CN102853771B - 小型化高速超精密激光外差干涉测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

小型化高速超精密激光外差干涉测量方法及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，简化了干涉测量系统的结构；同时解决了激光光源频差对测量速度限制的问题。

Description

小型化高速超精密激光外差干涉测量方法及装置
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种小型化高速超精密激光外差干涉测量方法及装置。
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-optic displacement-measureing interferometer：a new heterodyne interferometer with Anstromlevel periodic error.Journal of Modem 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-Narn Joo等研制了一种新型激光干涉测量结构(Simple heterodyne laser interferometer with subnanometer periodic errors.Optics Letters/Vol.34，No.3/Fe bruary 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结构复杂，且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缺陷，本发明提出了一种小型化高速超精密激光外差干涉测量方法及装置，简化了外差干涉测量系统的结构，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：
一种小型化高速超精密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，两平行光束均为线偏振光，且偏振方向与水平方向的夹角为45°；
(2)两束平行光束的一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fb＝f1-f2，表示为Ir∝cos(2πfbt)；
(3) 两束平行光束的另一部分被偏振分光镜分为两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；
(4)参考光束中，频率分别为f1、f2的两参考光束经反射棱镜与参考棱镜反射后，返回偏振分光镜；
(5)测量光束中，频率分别为f1、f2的两光束经过四分之一波片和平面反射镜作用后返回偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向旋转了90°，被偏振分光镜反射，然后再被测量棱镜反射回偏振分光镜，经偏振分光镜反射后，再次经四分之一波片和平面反射镜作用返回偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向又旋转了90°，被偏振分光镜透射；
(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Im1∝cos[2π(fb+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Im2∝cos[2π(fb-Δf)t]，两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分另为fb+Δf和fb-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fb+Δf的测量信号，相位计B用于处理频率为fb-Δf的测量信号；
(8)根据被测目标端平面反射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。
所述的相位计在使用开关电路进行选择时，当被测量目标端平面反射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反射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偏振分光棱镜的方向为正方向。
一种小型化高速超精密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、测量棱镜、四分之一波片、平面反射镜、反射棱镜、参考棱镜、相位计A、相位计B、开关电路、测量电路，其中，偏振分光镜位于稳频激光器输出端；在偏振分光镜的反射方向放置反射棱镜，参考棱镜位于反射棱镜的反射方向；在偏振分光镜的透射方向依次放置四分之一波片和平面反射镜，测量棱镜位于偏振分光镜的另一个反射方向；偏 振分光镜最终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、相位计B输出端同时接开关电路输入端，开关电路的输出端与测量电路连接。
所述的参考棱镜为角锥棱镜，同时测量棱镜为直角棱镜。
所述的参考棱镜为直角棱镜，同时测量棱镜为角锥棱镜。
所述的参考棱镜由两个角锥棱镜组成，同时测量棱镜为角锥棱镜。
所述的参考棱镜为角锥棱镜，同时测量棱镜由两个角锥棱镜组成。
所述的反射棱镜为直角棱镜，且直角边长度与偏振分光镜的边长相等。
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、3测量棱镜、4四分之一波片、5平面 反射镜、6反射棱镜、7参考棱镜、8光电探测器A、9光电探测器B、10相位计A、11相位计B、12开关电路、13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。
一种小型化高速超精密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A8、光电探测器B9，该装置还包括偏振分光镜2、测量棱镜3、四分之一波片4、平面反射镜5、反射棱镜6、参考棱镜7、相位计A10、相位计B11、开关电路12、测量电路13，其中，偏振分光镜2位于稳频激光器1输出端；在偏振分光镜2的反射方向放置反射棱镜6，参考棱镜7位于反射棱镜6的反射方向；在偏振分光镜2的透射方向依次放置四分之一波片4和平面反射镜5，测量棱镜3位于偏振分光镜2的另一个反射方向；偏振分光镜2最终输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A8，另一路接光电探测器B9；光电探测器A8的输出端接相位计A10输入端，光电探测器B9输出端接相位计B11输入端；稳频激光器1的参考信号输出端分别与相位计A10和相位计B11的输入端连接，相位计A10、相位计B11输出端同时接开关电路12输入端，开关电路12的输出端与测量电路13连接。
一种小型化高速超精密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，两平行光束均为线偏振光，且偏振方向与水平方向的夹角为45°；
(2)两束平行光束的一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fb＝f1-f2，表示为Ir∝cos(2πfbt)；
(3)两束平行光束的另一部分被偏振分光棱镜2为两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；
(4)参考光束中，频率分别为f1、f2的两参考光束经反射棱镜6与参考棱镜7反射后，返回偏振分光棱镜；
(5)测量光束中，频率分别为f1、f2的两光束经过四分之一波片4和平面反射镜5作用后返回偏振分光棱镜2，此时测量光束的偏振方向旋转了90°，被偏振分光镜2反射，然后再被测量棱镜3反射回偏振分光镜2，经偏振分光镜2反射后，再次经四分之一波片4和平面反射镜5作用返回偏振分光镜2，此时测量光束的偏振方向又旋转了90°，被偏振分光镜2透射；
(6)通过调节参考棱镜7和测量棱镜3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Im1∝cos[2π(fb+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Im2∝cos[2π(fb-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fb+Δf和fb-Δf；
(7)两测量信号分别被光电探测器A8和光电探测器B9探测；
(8)光电探测器A8输出频率为fb+Δf的测量信号，并将信号送入相位计A10中进行处理；
(9)光电探测器B 9输出频率为fb-Δf的测量信号，并将信号送入相位计B11中进行处理；
(10)相位计A 10和相位计B11的处理信号同时送入开关电路12，根据被测目标的运动方向和运动速度在两相位计之间进行选择；相位计A10和相位计B11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”，当被测目标运动速度高于“滞回区”的上限Vth时，由相位计A10切换为相位计B11，相位计B11输出被送入相位累加器。同理，当被测目标运动速度低于“滞回区”的下限-Vth时，由相位计B11切换回相位计A10。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。
(11)将经过开关电路12选择后的信号送入测量电路13中进行处理，从而获得被测目标的运动信息。

Claims (8)

1.一种小型化高速超精密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，两平行光束均为线偏振光，且偏振方向与水平方向的夹角为45°；
(2)两束平行光束的一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fb＝f1-f2，表示为Ir∝cos(2πfbt)；
(3)另一部分平行光束被偏振分光镜为两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；
(4)参考光束中，频率分别为f1、f2的两参考光束经反射棱镜与参考棱镜反射后，返回偏振分光镜；
(5)测量光束中，频率分别为f1、f2的两光束经过四分之一波片和平面反射镜作用后返回偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向旋转了90°，被偏振分光镜反射，然后再被测量棱镜反射回偏振分光镜，经偏振分光镜反射后，再次经四分之一波片和平面反射镜作用返回偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向又旋转了90°，被偏振分光镜透射；
(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Im1∝cos[2π(fb+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Im2∝cos[2π(fb-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fb+Δf和fb-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fb+Δf的测量信号，相位计B用于处理频率为fb-Δf的测量信号；
(8)根据被测目标端平面反射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所述的小型化高速超精密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反射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反射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反射镜远离偏振分光镜的方向为正方向。
3.一种小型化高速超精密激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器(1)、偏振分光镜(2)、测量棱镜(3)、四分之一波片(4)、平面反射镜(5)、反射棱镜(6)、参考棱镜(7)，其特征在于该装置还包括光电探测器A(8)、光电探测器B(9)、相位计A(10)、相位计B(11)、开关电路(12)、测量电路(13)，其中，偏振分光镜(2)位于稳频激光器(1)输出端；在偏振分光镜(2)的反射方向放置反射棱镜(6)，参考棱镜(7)位于反射棱镜(6)的反射方向；在偏振分光镜(2)的透射方向依次放置四分之一波片(4)和平面反射镜(5)，测量棱镜(3)位于偏振分光镜(2)的另一个反射方向；偏振分光镜(2)最终输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A(8)，另一路接光电探测器B(9)；光电探测器A(8)的输出端接相位计A(10)输入端，光电探测器B(9)输出端接相位计B(11)输入端；稳频激光器(1)的参考信号输出端分别与相位计A(10)和相位计B(11)的输入端连接，相位计A(10)和相位计B(11)输出端同时接开关电路(12)输入端，开关电路(12)的输出端与测量电路(13)连接。
4.根据权利要求3所述的小型化高速超精密激光外差干涉测量装置，其特征在于参考棱镜(7)为角锥棱镜时，测量棱镜(3)为直角棱镜。
5.根据权利要求3所述的小型化高速超精密激光外差干涉测量装置，其特征在于参考棱镜(7)为直角棱镜时，测量棱镜(3)为角锥棱镜。
6.根据权利要求3所述的小型化高速超精密激光外差干涉测量装置，其特征在于参考棱镜(7)由两个角锥棱镜组成时，测量棱镜(3)为角锥棱镜。
7.根据权利要求3所述的小型化高速超精密激光外差干涉测量装置，其特征在于参考棱镜(7)为角锥棱镜时，测量棱镜(3)由两个角锥棱镜组成。
8.根据权利要求3所述的小型化高速超精密激光外差干涉测量装置，其特征在于反射棱镜(6)为直角棱镜，且直角边长度与偏振分光镜(2)的边长相等。
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