CN103743346B - 基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法与装置 - Google Patents

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基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法与装置属于激光应用技术领域；发明方法采用了两束具有不同频率的空间分离平行光，两平行光束在非偏振分光棱镜上的入射点位于入射面的对角线上，并关于入射面的中心点对称，并采用角锥棱镜作为参考棱镜和测量棱镜；该方法最终产生了两个具有相反多普勒频移的干涉测量信号来进行干涉测量；本发明方法及装置对被测目标的倾斜不敏感，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，同时将外差干涉测量的分辨率提高了一倍。

Description

基于角锥棱镜的对角入射光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，主要涉及一种基于角锥棱镜的对角入射光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，对加工精度提出越来越高的要求；同时也对外差干涉测量的测量精度和分辨率都提出了新的挑战。
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-measureinginterferometer：anewheterodyneinterferometerwithAnstromlevelperiodicerror.JournalofModernOptics49，pages2105-2114)。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-NamJoo等研制了一种新型激光干涉测量结构(Simpleheterodynelaserinterferometerwithsubnanometerperiodicerrors.OpticsLetters/Vol.34，No.3/February1，2009)。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。但是该方法光学结构不对称，易受环境温度的影响。
综上所述，现有激光外差干涉测量方法均无法满足超精密加工测量对干涉仪的高精度和分辨率的要求，严重限制了超精密加工测量领域的发展。
发明内容
本发明的目的就是针对上述现有的不足，提出了一种基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法与装置，以达到提高激光外差干涉的测量精度和测量分辨率的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法，该方法是：
(1)两束频率分别为f1、f2且空间分离平行光束入射到非偏振分光棱镜；
(2)所述两束平行光入射到非偏振分光棱镜上的入射点位于入射面的对角位置；
(3)频率为f1的光束被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分，同时频率为f2的光束也被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分；
(4)频率为f1的参考光束入射到固定角锥棱镜A，并被反射回非偏振分光棱镜；频率为f2的参考光束入射到固定角锥棱镜B，并被反射回非偏振分光棱镜；
(5)频率分别为f1的测量光束入射到目标端角锥棱镜C，并被反射回非偏振分光棱镜；频率分别为f2的测量光束入射到目标端角锥棱镜D，并被反射回非偏振分光棱镜；
(6)调节固定角锥棱镜A和目标端角锥棱镜D，使频率为f1的参考光束与频率为f2的测量光束重合并产生干涉信号Im1；调节固定角锥棱镜B和目标端角锥棱镜C，使频率为f2的参考光束与频率为f1的测量光束重合并产生干涉信号Im2；根据两干涉信号Im1、Im2计算出目标端角锥棱镜的位移量。
一种基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量装置，该装置包括非偏振分光棱镜、光电探测器A、光电探测器B；两束平行光入射到非偏振分光棱镜上的入射点位于入射面的对角位置，非偏振分光棱镜输出两路干涉测量光束，其中一路干涉测量光束接光电探测器A，另一路干涉测量光束接光电探测器B；该装置还包括固定角锥棱镜A、固定角锥棱镜B、目标端角锥棱镜C和目标端角锥棱镜D；所述固定角锥棱镜A和固定角锥棱镜B位于非偏振分光棱镜反射光输出端，目标端角锥棱镜C和目标端角锥棱镜D位于非偏振分光棱镜的透射光输出端。
本发明具有以下特点及良好效果：
(1)本发明中，参考光束与测量光束在空间上是分离的，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，干涉镜组调节难度及加工成本高；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，通过对两测量信号进行差值处理可将干涉仪的分辨率提高一倍。
(4)本发明中，激光干涉仪的结构在参考光路和测量光路上完全对称，消除环境温度变化引入的温度漂移，提高了激光干涉仪的测量精度。
附图说明
图1是基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量装置的结构三维示意图
图2是基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量装置结构示意图
图3是图2的左视图
图中件号说明：1非偏振分光棱镜、2固定角锥棱镜B、3固定角锥棱镜A、4目标端角锥棱镜C、5目标端角锥棱镜D、6光电探测器A、7光电探测器B、8频率为f2的入射光束、9频率为f1的入射光束。
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。
一种基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量装置，该装置包括非偏振分光棱镜1、光电探测器A6、光电探测器B7；两束平行光入射到非偏振分光棱镜1上的入射点位于入射面的对角位置，非偏振分光棱镜1输出两路干涉测量光束，其中一路干涉测量光束接光电探测器A6，另一路干涉测量光束接光电探测器B7；该装置还包括固定角锥棱镜A3、固定角锥棱镜B2、目标端角锥棱镜C4和目标端角锥棱镜D5；所述固定角锥棱镜A3和固定角锥棱镜B2位于非偏振分光棱镜1反射光输出端，目标端角锥棱镜C4和目标端角锥棱镜D5位于非偏振分光棱镜1的透射光输出端。
一种基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法，该方法是：
(1)两束频率分别为f1、f2且空间分离平行光束入射到非偏振分光棱镜；
(2)所述两束平行光入射到非偏振分光棱镜上的入射点位于入射面的对角位置，如图3所示；
(3)频率为f1的光束被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分，同时频率为f2的光束也被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分；
(4)频率为f1的参考光束入射到固定角锥棱镜A，并被反射回非偏振分光棱镜；频率为f2的参考光束入射到固定角锥棱镜B，并被反射回非偏振分光棱镜；
(5)频率分别为f1的测量光束入射到目标端角锥棱镜C，并被反射回非偏振分光棱镜；频率分别为f2的测量光束入射到目标端角锥棱镜D，并被反射回非偏振分光棱镜；
(6)调节固定角锥棱镜A和目标端角锥棱镜D，使频率为f1的参考光束与频率为f2的测量光束重合并产生干涉信号Im1；调节固定角锥棱镜B和目标端角锥棱镜C，使频率为f2的参考光束与频率为f1的测量光束重合并产生干涉信号Im2；根据两干涉信号Im1、Im2计算出目标端角锥棱镜的位移量。

Claims (2)

1.一种基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法，该方法是：
(1)两束频率分别为f1、f2且空间分离平行光束入射到非偏振分光棱镜；
其特征在于：
(2)所述两束平行光入射到非偏振分光棱镜上的入射点位于入射面的对角位置；
(3)频率为f1的光束被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分，同时频率为f2的光束也被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分；
(4)频率为f1的参考光束入射到固定角锥棱镜A，并被反射回非偏振分光棱镜；频率为f2的参考光束入射到固定角锥棱镜B，并被反射回非偏振分光棱镜；
(5)频率分别为f1的测量光束入射到目标端角锥棱镜C，并被反射回非偏振分光棱镜；频率分别为f2的测量光束入射到目标端角锥棱镜D，并被反射回非偏振分光棱镜；
(6)调节固定角锥棱镜A和目标端角锥棱镜D，使频率为f1的参考光束与频率为f2的测量光束重合并产生干涉信号Im1；调节固定角锥棱镜B和目标端角锥棱镜C，使频率为f2的参考光束与频率为f1的测量光束重合并产生干涉信号Im2；根据两干涉信号Im1、Im2计算出目标端角锥棱镜的位移量。
2.一种基于角锥棱镜的对角入射光激光外差干涉测量装置，该装置包括非偏振分光棱镜(1)、光电探测器A(6)、光电探测器B(7)；两束平行光入射到非偏振分光棱镜(1)上的入射点位于入射面的对角位置，非偏振分光棱镜(1)输出两路干涉测量光束，其中一路干涉测量光束接光电探测器A(6)，另一路干涉测量光束接光电探测器B(7)；其特征在于该装置还包括固定角锥棱镜A(3)、固定角锥棱镜B(2)、目标端角锥棱镜C(4)和目标端角锥棱镜D(5)；所述固定角锥棱镜A(3)和固定角锥棱镜B(2)位于非偏振分光棱镜(1)反射光输出端，目标端角锥棱镜C(4)和目标端角锥棱镜D(5)位于非偏振分光棱镜(1)的透射光输出端。
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