CN103105134B - 一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，属于几何量计量技术领域。其特征是将猫眼反射原理用于干涉法微位移测量，提出猫眼反射镜引入的位移测量误差修正数学模型，并采用平衡式双光程光学系统结构以提高系统的抗干扰能力。本发明的误差修正方法可以将猫眼反射镜引入的测量误差减小到纳米量级。本系统硬件由稳频激光光源、偏振分光镜、透镜-反射镜式猫眼反射镜、角锥棱镜、波片、偏振片、必要的反射镜和直角棱镜、以及光电接收器等组成。本系统具有测量分辨力高、抗干扰能力强、可实现非接触测量等特点，可用于解决无法使用角锥棱镜的情况下的微位移干涉测量问题，在微位移、微振动、热膨胀系数等测量方面有重要的推广应用价值。

Description

一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，具体涉及一种可以应用于纳米级准确度非接触式微位移测量的基于猫眼反射原理的平衡式干涉仪光学系统，属于几何量计量技术领域。

背景技术

微纳米科学技术的发展和微机电系统的应用，对非接触式微位移测量技术提出了迫切需求。激光干涉测量技术以其量值可溯源、测量分辨力高等特点，一直在高准确度微位移测量中占主导地位，其测量准确度可达到纳米量级。但是，在干涉测量中通常采用的用角锥棱镜实现测量光束180°转折的方法，已无满足一些特殊场合的使用要求。例如在微小结构的微位移测量中，角锥棱镜会因其体积和重量而使应用受到限制；在材料线膨胀系数测量中，由于接触变形、热传导等原因，不适于将角锥棱镜与被测件接触；再如在振动测量中，有时也不适于采用角锥棱镜。在这些情况下，就需要用一种非接触方法来实现测量光束的逆向反射。

用透镜-反射镜式猫眼反射镜作为干涉仪的测量镜进行微位移测量，可以将测量光束直接会聚在被测物体表面，从而实现非接触测量，解决不适于安装角锥棱镜的场合的高精度微位移测量问题。然而，在采用猫眼反射原理测量位移的过程中，被测位移所引起的反射面离焦会使测量光束的波面发生变形，从而导致位移测量误差。该问题一直限制着这种方法在高准确度测量中的应用。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有干涉测量技术的局限，解决不适于使用角锥棱镜的情况的微位移测量问题，提供了一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统。具有双光程平衡式光学系统结构，并对猫眼反射镜引入的位移测量误差进行修正。该系统突破了基于猫眼反射原理的微位移干涉测量方法的原理性精度限制，可以用于实现纳米级准确度非接触式微位移测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，包括：稳频激光光源，小偏振分光镜，直角棱镜，半波片，角锥棱镜，1/4波片，透镜，平面反射镜，大偏振分光镜，偏振片和光电接收器；

连接关系：以大偏振分光镜为中心，说明该系统各组成部分之间的位置关系；大偏振分光镜的左侧为两组上下并排放置的小偏振分光镜和直角棱镜的组合，小偏振分光镜和直角棱镜胶合在一起或紧贴着放置，两组镜子的总宽度约等于大偏振分光镜的宽度；在大偏振分光镜与每个直角棱镜之间，各放置一个半波片；下面的小偏振分光镜的左侧为稳频激光光源，上面的小偏振分光镜的左侧依次为偏振片和光电接收器；大偏振分光镜的下方为直角棱镜；大偏振分光镜的右侧为1/4波片，1/4波片的右侧依次放置透镜、平面反射镜和被测物；被测物的前表面位于透镜的焦面上；平面反射镜的中部开孔，以允许透镜和被测物之间的光束通过；透镜与平面反射镜中部的开孔对应平行。

工作过程为：从稳频激光光源发出的光束，被小偏振分光镜分为两束，透过该小偏振分光镜的光束为测量光束，被该小偏振分光镜反射的光束为参考光束。

测量光束经过大偏振分光镜和1/4波片后，被透镜会聚在被测物的表面。透镜和被测物的反射表面组成猫眼反射系统。测量光束在被测物的表面反射后，再次经过1/4波片，由于两次经过1/4波片，光束偏振方向旋转90°，因此，当它回到大偏振分光镜时，被该偏振分光镜反射。测量光束经过角锥棱镜反射后，回到大偏振分光镜时仍然被反射。然后，测量光束再次依次经过1/4波片、透镜、被测物、透镜和1/4波片。其偏振方向又旋转了90°，因此，它透过大偏振分光镜。然后，测量光束经过半波片，偏振方向旋转90°，经直角棱镜转折后，到达小偏振分光镜，被反射。

参考光束经直角棱镜转折后，通过半波片，偏振方向旋转90°，然后通过大偏振分光镜和1/4波片，到达平面反射镜。被该反射镜反射后，该光束经过1/4波片，回到大偏振分光镜。与测量光束一样，它也被该偏振分光镜反射，经角锥棱镜反射后，回到大偏振分光镜，仍然被反射。然后，参考光束再次依次经过1/4波片、平面反射镜、1/4波片、大偏振分光镜。到小偏振分光镜后，透过该偏振分光镜。

测量光束和参考光束在小偏振分光镜处相遇，然后经过偏振片。于是，两束光产生干涉，干涉信号由光电接收器接收。

所述装置还可以将稳频激光光源与偏振片、光电接收器的组合互换位置，此时光束传播方向与原传播方向相反。

对于猫眼反射镜引入的位移测量误差，本发明利用式(1)所示的误差修正数学模型，对测量结果进行修正，从而有效地提高这种微位移测量系统的测量准确度。

$d=\frac{d_m}{1-\frac{1}{8}{\left(\frac{D}{f}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中，d_m是采用猫眼反射镜的干涉系统给出的原始测量结果，D是猫眼反射系统的有效孔径，f是猫眼反射系统透镜的焦距，d为修正后的位移测量结果。本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，以d为最后的测量结果。

有益效果

1、本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，因为采用透镜-反射镜式猫眼反射镜作为测量镜，所以能够实现非接触测量。

2、本发明所述的系统，因为用式(1)对测量结果进行修正，所以解决了基于猫眼反射原理的微位移测量中因被测位移引起反射面离焦而导致位移测量误差的问题，突破了基于猫眼反射原理的微位移测量方法的原理性精度限制。

3、本发明所述的系统，因为采用平衡式光学系统结构，所以使干涉仪的抗干扰能力得到显著提高。

4、本发明所述的系统，因为采用双光程干涉测量方式，所以使干涉系统的光学分辨力提高了一倍。

综上所述，本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，具有测量分辨力高、抗干扰能力强、可实现非接触测量、容易实现等特点，有效解决了高准确度非接触式微位移测量问题，在微小结构的微位移测量、微振动测量和线膨胀系数测量等方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1是本发明所述的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统的实施例的光学系统示意图。

其中，1-稳频激光光源，2-小偏振分光镜，3-直角棱镜，4-半波片，5-角锥棱镜，6-1/4波片，7-透镜，8-被测物，9-平面反射镜，10-大偏振分光镜，11-偏振片，12-光电接收器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。

实施例1

本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，包括：稳频激光光源1，小偏振分光镜2，直角棱镜3，半波片4，角锥棱镜5，1/4波片6，透镜7，平面反射镜9，大偏振分光镜10，偏振片11和光电接收器12，如图1所示；

以大偏振分光镜10为中心，说明该系统各组成部分之间的位置关系；

大偏振分光镜10的左侧为两组上下并排放置的小偏振分光镜2和直角棱镜3的组合，小偏振分光镜2和直角棱镜3胶合在一起或紧贴着放置，两组镜子的总宽度约等于大偏振分光镜10的宽度；在大偏振分光镜10与每个直角棱镜3之间，各放置一个半波片4；下面的小偏振分光镜2的左侧为稳频激光光源1，上面的小偏振分光镜2的左侧依次为偏振片11和光电接收器12；

大偏振分光镜10的下方为直角棱镜5；

大偏振分光镜10的右侧为1/4波片，1/4波片的右侧依次放置透镜7、平面反射镜9和被测物8；被测物8的前表面位于透镜7的焦面上；平面反射镜9的中部开孔，以允许透镜7和被测物8之间的光束通过；透镜7与平面反射镜9中部的开孔对应平行。

从稳频激光光源1发出的光束，被小偏振分光镜2分为两束，透过该小偏振分光镜的光束为测量光束，如图1中实线所示；被该小偏振分光镜反射的光束为参考光束，如图1中虚线所示。

测量光束经过大偏振分光镜10和1/4波片6后，被透镜7会聚在被测物8的表面。透镜7和被测物8的反射表面组成猫眼反射系统。测量光束在被测物8的表面反射后，再次经过1/4波片6，由于两次经过1/4波片，光束偏振方向旋转90°，因此，当它回到大偏振分光镜10时，被该偏振分光镜反射。测量光束经过角锥棱镜5反射后，回到大偏振分光镜10时仍然被反射。然后，测量光束再次依次经过1/4波片6、透镜7、被测物8、透镜7和1/4波片6。其偏振方向又旋转了90°，因此，它透过大偏振分光镜10。然后，测量光束经过半波片(与4同)，偏振方向旋转90°，经直角棱镜(与3同)转折后，到达小偏振分光镜(与2同)，被反射。

参考光束经直角棱镜3转折后，通过半波片4，偏振方向旋转90°，然后通过大偏振分光镜10和1/4波片6，到达平面反射镜9。被该反射镜反射后，该光束经过1/4波片6，回到大偏振分光镜10。与测量光束一样，它也被该偏振分光镜反射，经角锥棱镜5反射后，回到大偏振分光镜10，仍然被反射。然后，参考光束再次依次经过1/4波片6、平面反射镜9、1/4波片6、大偏振分光镜10。到小偏振分光镜后，透过该偏振分光镜。

测量光束和参考光束在小偏振分光镜处相遇，然后经过偏振片11。于是，两束光产生干涉，干涉信号由光电接收器12接收。

对于猫眼反射镜引入的位移测量误差，本发明利用式(1)所示的误差修正数学模型，对测量结果进行修正，从而有效地提高这种微位移测量系统的测量准确度。

$d=\frac{d_m}{1-\frac{1}{8}{\left(\frac{D}{f}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中，d_m是采用猫眼反射镜的干涉系统给出的原始测量结果，D是猫眼反射系统的有效孔径，f是猫眼反射系统透镜的焦距，d为修正后的位移测量结果。本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，以d为最后的测量结果。

本误差修正数学模型，是通过首先利用应用光学中的光线追迹公式计算焦面反射镜位移所引起的测量光束的波面变化，再根据光频外差探测原理计算这种波面变化所引起的位移测量误差而建立的。该数学模型的有效性，通过在同样位移情况下，对采用猫眼反射镜的测量结果与采用角锥棱镜的测量结果进行比较，得到了验证。对于有效孔径为10mm、焦距为100mm的猫眼反射镜，在100μm位移情况下，两种方法测量结果的差值由误差修正前的125nm减小到经误差修正后的5nm。

Claims (3)

1.一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，其特征在于：包括稳频激光光源(1)，小偏振分光镜(2)，直角棱镜(3)，半波片(4)，角锥棱镜(5)，1/4波片(6)，透镜(7)，平面反射镜(9)，大偏振分光镜(10)，偏振片(11)和光电接收器(12)；

以大偏振分光镜(10)为中心，说明该系统各组成部分之间的位置关系；大偏振分光镜(10)的左侧为两组上下并排放置的小偏振分光镜(2)和直角棱镜(3)的组合，小偏振分光镜(2)和直角棱镜(3)胶合在一起或紧贴着放置，两组镜子的总宽度约等于大偏振分光镜(10)的宽度；在大偏振分光镜(10)与每个直角棱镜(3)之间，各放置一个半波片(4)；下面的小偏振分光镜(2)的左侧为稳频激光光源(1)，上面的小偏振分光镜(2)的左侧依次为偏振片(11)和光电接收器(12)；大偏振分光镜(10)的下方为角锥棱镜(5)；大偏振分光镜(10)的右侧为1/4波片，1/4波片的右侧依次放置透镜(7)、平面反射镜(9)和被测物(8)；被测物(8)的前表面位于透镜(7)的焦面上；平面反射镜(9)的中部开孔，以允许透镜(7)和被测物(8)之间的光束通过；透镜(7)与平面反射镜(9)中部的开孔对应平行；

工作过程为：从稳频激光光源(1)发出的光束，被小偏振分光镜(2)分为两束，透过该小偏振分光镜的光束为测量光束，被该小偏振分光镜反射的光束为参考光束；测量光束经过大偏振分光镜(10)和1/4波片(6)后，被透镜(7)会聚在被测物(8)的表面；透镜(7)和被测物(8)的反射表面组成猫眼反射系统；测量光束在被测物(8)的表面反射后，再次经过1/4波片(6)，由于两次经过1/4波片，光束偏振方向旋转90°，因此，当它回到大偏振分光镜(10)时，被该偏振分光镜反射；测量光束经过角锥棱镜(5)反射后，回到大偏振分光镜(10)时仍然被反射；然后，测量光束再次依次经过1/4波片(6)、透镜(7)、被测物(8)、透镜(7)和1/4波片(6)；其偏振方向又旋转了90°，因此，它透过大偏振分光镜(10)；然后，测量光束经过半波片，偏振方向旋转90°，经直角棱镜转折后，到达小偏振分光镜，被反射；

参考光束经直角棱镜(3)转折后，通过半波片(4)，偏振方向旋转90°，然后通过大偏振分光镜(10)和1/4波片(6)，到达平面反射镜(9)；被该反射镜反射后，该光束经过1/4波片(6)，回到大偏振分光镜(10)；与测量光束一样，它也被该偏振分光镜反射，经角锥棱镜(5)反射后，回到大偏振分光镜(10)，仍然被反射；然后，参考光束再次依次经过1/4波片(6)、平面反射镜(9)、1/4波片(6)、大偏振分光镜(10)；到小偏振分光镜后，透过该偏振分光镜；

测量光束和参考光束在小偏振分光镜处相遇，然后经过偏振片(11)；于是，两束光产生干涉，干涉信号由光电接收器(12)接收。

2.如权利要求1所述的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，其特征在于：所述该系统还可以将稳频激光光源(1)与偏振片(11)、光电接收器(12)的组合互换位置，此时光束传播方向与原传播方向相反。

3.如权利要求1所述的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，其特征在于：对于猫眼反射镜引入的位移测量误差，本发明利用式(1)所示的误差修正数学模型，对测量结果进行修正，从而有效地提高这种微位移测量系统的测量准确度；

$d=\frac{d_m}{1-\frac{1}{8}{\left(\frac{D}{f}\right)}^2}---\left(1\right)$

式中，d_m是采用猫眼反射镜的干涉系统给出的原始测量结果，D是猫眼反射系统的有效孔径，f是猫眼反射系统透镜的焦距，d为修正后的位移测量结果；本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，以d为最后的测量结果。