CN1047841C - 组合式干涉仪和折射计 - Google Patents

Abstract

组合式干涉仪和折射计包括两个干涉仪，其中每个干涉仪使用一束由共同光源产生并被分成测量部分光束和参考部分光束的光。测量部分光束沿平行的路径被导向一个物体，并被该物体的反射面反射，该物体用以在两个光束间产生一定路径长度差。反射光束与参考部分光束被重新组合，产生输出光束，该输出光束传导到分别自各光束接收一个输出信号的探测系统。由两个输出信号之差，确定折射系数的变化，物体的运动距离可由一个输出信号的变化或两个信号变化之和除以2确定。

Description

组合式干涉仪和折射计

本发明涉及一种干涉测量设备，该设备将距离测量与折射率测量组合在一起。

由美国专利No.4,813,783可知，为了确定干涉仪测量光束所经过区域的大气折射率，可以将一台折射计与一台测量干涉仪一起使用。采用这种手段有可能修正在折射率变化的情况下干涉仪测得的测量数据，而这种折射率变化在测量操作中是有可能出现的。

上面提到的美国专利中的系统分别在测量和参考光束经过的路径上采用了可抽真空的腔，并提供了两个干涉仪平行地测量同一个物体。针对该物体处于不同的位置，且在可抽真空腔要么完全抽真空，要么与大气连通的情况下，对不同的距离进行测量。通过这些测量可以确定大气的折射率，从而针对折射率的变化对在不同距离上的测量值进行修正。

我们的欧洲专利出版物(European Patent Publication)No.508，583描述了一种对大气折射率进行绝对测量的已知系统。在该出版物中，至少有一个辅助干涉仪与一个测量干涉仪相配合，由此该测量干涉仪光束的一部分被分离出来。分离出来的光束又被分光形成所谓的参考臂和测量臂，它们在再次会合前通过两条具有固定的已知光程差的不同光路。

本发明的一个目的是提供一种不同的干涉测量设备，在该设备中测量干涉仪与一台折射计组合在一起。

根据本发明，该干涉测量设备包括：

用来产生两束准直、相干光束的装置；用来使每一束光产生一束测量部分光束和一束参考部分光束的分光装置，它能使两束测量部分光束的方向平行并对准被测运动物体的反射表面，在测量部分光束从上述表面反射后分束装置将分别重新组合对应的测量和参考部分光束，以产生两束输出组合光束；

用来分别接收这两束输出组合光束的探测器装置；

其特征为，该设备还包括用于或者在参考部分光束之间，或者在两束测量部分光束之间设定一个已知的固定光程差的装置，以及该探测器装置包括从两束输出组合光束生成表示这两束输出组合光束的相对位相差和这两束输出组合光束中至少一束光的瞬时位相变化的电信号的装置。

在一个优选实施例中，两束测量部分光束之间的固定光程差是在运动物体处被设定的，且采用这种方法可以有效测量在设定光程差的物体所在位置处的大气折射率。这样，有可能一直沿着测量光路跟踪不同物体位置处的折射率变化。在大气状态在一段时间内不变的地方就有可能对光路进行标定。

反射表面可以是平面反射镜表面，但是最好是设置在空心角隅立方后向反射器或者一个屋脊型后向反射器上的表面，这时当测量部分光束从反射表面反射后返回分束器时，相对于入射光束的位置横向移动了一段距离，从而避免与激光器发生干涉。后向反射器可以本身是被测物体，也可以连结在被测物体上。

在一个优选实施例中，两个测量光路之间的光程差的产生是通过在后向反射器的平面表面上装配由具有所要求的厚度及一个反射面的材料所制作的平板来实现的。该材料优选采用一种热膨胀系数接近零的材料，从而使两束光束之间由于材料温度变化产生的光程差不明显。或者，具有较高热膨胀系数的材料也有可能被使用，但这时需要提供能确定材料温度的装置从而计算温度变化对光程差的影响并进行适当的修正。

下面将更具体地参考所附的图举例对本发明进行描述，在附图中：

图1为本发明的设备的器件的平面图，包括电子器件配置的示意图；

图2为图1中的后向反射器沿箭头A所指轴向的视图；及

图3为一个实施例的光学器件的配置示意图，图中显示出在两条参考臂之间设定了一个固定的光程差。

现在参见图1，图中所示为包括光源10的干涉测量设备，该光源发出一束准直光束12。该光束12被分束器14分光后，产生一束反射次级光束18和一束透射次级光束20。透射次级光束20由反射镜16偏转90°从而使两束光束18和20相互平行并且使其方向平行于该设备的纵轴22。

本例所示的光源10是一个激光器，优选为产生一束单频圆偏振光束的半导体激光器。

两束次级光束18和20被导入两个由普通光学元件组成的直线干涉仪。

第一个元件是一个空心的屋脊棱镜24，该屋脊棱镜具有上、下两个正交的平板26、28，每块平板均与轴22成45°角。平板26是一个分束器而平板28是一个反射镜。平板26可以是偏振或者非偏振分束的，在本例中被描述成一个偏振分束器。该偏振分束器26将圆偏振光束18分成一束透射的测量部分光束30和一束与之正交的反射参考部分光束32，并且将光束20分成一束透射的测量部分光束34和与之正交的反射参考部分光束36。在每一种情况下，该偏振分束器保证使参考和测量部分光束具有相互正交的偏振态。两束测量部分光束继续沿着平行于轴的路径入射到第二个光学元件40上，该元件就是可移动物体，或者是传在直线干涉仪的可移动物体上。

光源10可采用任何种类适合生成一束或多束相干、准直光束的光源。比如，光源可以是一个双频激光器，在这种情形下偏振分束器26被设计成用来分离不同的频率，从而使一个频率的光形成参考部分光束而另一频率的光形成测量部分光束。

另外一种可能性是采用的光源10能产生两束分离的光束，它们可在没有分束器14和反射镜16帮助的前提下沿平行于轴的方面传播。然而，在这种情形下，为了确保二束光的频率被锁定在一起，将会增加其复杂性和成本。

第二个光学元件40是一个由两块玻璃平板42，44制成的后向反射器，两块平板在轴22的两边对称设置并都与光轴成45°，它们和一个基块45刚性连接，该基块优选采用与平板42、44(见图2)有相同或相近线膨胀系数的材料来制造。

将玻璃平板42、44连接到基块上的优选方法是将平板的下面部分表面研磨、抛光到可以光胶合的表面光洁度，然后将它们连接到基块上从而使它们从基块的一个侧面直立起来。平板42、44中的每一块的暴露在外的上面部分表面都被分成两个部分，每块平板中的一部分被设置成抛光并镀成镜面的反射面42A、44A，另一部分被研磨、抛光成具有可以光胶合表面光洁度的表面42B、44B。用低热膨胀系数材料制成的平板46，48(如Schott有限公司以ZERODUR为商品名出售的材料)被分别与表面42B，44B相连接，ZERODUR平板暴露在外的表面被抛光成镜面从而形成反射表面46A，48A。优选采用低热膨胀的材料从而避免由于温度的变化使测量部分光束的物理程差产生明显的变化，否则，光学元件40的温度将不得不被监控并对所计算的折射率测量值进行进一步的修正。

由第一个光学元件24产生的两束测量部分光束30，34的横向间隔，使得光束30被导向两块ZERODUR平板中一块的反射表面46A，而光束34被导向反射镜表面42A。由于平板42，44；46，48都设置得与轴成45°，第二个光学元件起的作用象一对共线的后向反射器，使光束30，34沿着横向被平移后的路径反射返回第一个光学元件的镜面28。它们被镜面28偏转90°后在分束器处与参考光束32和36组合在一起，形成两束组合的输出光束。采用这种布置可有效地使参考部分光束具有零长度。

上述双干涉仪方案不仅能够跟踪第二个光学元件的运动，而且还能跟踪测量光束所通过大气的折射率。

第一个干涉仪采用测量部分光束30和参考部分光束32来测量第二个光学元件上ZERODUR反射器反射面的运动。第二个干涉仪采用测量部分光束34和参考部分光束36来测量由第二个光学元件的镜面部分构成的反射表面的运动。第二个光学元件的运动会在测量部分光束和参考部分光束之间产生一个瞬时位相变化，这种变化将体现在组合光束中。

组合光束被导向各自的光电二极管探测器系统50，52，这些系统探测由周知的光束干涉所造成的强度变化，并产生正弦的输出信号，从而获取有用的信息。探测器系统的输出被分别传输给各自的计数器/插值器54，56，它们以一个条纹计数若干分之一的分辨率；给出反映每束组合输出光束的瞬时位相变化的输出信号58，60。

由于ZERODUR平板有一定的厚度，两个干涉仪的两束测量部分光束32，34在两个光学元件之间的往返总体光程之间有一个固定量的差值。如果两束光束所通过的大气的折射率没有变化的话，这个固定差就不会使两个干涉仪测得的第二个光学元件的移动距离测量值有差别。然而，如果在测量过程中大气的折射率有变化，两束测量部分光束的光程将会有变化。这个变化对每束测量部分光束来讲是不同的，尽管事实上物理路程差没有变化。两个干涉仪光程长度之间的这种变化会在两个干涉仪的组合输出光束中产生一个位相差，而该位相差与折射率的变化有直接的关系。

为了确定折射率的变化，将两个计数器/插值器的输出58，60传输给一个差分单元62，并由其输出一个与两个组合输出光束的相对位相差相对应的信号64。

对第二个光学元件运动距离的测量可采用将来自计数器/插值器的两个读数相加再除以2的方式获得。

为了获得距离测量值，两个干涉仪的输出又被传输给单元66，该单元执行相加及除法处理并生成表示实际测量距离的输出信号68。利用信号64，可以计算出一个修正系数，用于修正测量过程中大气折射率任意变化时的距离测量值。

因为事实上两个干涉仪测量的是第二个光学元件的同一个运动，两者均记录了各自测量部分光束的瞬时位相变化，所以对上述运动的测量可仅用一个计数器/插值器来获得。

这样，本发明提供了一种组合式的折射计和干涉仪系统，该系统不需要昂贵的附加设备，如现有技术系统中的真空腔和气泵。

另外，可以发现折射计的光束和干涉仪的测量光束在所有测量中都使用了相同的大气。因此，由于本发明优选实施例中的系统测量的是第二个光学元件所在区域的折射率，两束测量部分光束的光程差是在那里建立起来的，所以第二个光学元件的运动路径上反射器所处的任何位置上的大气折射率均能被确定。因此，在从一次测量到另一次测量大气保持不变的位置，有可能在整个测量路径上对平均折射率的变化进行标定。

图3所示为本发明的一个实施例的简图，其中固定的光程差是在两个干涉仪的参考光束之间建立的。采用了一个立方分束器100取代了分束器26。两束光束20，18被导向分束器，透过分束器后的光束102，104被导向一个常规的后向反射器106，然后又在横向平移后沿着与原光路平行的方向反射返回分束器。反射后的光束112，114被导向两个不同的后向反射器116，118，两反射器是共轴的，但其反射面是沿轴向分开设置的，以便产生所要求的固定光程差。

从后向反射器106，116，118的反射表面返回的光束在分束器处被重新组合在一起从而产生两束输出组合光束32，36，这两束光束被传输给探测器系统并产生参考图1进行说明时描述过的所需输出信号。

通过保证使两个干涉仪之间的物理程差小于一个预先设定的长度，以上所述两个实施例都有可能设法使折射计对折射率进行绝对测量。比如，在此引入作为参考的我们的欧洲专利出版物(European Patent Publication)No.508,583详细说明了怎样通过在两个干涉仪之间生成一个小于6mm的物理程差，来对光束所通过的大气进行折射率绝对测量，这里假定在使用该折射计时，每次测量之间的大气状态变化不大于百万分之一百。

因此，在本发明的一个实施例中，ZERODUR平板的厚度使固定的物理程差小于6mm并提供一个百万分之一百的折射率绝对测量范围。

另外，通过采用“线性调频雷达”技术，或者采用一个频率可调的半导体激光器作为光源之一也有可能(如从美国专利No.3,970,389可知)绝对地测量从分束器到物体的距离。

为了实现这样宽的绝对测量范围，需要有精细的插值细分，而这一点会是昂贵的。为了减轻对插值细分的要求，可以采用较厚的ZERODUR平板来产生一个较长的固定程差，比如12mm，相应的绝对测量范围为百万分之五十。显然，两块ZERODUR平板的厚度可以根据预期会遇到的大气状况和可接受的设备成本，从整个厚度范围中选取。

如果精度要求为优于百万分之一，且我们有百万分之一百的折射率变动范围，那么当使用一个发光频率为633纳米的激光器时，插值器就需要有优于3纳米的精度来对两个探测器信号的差值信号产生所需的精度。

我们的欧洲专利No.326,603中描述了可以做得具有这样精度的探测器。

尽管实心的玻璃元件可以替代之，上述优选实施例中采用的是空心屋脊右向反射器。其它后向反射器也可以取而代之，如空心或实心的角隅立方反射器，或者甚至是平面镜，尽管这些元件会引起其它问题。

比如实心玻璃元件，除非它们具有不明显的热膨胀系数，否则就需要同轴设置和非常精确地对准，并且用机械方法锁定在一起，从而使相对位移产生的误差减小到最小，而且必须采用共光路模式，从而使由于热膨胀产生的误差减小到最小。

Claims (8)

1、干涉测量设备，包括：

用来产生两束准直、相干光束(18，20)的装置(10，14，16)，

用来分别从光束(18，20)中产生一束测量部分光束(30，34；102，104)和一束参考部分光束(31，35；112，114)的分束装置(26；100)，测量部分光束被平行地导向被测运动物体的反射面(46A，42A)，在测量部分光束从所述的表面反射后，分束装置将分别重新组合对应的测量和参考部分光束，以产生两束输出组合光束(32，36)，

用来分别接收两束输出组合光束的探测器装置(52，50)，

其特征为，该设备还包括用来在两束参考部分光束(31，35；112，114)之间，或者在两束测量部分光束(30，34；102，104)之间设定一个已知的固定光程差的装置；以及该探测器装置包括用来从两束输出组合光束生成表示这两束输出组合光束的相对位相差和这两束输出组合光束中至少一束光的瞬时位相变化的电信号(64，58，60)的装置(54，56，62，66)。

2、根据权利要求1的干涉测量设备，其特征为，测量部分光束中的一束(30)被导向运动物体上的一个第一后向反射器(46，48)上的反射表面(46A)，测量部分光束中的另一束(34)被导向运动物体上的一个第二后向反射器(42，44)的反射表面(42A)，且第一和第二后向反射器的相对位置设置能使两束测量部分光束之间存在一个已知的固定程差。

3、根据权利要求2的干涉测量设备，其特征为，第一和第二后向反射器的光轴是共线的。

4、根据权利要求3的干涉测量设备，其特征为，第一后向反射器包括安装在第二后向反射器上反射表面(42A，44A)旁边的反射平板(46，48)。

5、根据权利要求1的干涉测量设备，其特征为，参考部分光束中的一束(112)能导向一个第一固定参考反射器(116)，且另外一束参考部分光束被导向一个第二固定参考反射器(118)。

6、根据权利要求4的干涉测量设备，其特征为，平板46，48采用一种低热膨胀子数的材料制造。

7、根据上述任意一个权利要求的干涉测量设备，其特征为，两束准直、相干光束由一个共同的激光器光源产生。

8、干涉测量设备，包括：

用来产生两束准直、相干光束(18，20)的装置(10，14，16)，

用来分别从光束(18，20)中产生一束测量部分光束(30，34；102，104)和一束参考部分光束(31，35；112，114)的分束装置(26；100)，测量部分光束被平行地导向被测运动物体的反射面(46A，42A)，在测量部分光束从所述表面反射后，分束装置将分别重新组合对应的测量和参考部分光束，以产生两束输出组合光束(32，36)，

用来分别接收两束输出组合光束并每一光束分别产生一束输出信号(58，60)的探测器装置(50，54；52，56)，其特征为：

该设备还包括用来在两束参考部分光束(31，35；112，114)之间，或者在两束测量部分光束(30，34；103，104)之间设定一个已知的固定光程差的装置；该探测器装置还包括，从两个输出信号中产生等于两输出信号的差值并与周围大气折射率变化有关的信号(64)和能指示至少一个输出信号变化并与物体移动距离有关的信号(68)的装置(62，66)。

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