CN104729403A - 一种多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光干涉测量技术领域，具体涉及一种多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、阶梯型平面反射镜、移动反射镜、光电探测器组以及微动平台，阶梯型平面反射镜的反射面为n个阶梯平面，相邻两个反射平面间距为(k为自然数)，所述激光源可以生成多束平行激光，所述光电探测器组有n个光电探测器，激光干涉测量过程中，n个光电探测器将交替处于激光最强干涉状态或最弱干涉状态，测量精度可以达到同时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，即在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。

Description

一种多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及激光干涉测量技术领域，具体涉及一种多光束阶梯型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仅可测量获取激光干涉中整数倍波长，测量精度难以提升的弊端，在现有迈克尔逊激光干涉仪的基础上，采用多束平行激光束与阶梯型平面反射镜实现激光干涉的交替测量，同时在激光干涉光路中结合微动平台，以获得激光干涉测距中无法获得的激光干涉波的小数部分，提高激光干涉测量仪的测量精度。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。

本发明采用的技术方案为：

一种多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、阶梯型平面反射镜、移动反射镜、光电探测器组以及微动平台，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，所述阶梯型平面反射镜包括n个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于其中k为自然数、λ为激光源发出的激光波长；每个所述激光源发出的激光经过所述分光镜反射后，分别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的各个光电探测器；所述激光源发出的每束激光经过所述分光镜透射后，分别入射到所述移动反射镜后再反射到对应的光电探测器组的各个光电探测器；所述阶梯型平面反射镜连接在所述微动平台上。

作为本发明的优选实施方式，所述微动平台可以为压电陶瓷。

作为本发明的优选实施方式，随着所述移动反射镜在干涉光路方向的移动，由于激光源射出的不同激光的干涉光路光程差，各激光干涉光路将交替处于最强干涉状态。

本发明还提供一种上述的多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪的测量方法，步骤包括：

步骤一、将所述阶梯型平面反射镜固定在所述微动平台上，调整好所述激光源、分光镜、阶梯型平面反射镜、移动反射镜、光电探测器的位置；

步骤二、启动所述激光源，所述激光源发出的激光到所述分光镜反射，经反射后的激光射入对应的所述阶梯型平面反射镜，在所述阶梯型平面反射镜的阶梯反射面反射到对应的所述光电探测器；所述激光源发出的激光到所述分光镜，经透射后的激光入射到所述移动反射镜，经所述移动反射镜反射到所述光电探测器，光电探测器可以检测出激光干涉状态，干涉光路调整完成；

步骤三、首先将所述移动反射镜固定在被测对象的起始测量位置上，此时控制所述微动平台移动，使所述阶梯型平面反射镜沿激光入射方向或反射方向移动，当所述光电探测器测得一个激光干涉波时，即最强干涉状态或最弱干涉状态，固定所述微动平台。将所述移动反射镜在干涉光路方向移动距离d，对应所述光电探测器测得波长为λ的激光干涉波的数量为N(n个光电探测器探测到激光干涉波总数为N)，此时根据激光波长λ计算获得所述移动反射镜的移动距离 $d=\frac{\mathrm{\λ}\×N}{2n}.$

步骤四、固定所述移动反射镜，控制所述微动平台移动，使所述阶梯型平面反射镜在所述激光入射移动，当所述光电探测器再次测得一个干涉波时，即最强干涉状态或最弱干涉状态，此时微动平台移动距离设为l，则被测距离未被检测到的距离Δd为l，可获得步骤三所测移动距离d的精确值为

由于上述步骤四中微动平台的移动方向是沿着激光入射的方向，那么其微动平台的移动距离l相当于增加了该光束激光的光程2l，若该光束激光的光程增加量正好等于移动反射镜移动距离中小于激光波长的部分距离Δd带来的另一个光束光程量2Δd，即2Δd＝2l，那么Δd＝l，因此可获得移动反射镜的移动距离更为精确的值为 $d^{\′}=d+\mathrm{\Δd}=\frac{\mathrm{\λ}\×N}{2n}+l.$

当阶梯型平面反射镜的位移方向是沿着激光反射的方向，其微动平台的移动距离l相当于减少了该光束激光的光程2l，若该光束激光的光程减少量加上移动反射镜移动距离中小于激光波长的部分距离Δd带来的另一个光束光程量，正好等于一个干涉波长即因此，可以通过该方法获得的移动反射镜的移动距离更为精确的值为

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。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明克服现有激光干涉仪测量精度仅可测量获取激光干涉中整数倍波长，测量精度难以提升的弊端，在现有迈克尔逊激光干涉仪的基础上，采用多束平行激光束与阶梯型平面反射镜实现激光干涉的交替测量，同时在激光干涉光路中结合微动平台，以获得激光干涉测距中无法获得的激光干涉波的小数部分，提高激光干涉测量仪的测量精度。

附图说明

图1是本发明的激光干涉测量原理图

图2是实施例1所采用的阶梯型平面反射镜示意图

图3是激光源间距示意图

图4是激光干涉测距原理图

附图标记：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-微动平台，4-阶梯型平面反射镜，5-移动反射镜，6-光电探测器组，61-光电探测器一，62-光电探测器二，63-光电探测器三，64-光电探测器四，7-移动反射镜测量位置一，8-移动反射镜测量位置二。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，是本发明的激光干涉测量原理图，本实施例的一种多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，包括激光源1、分光镜2、微动平台3、阶梯型平面反射镜4、移动反射镜5、以及光电探测器组(包括光电探测器61至64)，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，所述阶梯型平面反射镜包括n个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于其中k为自然数、λ为激光源发出的激光波长；每个所述激光源发出的激光经过所述分光镜反射后，分别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的各个光电探测器；所述激光源发出的每束激光经过所述分光镜透射后，分别入射到所述移动反射镜后再反射到对应的光电探测器组的各个光电探测器；所述阶梯型平面反射镜连接在所述微动平台上。

所述激光源生成的多束平行激光中，相邻激光的间距为激光波长的整数倍，附图3中，激光源1射出的四条平行激光，四条平行激光间距h相同，均为激光波长整数倍。随着所述移动反射镜在干涉光路方向的移动，由于激光源射出的不同激光的干涉光路光程差，各激光干涉光路将交替处于最强干涉状态。

本发明设计的激光干涉测量原理如图1所示，本发明所采用的阶梯型平面反射镜如图2所示，激光源间距如图3所示，激光源间距为整数倍的激光波长，其中压电陶瓷为微动平台的优选，也可采用其它高精度微动平台。

为降低加工成本，作为一种优选，本实施例采用四阶梯反射镜，选用激光波长为663纳米，激光源间距为6.63毫米，微动平台采用压电陶瓷。首先根据原理图1加工设计出多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，按照迈克尔逊激光干涉仪调试方法将激光干涉光路调整好。随着移动反射镜在干涉光路方向的移动，由于不同的激光干涉光路光程差，各激光干涉光路将交替处于最强干涉状态，就单个激光干涉测量光路而言，都是标准的迈克尔逊激光干涉光路，但由于不同的激光干涉光路光程差，当激光束一所对应光路正处于最强干涉状态时，通过光电探测器61可以测量出激光最强干涉状态，激光束二所对干涉光路、激光束三所对干涉光路以及激光束四所对干涉光路将处于非最强干涉状态。当移动反射镜移动时，激光束二所对干涉光路将处于最强干涉状态，通过光电探测器62可以测量出激光最强干涉状态。当移动反射镜移动时，激光束三所对干涉光路将处于最强干涉状态，通过光电探测器63可以测量出激光最强干涉状态。当移动反射镜移动时，激光束四所对干涉光路将处于最强干涉状态，通过光电探测器64可以测量出激光最强干涉状态。当移动反射镜移动时，激光束一所对干涉光路又将处于最强干涉状态，通过光电探测器61可以测量出激光最强干涉状态。这样对于4阶梯平面反射镜结构所对应的激光干涉仪所对应的测量精度就为增加阶梯数可以提高测量精度，8阶梯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但阶梯型平面反射镜的阶梯厚度就相应变为依此类推。

本发明还提供一种上述的多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪的测量方法，步骤如下：

步骤一、将所述阶梯型平面反射镜固定在所述微动平台上，调整好所述激光源、分光镜、阶梯型平面反射镜、移动反射镜、光电探测器的位置；

步骤二、启动所述激光源，所述激光源发出的激光到所述分光镜反射，经反射后的激光射入对应的所述阶梯型平面反射镜，在所述阶梯型平面反射镜的阶梯反射面反射到对应的所述光电探测器；所述激光源发出的激光到所述分光镜，经透射后的激光入射到所述移动反射镜，经所述移动反射镜反射到所述光电探测器，光电探测器可以检测出激光干涉状态，干涉光路调整完成；

步骤三、首先将所述移动反射镜固定在被测对象的起始测量位置上，此时控制所述微动平台移动，使所述阶梯型平面反射镜沿激光入射方向或反射方向移动，当所述光电探测器测得一个激光干涉波时，即最强干涉状态或最弱干涉状态，固定所述微动平台。将所述移动反射镜在干涉光路方向移动距离d，对应所述光电探测器测得波长为λ的激光干涉波的数量为N(n个光电探测器探测到激光干涉波总数为N)，此时根据激光波长λ计算获得所述移动反射镜的移动距离

步骤四、固定所述移动反射镜，控制所述微动平台移动，使所述阶梯型平面反射镜在所述激光入射移动，当所述光电探测器再次测得一个干涉波时，即最强干涉状态或最弱干涉状态，此时微动平台移动距离设为l，则被测距离未被检测到的距离Δd为l，可获得步骤三所测移动距离d的精确值为

当阶梯型平面反射镜的位移方向是沿着激光反射的方向，其微动平台的移动距离l相当于减少了该光束激光的光程2l，若该光束激光的光程减少量加上移动反射镜移动距离中小于激光波长的部分距离Δd带来的另一个光束光程量，正好等于一个干涉波长即因此，可以通过该方法获得的移动反射镜的移动距离更为精确的值为

本发明测量过程如图4所示。图4所示的移动反射镜测量位置一7与移动反射镜测量位置二8表示激光干涉仪在测量相对长度时移动角反射镜的起始位置与终止位置。

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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、阶梯型平面反射镜、移动反射镜、光电探测器组以及微动平台，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，所述阶梯型平面反射镜包括n个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于其中k为自然数、λ为激光源发出的激光波长；每个所述激光源发出的激光经过所述分光镜反射后，分别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的各个光电探测器；所述激光源发出的每束激光经过所述分光镜透射后，分别入射到所述移动反射镜后再反射到对应的光电探测器组的各个光电探测器；所述阶梯型平面反射镜连接在所述微动平台上。

2.根据权利要求1所述的多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述微动平台可以为压电陶瓷。

3.根据权利要求1所述的多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述激光源生成的多束平行激光中，相邻激光的间距为激光波长的整数倍。

4.根据权利要求1所述的多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，随着所述移动反射镜在干涉光路方向的移动，由于激光源射出的不同激光的干涉光路光程差，各激光干涉光路将交替处于最强干涉状态。

5.一种上述任意一项权利要求所述的多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将所述阶梯型平面反射镜固定在所述微动平台上，调整好所述激光源、分光镜、阶梯型平面反射镜、移动反射镜、光电探测器的位置；

步骤二、启动所述激光源，所述激光源发出的激光到所述分光镜反射，经反射后的激光射入对应的所述阶梯型平面反射镜，在所述阶梯型平面反射镜的阶梯型反射平面反射到对应的所述光电探测器；所述激光源发出的激光到所述分光镜，经透射后的激光入射到所述移动反射镜，经所述移动反射镜反射到所述光电探测器，光电探测器可以检测出激光干涉状态，干涉光路调整完成；

步骤三、首先将所述移动反射镜固定在被测对象的起始测量位置上，此时控制所述微动平台移动，使所述阶梯型平面反射镜沿激光入射方向或反射方向移动，当所述光电探测器测得一个激光干涉波时，即最强干涉状态或最弱干涉状态，固定所述微动平台，将所述移动反射镜在干涉光路方向移动距离d，对应所述光电探测器测得波长为λ的激光干涉波的数量为N(n个光电探测器探测到激光干涉波总数为N)，此时根据激光波长λ计算获得所述移动反射镜的移动距离 $d=\frac{\mathrm{\λ}\×N}{2n};$

步骤四、固定所述移动反射镜，控制所述微动平台移动，使所述阶梯型平面反射镜在所述激光入射移动，当所述光电探测器再次测得一个干涉波时，即最强干涉状态或最弱干涉状态，此时微动平台移动距离设为l，则被测距离未被检测到的距离Dd为l，可获得步骤三所测移动距离d的精确值为

6.根据权利要求5所述的多光束阶梯型平面反射镜激光干涉仪的测量方法，其特征在于，所述步骤四中的所述阶梯型平面反射镜的位移方向是沿着所述激光反射的方向，那么最后获得的所述移动反射镜的移动距离更为精确的值为 $d^{\′}=\frac{\mathrm{\λ}\×N}{2n}+(\frac{\mathrm{\λ}}{2n}-l).$