CN102853769A - 高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置属于激光应用技术领域；本发明采用了空间分离的参考光和测量光，并进行测量光路平衡性设计，同时该方法产生了两个具有相反多普勒频移的干涉测量信号，并根据被测目标的运动方向和速度，选择性使用两测量信号来进行干涉测量；本发明不仅减小了温度变化对测量的影响，而且消除了干涉仪中的频率混叠现象，提高了外差干涉测量的测量精度；同时解决了激光光源频差对测量速度限制的问题。

Description

高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置。

背景技术

激光外差干涉测量因其具有抗干扰能力强、测量范围大、信噪比高和易于实现高精度等特点而被广泛应用于超精密加工、光刻机以及三坐标测量机等领域。随着超精密工程的不断发展，对加工精度和生产效率提出越来越高的要求；同时也对外差干涉测量的测量精度、分辨率和速度都提出了新的挑战。

在激光外差干涉测量中，非线性误差严重限制了测量精度和分辨率的进一步提高，国内外学者对激光外差干涉非线性误差进行了大量的研究。非线性误差源于干涉光路中的光学混叠，传统的干涉测量系统无法避免干涉测量中的光学混叠，限制了其测量精度和分辨率的提高。

T.L.Schmitz和J.F.Beckwith提出了一种干涉仪改造的方法(Ascousto-opticdisplacement-measureing interferometer：a new heterodyne interferometer withAnstromlevel periodic error.Journal of Modern Optics 49，pages 2105-2114)。相较于传统的测量方法，该方法将声光移频器作为分光镜，将测量光束和参考光束进行分离。该方法可以减小参考光和测量光的频率混叠，有利于减小测量的非线性误差，从而提高测量精度和分辨率。但是，该装置结构复杂且特殊，无法广泛应用于超精密加工与测量中。

Ki-Nam Joo等研制了一种新型激光干涉测量结构(Simple heterodyne laserinterferometer with subnanometer periodic errors.Optics Letters/Vol.34，No.3/February 1，2009)。该结构是参考光束与测量光束在空间上分离，消除了干涉测量中的频率混叠，完全消除非线性误差，从而提高测量精度以及测量分辨率。此外，该装置结构简单，成本低，相较于前一种测量方法，更有利于在超精密测量领域的应用。但是该方法测量速度依旧受光源频差的制约，限制了其在高速测量领域的广泛使用。

以上几种干涉测量方法及装置均存在测量速度受光源频差制约的问题。随着超精密加工对测量速度要求的不断提高，干涉仪光源的频差也不断地增大，从而导致激光光源的结构越来越复杂，成本越来越昂贵，严重限制了激光干涉测量的广泛应用。而且测量分辨率与测量速度存在冲突。为了同时提高干涉仪的测量速度与分辨率，国内外学者对信号处理系统进行了大量的研究并提出了相应的解决方案，但现有信号处理系统一般都结构复杂、成本昂贵且需要很多特殊设计的芯片；并且受现有半导体芯片水平的限制，干涉测量性能提升困难。

综上所述，现有激光外差干涉测量方法均无法同时满足超精密加工测量对干涉仪的高精度和高测量速度的要求，严重限制了超精密加工测量领域的发展。

发明内容

针对上述现有激光外差干涉仪的不足，本发明提出了一种高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置，提高激光外差干涉的测量精度，解决激光光源频差对测量速度限制的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种高速高分辨率激光外差干涉测量方法，该方法步骤如下：

(1)稳频激光器输出两束频率分别为f₁、f₂的平行光束；

(2)两平行光束的小部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的参考信号，其频差值为f_b＝f₁-f₂，表示为I_r∝cos(2πf_bt)；

(3)剩余的两平行光束均被第一个偏振分光镜分成两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；

(4)参考光束包含频率分别为f₁、f₂的两平行光束，参考光束经四分之一波片和平面镜作用后，重新返回第一个偏振分光镜，此时参考光束偏振方向旋转了90°，被第一个偏振分光镜透射，然后该投射光再被参考棱镜反射回第一个偏振分光镜，此时参考光束被第一个偏振分光镜透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后再次返回第一个偏振分光镜，此时其偏振方向又旋转了90°，会被第一个偏振分光镜反射；

(5)测量光束包含频率分别为f₁、f₂的两平行光束，测量光束进入第二个偏振分光镜后被透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向旋转了90°，被反射进测量棱镜，然后被测量棱镜和第二个偏振分光镜反射，该反射光再次经四分之一波片和平面镜作用后返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向又旋转了90°，被第二个偏振分光镜透射返回第一个偏振分光镜；

(6)通过调节参考棱镜和测量棱镜使得频率为f₁的测量光束与频率为f₂的参考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为I_m1∝cos[2π(f_b+Δf)t]；频率为f₂的测量光束与频率为f₁的参考光束进行干涉，产生另一路测量信号，表示为I_m2∝cos[2π(f_b-Δf)t]，两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为f_b+Δf和f_b-Δf；

(7)两测量信号经光电探测器探测后分别送入两个相同的相位计A和相位计B，其中，相位计A用于处理频率为f_b+Δf的测量信号，相位计B用于处理频率为f_b-Δf的测量信号；

(8)根据被测目标端平面镜的运动方向和运动速度，使用开关电路在相位计A和相位计B之间进行选择；

(9)根据所选择的相位计A或者相位计B对被测目标的位移进行计算。

所述的稳频激光器输出的两平行光束为偏振方向相同的线偏振光，且偏振方向与水平方向的夹角为45°。

所述的相位计在使用开关电路进行选择时，当被测量目标端平面镜正向运动速度高于设定值V₁时，选择相位计B；当被测量目标端平面镜负向运动速度高于设定值V₂时，选择相位计A；其中，设被测量目标端平面镜远离第二个偏振分光镜的方向为正方向。

一种高速高分辨率激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器、光电探测器A、光电探测器B，该装置还包括偏振分光镜A、光路补偿块、四分之一波片A、平面镜A、参考棱镜、偏振分光镜B、测量棱镜、四分之一波片B、平面镜B、相位计A、相位计B、开关电路、测量电路；其中，偏振分光棱镜A位于稳频激光器的输出端；光路补偿块、四分之一波片A和平面镜A依次放置在偏振分光棱镜A的反射方向上，参考棱镜放置在偏振分光棱镜A反射方向的另一端；偏振分光镜B位于偏振分光棱镜A的透射方向，在偏振分光镜B的透射方向依次放置四分之一波片B和平面镜B，测量棱镜位于偏振分光镜B的反射方向；偏振分光棱镜A输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A，另一路接光电探测器B，光电探测器A的输出端接相位计A输入端，光电探测器B输出端接相位计B输入端；稳频激光器的参考信号输出端分别与相位计A和相位计B的输入端连接，相位计A与相位计B的输出端同时接开关电路输入端；开关电路的输出端接测量电路输入端；

所述的参考棱镜为角锥棱镜时，测量棱镜为直角棱镜。

所述的参考棱镜为直角棱镜时，测量棱镜为角锥棱镜。

所述的在参考棱镜由两个角锥棱镜组成时，测量棱镜为角锥棱镜。

所述的参考棱镜为角锥棱镜时，测量棱镜由两个角锥棱镜组成。

所述的光路补偿块的厚度尺寸为偏振分光镜A厚度尺寸的二分之一。

本发明具有以下特点及良好效果：

(1)本发明中，参考光与测量光在空间上是分离的，在到达探测器之前没出现过重叠，消除了干涉仪的非线性误差产生的根源。

(2)传统干涉仪中采用偏振分光棱镜进行光束分离，干涉镜组调节难度高且成本高；本发明中改用普通非偏振分光棱镜代替偏振分光棱镜，因其对激光光源的偏振态变化不敏感，从而大大降低了干涉镜组的调节难度，同时，使用非偏振分光棱镜能够降低干涉仪成本。

(3)本发明中，干涉仪产生的两个测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，根据物体运动方向对两测量信号进行选择，可以保证多普勒频移始终使频差增加。相较于传统的干涉仪，本发明中的干涉仪使测量速度不再受激光光源频差的限制，传统的小频差激光器也可以应用于高速测量中。

(4)本发明中，由于激光频差较小，信号处理系统可以利用普通时钟信号获得高分辨率，简化了信号测量系统的设计，降低了系统的成本。

附图说明

附图为本发明装置结构示意图

图中，1稳频激光器，2偏振分光镜A，3光路补偿块，4四分之一波片A，5平面镜A，6参考棱镜，7偏振分光镜B，8测量棱镜，9四分之一波片B，10平面镜B，11光电探测器A，12光电探测器B，13相位计A，14相位计B，15开关电路，16测量电路。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实例进行详细的描述。

一种高速高分辨率激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器1、光电探测器A11、光电探测器B12，该装置还包括偏振分光镜A2、光路补偿块3、四分之一波片A4、平面镜A5、参考棱镜6、偏振分光镜B7、测量棱镜8、四分之一波片B9、平面镜B10、相位计A13、相位计B14、开关电路15、测量电路16；其中，偏振分光棱镜A2位于稳频激光器1的输出端；光路补偿块3、四分之一波片A4和平面镜A5依次放置在偏振分光棱镜A2的反射方向上，参考棱镜6放置在偏振分光棱镜A2反射方向的另一端；偏振分光镜B7位于偏振分光棱镜A2的透射方向，在偏振分光镜B7的透射方向依次放置四分之一波片B9和平面镜B10，测量棱镜8位于偏振分光镜B7的反射方向；偏振分光棱镜A2输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A11，另一路接光电探测器B12，光电探测器A11的输出端接相位计A13输入端，光电探测器B12输出端接相位计B14输入端；稳频激光器1的参考信号输出端分别与相位计A13和相位计B14的输入端连接，相位计A13与相位计B14的输出端同时接开关电路15输入端；开关电路15的输出端接测量电路16输入端；

一种高速高分辨率激光外差干涉测量方法，该方法步骤如下：

(1)稳频激光器1输出两束频率分别为f₁、f₂的平行光束；

(2)两平行光束的小部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的参考信号，其频差值为f_b＝f₁-f₂，表示为I_r∝cos(2πf_bt)；

(3)剩余的两平行光束均被偏振分光镜A2分成两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；

(4)参考光束包含频率分别为f₁、f₂的两平行光束，参考光束经四分之一波片A4和平面镜A5作用后，重新返回偏振分光镜A2，此时参考光束偏振方向旋转了90°，被偏振分光镜A2透射，然后该投射光再被参考棱镜6反射回偏振分光镜A2，此时参考光束被偏振分光镜A2透射，然后经四分之一波片A4和平面镜A5作用后再次返回偏振分光镜A2，此时其偏振方向又旋转了90°，会被第一个偏振分光镜反射2；

(5)测量光束包含频率分别为f₁、f₂的两平行光束，测量光束进入第二个偏振分光镜B7后被透射，然后经四分之一波片B9和平面镜B10作用后返回第二个偏振分光镜B7，此时测量光束的偏振方向旋转了90°，被反射进测量棱镜8，然后被测量棱镜8和第二个偏振分光镜反射7，该反射光再次经四分之一波片B9和平面镜B10作用后返回第二个偏振分光镜B7，此时测量光束的偏振方向又旋转了90°，被第二个偏振分光镜B7透射返回偏振分光镜A2；

(6)通过调节参考棱镜6和测量棱镜8使得频率为f₁的测量光束与频率为f₂的参考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为I_m1∝cos[2π(f_b+Δf)t]；频率为f₂的测量光束与频率为f₁的参考光束进行干涉，产生另一路测量信号，表示为I_m2∝cos[2π(f_b-Δf)t]，两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为f_b+Δf和f_b-Δf；

(7)两测量信号分别被光电探测器A11和光电探测器B12探测；

(8)光电探测器A11输出频率为f_b+Δf的测量信号，并将信号送入相位计A13中进行处理；

(9)光电探测器B12输出频率为f_b-Δf的测量信号，并将信号送入相位计B14中进行处理；

(10)相位计A13和相位计B14的处理信号同时送入开关电路15，根据被测目标端的平面镜B10运动方向和运动速度在两相位计之间进行选择；相位计A13和相位计B14的测量范围存在一部分重叠。将该重叠部分做为相位计切换的“滞回区”，当平面镜B10正向运动速度高于“滞回区”的上限V₁时，由相位计A13切换为相位计B14，相位计B14输出被送入相位累加器。同理，当平面镜B10运动速度低于“滞回区”的下限-V₂时，由相位计B14切换回相位计A13。当被测目标速度在“滞回区”内时，不进行相位计切换操作，从而消除了电路噪声和速度噪声对切换操作的影响，其中，设平面镜B10远离偏振分光镜B7的方向为正方向。

(11)将经过开关电路15选择后的信号送入测量电路16中进行处理，从而获得被测目标端的平面镜B10运动信息。

Claims (9)

1.一种高速高分辨率激光外差干涉测量方法，其特征在于该方法步骤如下：

(1)稳频激光器输出两束频率分别为f₁、f₂的平行光束；

(2)两平行光束的小部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的参考信号，其频差值为f_b＝f₁-f₂，表示为I_r∝cos(2πf_bt)；

(3)剩余的两平行光束均被第一个偏振分光镜分成两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；

(4)参考光束包含频率分别为f₁、f₂的两平行光束，参考光束经四分之一波片和平面镜作用后，重新返回第一个偏振分光镜，此时参考光束偏振方向旋转了90°，被第一个偏振分光镜透射，然后该投射光再被参考棱镜反射回第一个偏振分光镜，此时参考光束被第一个偏振分光镜透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后再次返回第一个偏振分光镜，此时其偏振方向又旋转了90°，会被第一个偏振分光镜反射；

(5)测量光束包含频率分别为f₁、f₂的两平行光束，测量光束进入第二个偏振分光镜后被透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向旋转了90°，被反射进测量棱镜，然后被测量棱镜和第二个偏振分光镜反射，该反射光再次经四分之一波片和平面镜作用后返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向又旋转了90°，被第二个偏振分光镜透射返回第一个偏振分光镜；

(6)通过调节参考棱镜和测量棱镜使得频率为f₁的测量光束与频率为f₂的参考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为I_m1∝cos[2π(f_b+Δf)t]；频率为f₂的测量光束与频率为f₁的参考光束进行干涉，产生另一路测量信号，表示为I_m2∝cos[2π(f_b-Δf)t]，两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为f_b+Δf和f_b-Δf；

(7)两测量信号经光电探测器探测后分别送入两个相同的相位计A和相位计B，其中，相位计A用于处理频率为f_b+Δf的测量信号，相位计B用于处理频率为f_b-Δf测量信号；

(8)根据被测目标端平面镜的运动方向和运动速度，使用开关电路在相位计A和相位计B之间进行选择；

(9)根据所选择的相位计A或者相位计B对被测目标的位移进行计算。

2.根据权利要求1所述的高速高分辨率激光外差干涉测量方法，其特征在于稳频激光器输出的两平行光束为偏振方向相同的线偏振光，且偏振方向与水平方向的夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的高速高分辨率激光外差干涉测量方法，其特征在于使用开关电路进行选择时，当被测量目标端平面镜正向运动速度高于设定值V₁时，选择相位计B；当被测量目标端平面镜负向运动速度高于设定值V₂时，选择相位计A；其中，设被测量目标端平面镜远离第二个偏振分光镜的方向为正方向。

4.一种高速高分辨率激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器(1)，其特征在于该装置还包括偏振分光镜A(2)、光路补偿块(3)、四分之一波片A(4)、平面镜A(5)、参考棱镜(6)、偏振分光镜B(7)、测量棱镜(8)、四分之一波片B(9)、平面镜B(10)、光电探测器A(11)、光电探测器B(12)、相位计A(13)、相位计B(14)、开关电路(15)、测量电路(16)；其中，偏振分光棱镜A(2)位于稳频激光器(1)的输出端；光路补偿块(3)、四分之一波片A(4)和平面镜A(5)依次放置在偏振分光棱镜A(2)的反射方向上，参考棱镜(6)放置在偏振分光棱镜A(2)反射方向的另一端；偏振分光镜B(7)位于偏振分光棱镜A(2)的透射方向，在偏振分光镜B(7)的透射方向依次放置四分之一波片B(9)和平面镜B(10)，测量棱镜(8)位于偏振分光镜B(7)的反射方向；偏振分光棱镜A(2)输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A(11)，另一路接光电探测器B(12)，光电探测器A(11)的输出端接相位计A(13)输入端，光电探测器B(12)输出端接相位计B(14)输入端；稳频激光器(1)的参考信号输出端分别与相位计A(13)和相位计B(14)的输入端连接，相位计A(13)与相位计B(14)的输出端同时接开关电路(15)输入端；开关电路(15)的输出端接测量电路(16)输入端。

5.根据权利要求4所述的高速高分辨率激光外差干涉测量装置，其特征在于参考棱镜(6)为角锥棱镜时，测量棱镜(8)为直角棱镜。

6.根据权利要求4所述的高速高分辨率激光外差干涉测量装置，其特征在于参考棱镜(6)为直角棱镜时，测量棱镜(8)为角锥棱镜。

7.根据权利要求4所述的高速高分辨率激光外差干涉测量装置，其特征在于在参考棱镜(6)由两个角锥棱镜组成时，测量棱镜(8)为角锥棱镜。

8.根据权利要求4所述的高速高分辨率激光外差干涉测量装置，其特征在于参考棱镜(6)为角锥棱镜时，测量棱镜(8)由两个角锥棱镜组成。

9.根据权利要求4所述的高速高分辨率激光外差干涉测量装置，其特征在于光路补偿块(3)的厚度尺寸为偏振分光镜A(2)厚度尺寸的二分之一。

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