatus for OpticalDifferential Measurement of Glide Height Above a Magnetic Disk”,Huizong Lu et.al.Patent No.US005703684,December 30,1997》、参考文献2：《US Patent“OpticalDifferential Profile Measurement Apparatus and Process”,Huizong Lu,et.Al.PatentNo.US005784163,July 21,1998.》。这种装置也已被广泛应用于实践中。
测量中，通过对随被测物移动而形成的相干光与参考光之间的光程差对应的干涉强度周期性变化及强度的测量，可有效测出物体位移量；其测量精度一般在亚微米量级，与干涉光的波长有关。
图1是一个现有激光干涉仪的光路图，如图1所示，现有的激光干涉仪包括激光器1、第一分光棱镜（BS）2、第二分光棱镜（BS）3、参考面4、探测器5。
所述激光器1、第一分光棱镜2、第二分光棱镜3依次设置，探测器5设置于第一分光棱镜2的一侧，接收从第一分光棱镜2反射的光；参考面4设置于第二分光棱镜3的一侧，接收从第二分光棱镜3反射的光并反射。
被测面6设置于移动面7上，移动面7可以上下移动（与照射在被测面6上的光的方向一致）。
与移动物体相连的干涉面随物体移动而位移，其位移量为x。干涉光强与位移量及激光波长之间的关系由下式描述：
式中γ是干涉光强的对比度，γ在0到1之间.一个设计合理的干涉仪其干涉光强对比度接近于1。由公式(1)可见，干涉光强随位移的变化是周期性的，周期是λ/2。由于可见光波长在400nm到700nm之间，故通过直接测量干涉光强的周期性变化可测量的位移精度在亚微米量级。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种激光干涉测距仪，可提高测量灵敏度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种激光干涉测距仪，所述测距仪包括：激光器、第一分光器、第二分光器、探测器、第一反射单元、第一反射组、第二反射组；
所述激光器、第一分光器、第二分光器依次设置，探测器设置于第一分光器的一侧，接收从第一分光器反射的光；参考面设置于第二分光器的一侧，接收从第二分光器反射的光并反射；
干涉光经第一反射单元反射后进入第一反射组，第一反射组的第一个斜面将光反射后导入第二反射组；光线在这两组反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到被测反射面，经该反射面反射，光沿原路返回，最后经第二分光器与经参考面反射的参考光进行干涉，在探测器表面进行干涉。
作为本发明的一种优选方案，所述第一反射组包括若干45°反射镜；所述第二反射组包括若干45°反射镜；所述第一反射单元为45°放置的直角棱镜。
作为本发明的一种优选方案，第一反射组和第二反射组中的一个与被测物相连，与被测物相连的反射组将随物体的移动而做作同样的移动，另一组发射组的位置固定。
作为本发明的一种优选方案，当被测物体做上下移动时，测量光线的光程由于物体移动x而产生的位移是2(1+N)x，N是上下棱镜组内配对棱镜的数目；所以该装置将干涉光程增加了2Nx，对应的光强随位移的变化记为：
测量灵敏度提高(1+N)倍；其中，γ是干涉光强的对比度，在0到1之间；λ为激光波长、
为被测光与参考光之间的初始位相差。
一种激光干涉测距仪，所述测距仪包括：激光器、第一分光器、第二分光器、探测器、第一反射单元、第一反射组、第二反射组、第三反射组、第四反射组、第一参考面、第二参考面；
所述激光器、第一分光器、第二分光器依次设置，探测器设置于第一分光器的一侧，接收从第一分光器反射的光；
所述第一反射单元与第一参考面之间设置第一反射组、第二反射组；干涉光经第一反射单元反射后进入第一反射组，第一反射组的第一个斜面将光反射后导入第二反射组；光线在这两组反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到第一参考面；
所述第二分光器与第二参考面之间设置第三反射组、第四反射组；第二分光器将分光后的一路光入射至第三反射组，第三反射组的第一个斜面将光反射后导入第四反射组；光线在第三反射组、第四反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到第二参考面；
所述第四反射组、第一反射组固定连接，同时第四反射组、第一反射组与被测物连接，随被测物移动而移动。
作为本发明的一种优选方案，当被测物体沿垂直方向移动时，在第一和第二反射组组成的光路中的光程变化与在第三反射组和第四反射组组成的光路中的光程变化是等值，但相反的，一个增加，另一个减小；当这两束光相干涉是，干涉位相变化所对应的是被测物体实际移动距离的两倍，而由于环境变化引起的光程差在这两组光路中是相等的，因而可有效消除。
作为本发明的一种优选方案，被测物体的移动对两路光束的光程影响是相反的，两路光束包括：第一反射组、第二反射组之间的光束，第三反射组、第四反射组之间的光束；
如果被测物体往上/下移动，则光束经第一反射组、第二反射组后光程将增加/减少（1+N）x，x为被测物体的移动量；同时，光束经第三反射组、第四反射组后的光程将减少/增加Nx；
两束光互为参考，干涉光束和参考光束之间的光程差为：（1+N）x+Nx=（1+2N）x；灵敏度将被放大（1+2N）倍。
作为本发明的一种优选方案，所述第一反射组、第二反射组、第三反射组、第四反射组分别包括若干45°反射镜；所述第一反射单元为45°放置的直角棱镜。
本发明的有益效果在于：本发明提出的激光干涉测距仪，可通过对周期性变化的已转化成电信号的干涉正弦信号进行数字化处理并通过对信号强度进行细分，使测量灵敏度提高。
如果物体(也即移动面)在移动时有一个在横向光线与移动方向组成的平面内的小角位移，则干涉光束在经过上下两组反射镜后仍然与被测面正交并可按原路返回，从而可以使干涉条纹保持其对比度不变，保持测量的灵敏度。
此外，本发明还可以抑制由于在干涉光路中的温度等环境变化引起的测量误差。
附图说明
图1是一个现有激光干涉仪的光路图。
图2为实施例一中本发明激光干涉测距仪的光路图。
图3为实施例二中本发明激光干涉测距仪的光路图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图2，本发明揭示了一种激光干涉测距仪，包括激光器10、第一分光器20、第二分光器30、探测器50、第一反射单元80、第一反射组91、第二反射组92。
所述激光器10、第一分光器20、第二分光器30依次设置，探测器10设置于第一分光器20的一侧，接收从第一分光器20反射的光束；参考面40设置于第二分光器30的一侧，接收从第二分光器30反射的光并反射。被测反射面60设置于移动面70上，移动面70可以上下移动（移动方向与照射在被测反射面60上的光的方向一致）。
干涉光经第一反射单元80反射后进入第一反射组91，第一反射组91的第一个斜面将光反射后导入第二反射组92；光线在这两组反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到被测反射面60，经该反射面60反射，光沿原路返回，最后经第二分光器30与经参考面40反射的参考光进行干涉，在探测器50表面进行干涉。
如图2所示，所述第一反射组20包括若干45°反射镜；所述第二反射组30包括若干45°反射镜；所述第一反射单元80为45°放置的直角棱镜。
与图1比较可见，本实施例在光程放大激光干涉仪中加入了一个有多个直角棱镜组成的光程放大光路。干涉光经第一个45°放置的直角棱镜反射后进入一组“下45°反射镜组”，称其为第一反射组，其第一个斜面将光反射后导入另一组“上45°反射镜组”，“上45°反射镜组”被称为第二反射组。光线在这两组棱镜组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到被测反射面。经该面反射，光将沿原路返回，最后经一个分光器BS与经参考面反射的参考光进行干涉，在探测器表面进行干涉。
第一和第二反射组中的一个可与被测物相连，相连的那组反射镜将随物体的移动而做作同样的移动。如第二反射组与被测物体相连，则第一反射组的位置固定。当被测物体做上下移动时，测量光线的光程由于物体移动x而产生的位移是2(1+N)x；N是上下棱镜组内配对棱镜的数目。在图2的装置中，N=4；所以该装置将干涉光程增加了2Nx，对应的光强随位移的变化可写为：
因而测量灵敏度可提高(1+N)倍。
本实施例激光干涉测距仪的一个特点是，如果物体(也即移动面)在移动时有一个在横向光线与移动方向组成的平面内的小角位移，则干涉光束在经过上下两组反射镜后仍然与被测面正交并可按原路返回，从而可以使干涉条纹保持其对比度不变，保持测量的灵敏度。
实施例二
为进一步提高测量灵敏度、测量精度，以及抑制由于在干涉光路中的温度变化引起的测量误差，本实施例揭示一种三明治光路结构。
请参阅图3，本发明揭示了一种激光干涉测距仪，所述测距仪包括激光器10、第一分光器20、第二分光器30、探测器50、第一反射单元80、第一反射组91、第二反射组92、第三反射组93、第四反射组94、第一参考面41、第二参考面42。
第一反射组91、第二反射组92、第三反射组93、第四反射组94分别包括若干45°反射镜；所述第一反射单元80为45°放置的直角棱镜。
所述激光器10、第一分光器20、第二分光器30依次设置，探测器50设置于第一分光器20的一侧，接收从第一分光器20反射的光。
所述第一反射单元80与第一参考面41之间设置第一反射组91、第二反射组92。干涉光经第一反射单元80反射后进入第一反射组91，第一反射组91的第一个斜面将光反射后导入第二反射组92；光线在这两组反射组91、92之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到第一参考面41。
所述第二分光器30与第二参考面42之间设置第三反射组93、第四反射组94。第二分光器30将分光后的一路光入射至第三反射组93，第三反射组93的第一个斜面将光反射后导入第四反射组94；光线在第三反射组93、第四反射组94之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到第二参考面42。
所述第四反射组94、第一反射组91固定连接，同时第四反射组94、第一反射组91与被测物连接，随被测物移动而移动。
被测物体的移动对两路光束的光程影响是相反的，两路光束包括：第一反射组91、第二反射组92之间的光束，以及第三反射组93、第四反射组94之间的光束。
如果被测物体往上/下移动，则光束经第一反射组、第二反射组后光程将增加/减少（1+N）x，x为被测物体的移动量；同时，光束经第三反射组、第四反射组后的光程将减少/增加Nx。两束光互为参考，干涉光束和参考光束之间的光程差为：（1+N）x+Nx=（1+2N）x；灵敏度将被放大（1+2N）倍。
另外，如果温度在三明治结构的光路中是均匀分布的，则温度变化对测量精度的影响只限于被测物移动范围x内的贡献。因x是个小量，故这种结构可大大降低在测量过程中温度等环境因素变化对测量精度的影响。
综上所述，本发明提出的激光干涉测距仪，可通过对周期性变化的已转化成电信号的干涉正弦信号进行数字化处理并通过对信号强度进行细分，使测量灵敏度提高。
如果物体(也即移动面)在移动时有一个在横向光线与移动方向组成的平面内的小角位移，则干涉光束在经过上下两组反射镜后仍然与被测面正交并可按原路返回，从而可以使干涉条纹保持其对比度不变，保持测量的灵敏度。
此外，本发明还可以抑制由于在干涉光路中的温度等环境因素的变化引起的测量误差。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (8)
1.一种激光干涉测距仪，其特征在于，所述测距仪包括：激光器、第一分光器、第二分光器、探测器、参考面、第一反射单元、第一反射组、第二反射组；
所述激光器、第一分光器、第二分光器依次设置，探测器设置于第一分光器的一侧，接收从第一分光器反射的光；参考面设置于第二分光器的一侧，接收从第二分光器反射的光并反射；
干涉光经第一反射单元反射后进入第一反射组，第一反射组的第一个斜面将光反射后导入第二反射组；光线在这两组反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到被测反射面，经该反射面反射，光沿原路返回，最后经第二分光器与经参考面反射的参考光进行干涉，在探测器表面进行干涉。
2.根据权利要求1所述的激光干涉测距仪，其特征在于：
所述第一反射组包括若干45°反射镜；所述第二反射组包括若干45°反射镜；所述第一反射单元为45°放置的直角棱镜。
3.根据权利要求1所述的激光干涉测距仪，其特征在于：
第一反射组和第二反射组中的一个与被测物相连，与被测物相连的反射组将随物体的移动而做作同样的移动，另一组发射组的位置固定。
4.根据权利要求3所述的激光干涉测距仪，其特征在于：
当被测物体做上下移动时，测量光线的光程由于物体移动x而产生的位移是2(1+N)x，N是上下棱镜组内配对棱镜的数目；所以该装置将干涉光程增加了2Nx，对应的光强随位移的变化记为：
测量灵敏度提高(1+N)倍；其中，γ是干涉光强的对比度，在0到1之间；λ是激光波长，
是两束干涉光的初始位相差。
5.一种激光干涉测距仪，其特征在于，所述测距仪包括：激光器、第一分光器、第二分光器、探测器、第一反射单元、第一反射组、第二反射组、第三反射组、第四反射组、第一参考面、第二参考面；
所述激光器、第一分光器、第二分光器依次设置，探测器设置于第一分光器的一侧，接收从第一分光器反射的光；
所述第一反射单元与第一参考面之间设置第一反射组、第二反射组；干涉光经第一反射单元反射后进入第一反射组，第一反射组的第一个斜面将光反射后导入第二反射组；光线在这两组反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到第一参考面；
所述第二分光器与第二参考面之间设置第三反射组、第四反射组；第二偏振分光器将分光后的一路光入射至第三反射组，第三反射组的第一个斜面将光反射后导入第四反射组；光线在第三反射组、第四反射组之间经多次反射后，最终以正入射的形式入射到第二参考面；
所述第四反射组、第一反射组固定连接，同时第四反射组、第一反射组与被测物连接，随被测物移动而移动。
6.根据权利要求5所述的激光干涉测距仪，其特征在于：
当被测物体沿垂直方向移动时，在第一和第二反射组组成的光路中的光程变化与在第三反射组和第四反射组组成的光路中的光程变化是等值，但相反的，一个增加，另一个减小；当这两束光相干涉是，干涉位相变化所对应的是被测物体实际移动距离的两倍，而由于环境变化引起的光程差在这两组光路中是相等的，因而可有效消除。
7.根据权利要求5所述的激光干涉测距仪，其特征在于：
被测物体的移动对两路光束的光程影响是相反的，两路光束包括：第一反射组、第二反射组之间的光束，第三反射组、第四反射组之间的光束；
如果被测物体往上/下移动，则光束经第一反射组、第二反射组后光程将增加/减少（1+N）x，x为被测物体的移动量；同时，光束经第三反射组、第四反射组后的光程将减少/增加Nx；
两束光互为参考，干涉光束和参考光束之间的光程差为：（1+N）x+Nx=（1+2N）x；灵敏度将被放大（1+2N）倍。
8.根据权利要求5所述的激光干涉测距仪，其特征在于：
所述第一反射组、第二反射组、第三反射组、第四反射组分别包括若干45°反射镜；所述第一反射单元为45°放置的直角棱镜。
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