CN104713474B - 一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、固定反射镜、移动反射镜、光电探测器组，其中激光源包括n(n≥2)个平行激光束，光电探测器组包括n个光电探测器件，固定反射镜的反射面为n个阶梯平面，相邻两个反射平面间距为λ/2n+kλ/2(k为自然数)；每束激光经分光镜后变为两束，其中一束经固定反射镜反射后从分光镜透射，到达光电探测器，同时另一束激光依次经移动反射镜、分光镜反射后也入射至该光电探测器。该激光干涉仪产生的激光干涉现象不仅和激光波长有关，还和阶梯型反射平面高度差值有关，该光电探测器组能够检测到精度达到λ/2n级别的位移，显著提高了测量精度。

Description

一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪

技术领域

本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪。

背景技术

激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛：精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等。在大多数激光干涉测长系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构。

单频激光干涉仪从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式L＝N×λ/2，式中λ为激光波长(N为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。

单频激光干涉仪的弱点之一就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削屑对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。

单频激光干涉仪由于测量结构的问题，其测量精度受限于激光的波长，其精度一般只能为其波长的整数倍，很难再进行提升，同时测量环境的变化对测量结果有较大影响。随着工业生产对精密测量的要求越来越高，对测量仪器的测量精度提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有激光干涉仪测量精度受限于激光波长，测量精度难以提升的不足，提供一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，该激光干涉仪在现有迈克尔逊激光干涉仪的基础上，采用多光源多阶梯平面反射镜，对于n阶梯平面反射镜可以检测λ/2n的精度，提高了激光干涉仪的测量精度。同时由于多光路干涉状态交替变换，对测量光路的环境变化有更高的抗干扰能力。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、固定反射镜、移动反射镜、光电探测器组，其特征在于，所述激光源包括n个平行激光束，其中n≥2，所述光电探测器组包括n个光电探测器件，所述固定反射镜的反射面为n个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于λ/2n+kλ/2，其中k为任意自然数、λ为激光源发出的激光波长；每个所述激光源发出的每束激光经过所述分光镜反射后，分别垂直射入对应一个反射平面，每个所述反射平面将对应激光反射到所述光电探测器组的对应各个光电探测器件；所述激光源发出的每束激光束经过所述分光镜透射后，分别垂直入射到所述移动反射镜后反射到光电探测器组的对应的各个光电探测器件。

该激光干涉仪的激光源产生的平行激光束数量、阶梯型反射平面数量和光电探测器件的数量均为n(n≥2)，且为一一对应，即激光源发射的每束激光均分为两路，一路激光通过分光镜反射到固定反射镜的阶梯面的其中一个平面后，垂直反射到光电探测器组上的其中一个光电探测器件，另一路激光直接在分光镜内透射后入射到移动反射镜后再垂直反射到同一个光电探测器件，该光电探测器件即能探测到这两路光程差在移动反射镜发生位移过程中是否产生最强干涉状态或最弱干涉状态。由于固定反射镜上为阶梯型反射面，所以激光源发射的各束激光通过固定反射镜的阶梯面反射后的光路的光程是不相同的，同时激光源发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器件后的光程差值均不相同，能够发生干涉现象不仅和激光的波长有关，还和阶梯反射平面的平面高度差值有关系，由于该阶梯面(即阶梯型反射平面)的相邻两个平面高度差值等于λ/2n+kλ/2，即相邻阶梯面的高度差值可以相同也可以不同，由于每束激光在每个反射平面反射后，光程有所差异，不管相邻两个反射平面的高度差值多少，其光程差均为λ/n+kλ。

由于上述光程差公式中kλ并不会影响该光束激光的干涉状态，只有差值λ/n才会对该光束激光的干涉状态产生影响，因此，只要移动反射镜进行移动λ/2n的距离或整数倍于λ/2n的距离，该光电探测器组上的光电探测器件的其中一个能够检测出其激光干涉状态达到最强干涉状态，故该激光干涉仪的检测精度则变为λ/2n，相对于现有的激光干涉仪只能检测精度为激光波长λ而言，该测量精度得到了显著提高，该测量精度即由固定反射镜的阶梯面的每两个阶梯平面的间距(也可称为高度或厚度)以及激光源的激光波长决定。

由于采用多光路干涉测量，测量过程中，各光电探测器探测到的直流电平应该交替变化，如果某一光路的测量环境的变化造成光电探测器测量的直流电平发生偏移，而其它测量光路的光电探测器探测到的直流电平没有发生交替变化，此时认为该测量光路是受到测量环境的影响，忽略其电平变化。如果多条光路的测量环境的变化造成多个光电探测器测量的直流电平发生偏移，则认为测量环境发生变化，忽略其电平变化。仅仅对于测量过程中严格满足多光路干涉状态交替变化的情况才对其进行计数，即多光路干涉测量中引入交流信号，将传统的激光干涉测量中直流电平的测量转换为交流信号的测量。

需要说明的是，相邻两个平面高度差值等于λ/2n+kλ/2，真正决定激光是否处于最强干涉状态的只是差值λ/2n，增加的差值kλ/2是为了增加阶梯面相邻两个反射面的高度差值。

优选地，所述固定反射镜包括平面反射镜本体以及n-1个反射薄片组合而成，每个所述反射薄片的厚度为λ/2n+kλ/2，其中k为自然数。

该阶梯面通过n-1个反射薄片叠加在平面反射镜本体上而成，平面反射镜本体表面为激光干涉仪用普通反射镜，其中每个反射薄片的厚度为λ/2n+kλ/2，k为自然数，即每个反射薄片的厚度可以相同也可以不同。

优选地，每个所述反射薄片厚度均为λ/2n。

优选地，所述平面反射镜本体以及n-1个厚度相同的反射薄片为一体成型体，避免分块的反射薄片连接在一起产生的相邻两个反射薄片形成的两个阶梯平面的高度误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果：该高精度阶梯平面反射激光干涉仪的激光源发射的激光束数量、阶梯型反射平面数量和光电探测器件的数量均为n(n≥2)，且一一对应，由于激光源发射的各束激光通过固定反射镜的阶梯面上不同平面反射后的光路的光程不同，同时激光源发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器件后的光程差值均不相同，各个光电探测器件能够探测到对应的两路激光是否能够发生干涉现象，该干涉现象的产生不仅和激光的波长有关，还和阶梯面的平面高度差值有关系，由于该阶梯面的相邻两个平面高度差值等于λ/2n+kλ/2，因此，只要移动反射镜进行移动λ/2n的距离或整数倍于λ/2n的距离，该光电探测器组上的光电探测器件只能其中一个能够检测出其处于最强激光干涉状态，故该激光干涉仪的检测精度为λ/2n；相对于现有的激光干涉仪只能检测精度为激光波长λ而言，其测量精度得到了显著的提高。同时由于采用多光路干涉测量，测量过程中，各光电探测器探测到的直流电平应该交替变化，如果某一光路的测量环境的变化造成光电探测器测量的直流电平发生偏移，而其它测量光路的光电探测器探测到的直流电平没有发生交替变化，此时认为该测量光路是受到测量环境的影响，忽略其电平变化。如果多条光路的测量环境的变化造成多个光电探测器测量的直流电平发生偏移，则认为测量环境发生变化，忽略其电平变化。仅仅对于测量过程中严格满足多光路干涉状态交替变化的情况才对其进行计数，即多光路干涉测量中引入交流信号，将传统的激光干涉测量中直流电平的测量转换为交流信号的测量，提高了干涉仪的抗干扰能力。

附图说明：

图1为本发明所多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪使用时的激光光路示意图；

图2为图1中激光源的结构示意图；

图3为图1中固定反射镜的阶梯型反射平面的结构示意图。

图中标记：

1、激光源，11、激光束一，12、激光束二，13、激光束三，14、激光束四，2、分光镜，3、固定反射镜，31、反射平面一，32、反射平面二，33、反射平面三，34、反射平面四，35、反射镜本体，36、反射薄片，4、移动反射镜，5、光电探测器组，51、光电探测器件一，52、光电探测器件二，53、光电探测器件三，54、光电探测器件四。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

如图1所示，一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源1、分光镜2、固定反射镜3、移动反射镜4、光电探测器组5，其中激光源1包括n个平行激光束，n≥2，光电探测器组5也包括n个光电探测器件，固定反射镜3的反射面为n个阶梯型反射平面，相邻两个阶梯反射平面的间距h等于λ/2n+kλ/2，其中k为自然数、λ为激光源1发出的激光波长；激光源1发出的每束激光束经过分光镜2反射后，分别垂直射入对应一个反射薄片36，每个反射薄片36将每束激光反射到对应的光电探测器件；激光源1发出的对应激光束经过分光镜2透射后，分别垂直入射到移动反射镜4后再反射到对应的光电探测器件。需要说明的是，文中的λ为激光源1发出的激光波长，激光源1发出的每束激光波长均一样。

该激光干涉仪的激光源1发出的激光束数量、阶梯面平面数量和光电探测器组5的光电探测器件数量均为n(n≥2)，且为一一对应，即激光源1发射的每束激光均分为两路，一路激光通过分光镜2反射到固定反射镜3的阶梯面的其中一个平面后，反射回分光镜2再入射到光电探测器组5上的其中一个光电探测器件，另一路激光直接在分光镜2内透射后垂直入射到移动反射镜4后再反射到分光镜2，分光镜2再将其反射到同一个光电探测器件，该光电探测器件即能探测到这两路光程差在移动反射镜4发生位移过程中是否产生干涉状态，即相长干涉或相消干涉。由于固定反射镜3上的阶梯面，所以激光源1发射的各束激光通过固定反射镜3的阶梯面反射后的光路的光程是不相同的，同时激光源1发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器组5后的光程差值均不相同，能够发生干涉现象不仅和激光的波长有关，还和阶梯面的平面高度差值有关系，由于该阶梯面的相邻两个平面高度差值h等于λ/2n+kλ/2，因此，只要移动反射镜4进行移动λ/2n的距离或整数倍于λ/2n的距离，该光电探测器上的光电探测器组5均有其中一个能够检测出其处于最强激光干涉状态，故该激光干涉仪的检测精度则变为λ/2n，相对于现有的激光干涉仪只能检测精度为激光波长λ而言，该测量精度得到了显著提高，该测量精度即由固定反射镜3的阶梯面的相邻两个阶梯平面的间距(也可称为高度或厚度)以及激光源1的激光波长决定。

该固定反射镜3包括平面反射镜本体35以及n-1个厚度h相同的反射薄片36组合而成，每个所述反射薄片36的厚度h为λ/2n。该阶梯面通过n-1个厚度h相同的反射薄片36叠加在平面反射镜本体35上而成，平面反射镜本体35为表面为平面的激光干涉仪用普通反射镜，其中每个反射薄片36的厚度h均为λ/2n。同时，该平面反射镜本体35以及n-1个厚度h相同的反射薄片36可以为一体成型体，避免分块的反射薄片36连接在一起产生的相邻两个反射薄片36形成的两个阶梯平面的高度误差。

如图2所示，所有的激光源1发出的n个激光束等距分布，此时，选择n＝4，k＝0，激光源1发出的激光束分别为激光束一11、激光束二12、激光束三13、激光束四14，且相邻两个激光束的间距d等于激光波长的整数倍。选择663纳米的激光波长，相邻激光源1发出的相邻激光束的间距d为4毫米。对应的光电探测器组5接收激光的光电探测器件也分别为四个，即光电探测器件一51、光电探测器件二52、光电探测器件三53、光电探测器件四54。

此时，固定反射镜3上的阶梯型反射平面也相应选为四个，即反射平面一31、反射平面二32、反射平面三33、反射平面四34，如图3所示，选用四个反射平面成阶梯型平面以便于加工和降低成本。该光程路线为激光束一11发出的激光在分光镜2分成两路，一路被分光镜2反射后入射到固定反射镜3，被反射平面一31反射到分光镜2后再透射并入射到光电探测器件一51，该激光的另一路则直接在分光镜2透射后入射到移动反射镜4，被反射到分光镜2后，分光镜2再次将该激光反射至光电探测器件一51。以此类推，其他的激光束二12、激光束三13、激光束四14分别被反射平面二32、反射平面三33、反射平面四34反射，并分别被光电探测器件二52、光电探测器件三53、光电探测器件四54接收。根据计算，由于采用了四个阶梯型反射平面，相邻两个反射平面的高度差为λ/8，因此通过激光束一11、激光束二12、激光束三13、激光束四14所发出的激光经过固定反射镜3反射后的光程差值分别为a₁λ、a₂λ-λ/4、a₃λ-λ/2、a₄λ-3λ/4，其中a₁、a_2、a_3、a₄为自然数。

当激光束一11正处于最强干涉状态时，即激光束一11发出的激光分成两路后的光程差值为a₁λ，通过光电探测器件一51可以测量出激光处于最强干涉状态，此时激光束二12所对干涉光路、激光束三13所对干涉光路以及激光束四14所对干涉光路的两路光程差值分别为：a₂λ-λ/4、a₃λ-λ/2、a₄λ-3λ/4，三者光路此时均处于非最强干涉状态。

当移动反射镜4移动λ/8，使激光源一11分成的两路激光光程差值增加λ/4时，其他激光源的激光光程差也相应增加λ/4，此时，激光束一11发出的激光分成两路的光程差值为a₁λ+λ/4，处于非最强干涉状态，而激光束二12发出的激光分成两路的光程差值则变为a₂λ，因此光电探测器件二52能够检测到干涉光路处于最强干涉状态，激光束三13和激光束四14的激光也处于非最强干涉状态。当移动反射镜4移动λ/4时，激光束三13所对干涉光路将处于最强干涉状态，通过光电探测器件三53可以测量出激光最强干涉状态。

类似的，当移动反射镜4移动3λ/8时，使激光束一11分成的两路激光光程差值增加3λ/4时，其他激光束的激光光程差也相应增加3λ/4，此时激光束四14发出的激光分成两路的光程差值则变为a₄λ，其激光分成的两路光路将处于相长干涉状态，通过光电探测器件四54可以测量出激光干涉状态。

再次，当移动反射镜4移动λ/2时，使激光束一11分成的两路激光光程差值增加λ时，其他激光束的激光光程差也相应增加λ，激光束一11所对干涉光路又将处于最强干涉状态，通过光电探测器件一11可以测量出激光最强干涉状态。因此，对于四阶梯平面激光反射结构所对应的激光干涉仪所对应的测量精度就为λ/8，即移动反射镜4位移等于或大于λ/8，相应的光电探测器组5即能够观测出激光源1发射的四束激光的光路的干涉状态明显变化。

因此，增加固定反射镜3的阶梯反射平面数量可以提高测量精度，当采用8阶梯反射平面的激光反射镜结构，所对应的激光干涉仪所对应的测量精度则为λ/16，当采用n阶梯反射平面的固定反射镜3结构时，该激光干涉仪的测量精度就相应变为λ/2n。

由于采用多光路干涉测量，测量过程中，各光电探测器探测到的直流电平应该交替变化，如果某一光路的测量环境的变化造成光电探测器测量的直流电平发生偏移，而其它测量光路的光电探测器探测到的直流电平没有发生交替变化，此时认为该测量光路是受到测量环境的影响，忽略其电平变化。如果多条光路的测量环境的变化造成多个光电探测器测量的直流电平发生偏移，则认为测量环境发生变化，忽略其电平变化。仅仅对于测量过程中严格满足多光路干涉状态交替变化的情况才对其进行计数，即多光路干涉测量中引入交流信号，将传统的激光干涉测量中直流电平的测量转换为交流信号的测量，提高了干涉仪的抗干扰能力。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源(1)、分光镜(2)、固定反射镜(3)、移动反射镜(4)、光电探测器组(5)，其特征在于，所述激光源(1)包括n个平行激光束，其中n≥2，所述光电探测器组(5)包括n个光电探测器件，所述固定反射镜(3)的反射面为n个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于λ/2n+kλ/2，其中k为自然数、λ为激光源(1)发出的激光波长；每个所述激光源(1)发出的激光经过所述分光镜(2)反射后，垂直射入对应一个反射平面，每个所述反射平面将对应激光束反射到对应的所述光电探测器组(5)的各个光电探测器件；所述激光源(1)发出的每束激光经过所述分光镜(2)透射后，分别垂直入射到所述移动反射镜(4)后反射到对应的光电探测器组(5)的各个光电探测器件。

2.根据权利要求1所述的一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述固定反射镜(3)包括平面反射镜本体(35)以及n-1个反射薄片(36)组合而成，每个所述反射薄片(36)的厚度为λ/2n+kλ/2，其中k为自然数。

3.根据权利要求2所述的一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，每个所述反射薄片(36)厚度均为λ/2n。

4.根据权利要求3所述的一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述反射镜本体(35)以及n-1个厚度相同的反射薄片(36)为一体成型体。