CN105571529B - 一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，包括单频激光源、声光频移单元、光干涉装置、随被测件运动的平面反射镜以及相位检测装置。其中，单频激光源结合声光频移单元可产生无频率混叠、具有一定频差、空间分离的入射光束，入射光束在光干涉装置的作用下，两次被平面镜反射，最后输入到相位检测装置，以相位差的变化量确定被测件的偏摆角。具有一定频差的测量光束从声光频移单元产生到干涉前，传输路径分开，空间独立。本发明避免了干涉光路中两种频率的偏振光不能完全分开导致的周期性非线性误差的产生，从而有效提高测量精度。本发明可广泛用于数控机床、军工及航天等领域的几何量精密测量。

Description

一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统

技术领域

本发明涉及光学技术检测领域，具体涉及一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统。

背景技术

几何量精密测量在军工、航天、数控机床等高科技领域具有重要的作用，特别是对运动导轨偏摆角、俯仰角的测量技术，越来越受到重视。外差激光干涉仪的结构简单、抗干扰能力强、检测方便，通过相位比较即可达到很高的测量分辨率，在纳米测量中有着独特的优势和广泛的应用。

理论上，激光干涉仪工作时，激光源发出的两个具有一定频差的正交线偏振光，经偏振分光镜分光后，两个偏振分量分别经测量臂和参考臂后各自携带相应的相移信息，经干涉后获得与被测长度成线性关系的拍频信号。

实际应用时，由于激光光源的椭圆偏振化，干涉仪中各光学元器件的非理想性及其安调误差等各种非理想因素，使得干涉光路中两种频率的偏振光不能完全分开，从而使被测信号中出现一个附加的周期相位误差。这一相位误差使测得的相位位移和实际被测长度不成线性关系，且该误差随着被测长度的变化以2p为周期变化，形成一个较大的周期性非线性误差，其幅值可达几个纳米，对于纳米测量系统而言，成为影响测量精度的一项重要误差源。

由于这一周期性的非线性误差使得基于外差干涉技术的角度测量难以进一步提高测量精度。

发明内容

本发明针对现有激光干涉仪存在的较大非线性误差，提出了一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，用于实现小角度偏摆角或俯仰角的高精度测量，结构简单且调试方便。

本发明技术方案是这样实现的：

一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，由单频激光源、声光频移单元、光干涉装置、平面反射镜以及相位检测装置组成；其特点是：

所述单频激光源提供稳定的单一频率线偏振光；

所述声光频移单元包括：分光镜、两个声光频移器、三个直角棱镜；

所述声光频移器用于调整偏振分量光的频率，所述直角棱镜用于调整光束的传输方向；使所述光束与另一光束传输方向平行，且两束光产生频率差；

所述光干涉装置包括：两个偏振分光镜、角锥棱角、第四直角棱镜、四分之一波片；

所述偏振分光镜用于对调整后的光束进行分光，四分之一波片用于改变线偏振光的偏振态；

将所述平面反射镜固定于被测件，作为偏摆传感器；

所述相位检测装置包括：两个检偏器，两个光电检测器，相位计；其中：检偏器用于混合一个光路中偏振态正交的两个光束，并产生新的干涉测量光束；

所述相位计用于接收电测量信号，经过比相处理计算输出被测件的偏摆角；

具体光路连接如下：

将所述单频激光源产生的第一光束入射到所述声光频移单元；

声光频移单元的分光镜对第一光束进行分光，产生两个偏振分量光分别作为所述声光频移器的输入光束；其中第一声光频移器用于调整所述两个分量光中一个分量光的频率，输出光束为第二光束，第二声光频移器用于调整所述两个分量光中另一个分量光的频率，输出光束为第三光束；所述第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三直角棱镜用于调整所述第二光束的传输方向，使所述第二光束和第三光束传输方向平行；结果产生具有不同频率差、偏振态相同、空间平行的第二光束和第三光束；

所述第一偏振分光镜对所述第二光束进行分光，其中s分量光经所述第一偏振分光镜的一面出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第四光束；其中p分量经所述第一偏振分光镜的另一面出射，经第二偏振分光镜透射后，经过所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，成为第五光束，所述第五光束经所述平面反射镜反射后返回并再次经过所述四分之一波片；由于两次通过所述四分之一波片，p分量光改变偏振态为s偏振态，并经所述第二偏振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反射，经所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，为第六光束，所述第六光束从所述平面反射镜返回再次经过四分之一波片后改变偏振态，从所述第二偏振分光镜透射，并经第一偏振分光镜透射后成为第七光束；

所述第一偏振分光镜也对所述第三光束进行分光，其中s分量光经所述第一偏振分光镜出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第八光束；其中p分量从所述第一偏振分光镜出射，经第二偏振分光镜透射后经过所述四分之一波片，入射至所述平面反射镜，成为第九光束，所述第九光束经所述平面反射镜反射后返回并再次经过所述四分之一波片，由于两次通过所述四分之一波片，p分量光改变偏振态为s偏振态，并经所述第二偏振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反射，经所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，成为第十光束，所述第十光束从所述平面反射镜返回再次经过四分之一波片后改变偏振态，从第二偏振分光镜透射，并经第一偏振分光镜透射后成为第十一光束；

第一检偏器，用于混合偏振态正交的第四光束和第十一光束产生第一干涉光束；第二检偏器，用于混合偏振态正交的第七光束和第八光束产生第二干涉光束；第一光电检测器，接收所述第一干涉光束产生第一电测量信号；第二光电检测器，接收所述第二干涉光束产生第二电测量信号；相位计，接收第一电测量信号和第二电测量信号，经过比相处理计算输出被测件的偏摆角或俯仰角。

所述光干涉装置的角锥棱角设置在第一偏振分光镜上表面一侧，角锥棱角的轴线与上表面垂直，且角锥棱角和上表面的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。

所述光干涉装置的第四直角棱镜设置在第二偏振分光镜上表面一侧，第四直角棱镜的轴线与第二偏振分光镜的上表面垂直；直角棱镜的底面和第二偏振分光镜的上表面的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。

所述光干涉装置的四分之一波片位于第二偏振分光镜的侧面与平面反射镜之间，且四分之一波片与第二偏振分光镜的侧面平行。

所述光干涉装置的第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、四分之一波片、平面反射镜的中心轴线平行或位于同一直线上，通过调整所述角锥棱角和第四直角棱镜，使所述第五光束和第九光束位于同一高度，所述第六光束和第十光束位于同一高度，所述第四光束和所述第十一光束位置重合；所述第七光束和所述第八光束位置重合。

所述第五光束、第六光束、第九光束和第十光束在所述平面反射镜的入射位置构成一个矩形的四个顶点，所述第五光束和第六光束构成所述矩形一侧的两个顶点，所述第九光束和第十光束构成所述矩形另一侧的两个顶点。

本发明采用两个声光频移器件从光源到干涉测量前，不同频率的测量光没有产生频率混叠，而光干涉装置中，两个不同频率的测量光光路分开，分别携带各自的测量信息，整个干涉测量系统中，测量光从光源到干涉前，传输路径分开，空间独立的，不存在频率混叠，避免了周期性非线性误差的产生，有利于系统测量精度的提高。此外，利用光干涉装置和平面反射镜实现了光学四倍频，提高了测量分辨率，使其特别适用于几何量的精密测量。

附图说明

图1为本发明实施例激光干涉系统的结构示意图；

图2是光束进入声光频移单元后的光路示意图；

图3是测量光在光干涉装置和平面反射镜之间的光路图；

图4是相位检测装置的结构示意图；

图5是相位差计算原理示意图。

1、单频激光源，2、声光频移单元，3、光干涉装置，4、平面反射镜，5、相位检测装置，6、分光镜，7、第一声光频移器，8、第二声光频移器，9、第一直角棱镜，10、第二直角棱镜，11、第三直角棱镜，12、第一偏振分光镜，13、第二偏振分光镜，14、角锥棱角，15、第四直角棱镜，16、四分之一波片，52、第一检偏器，53、第二检偏器，54、第一光电检测器，55、第二光电检测器，56、相位计。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明实施例激光干涉系统的结构示意图，包括单频激光源1、声光频移单元2、光干涉装置3、平面反射镜4、相位检测装置5。

如图2所示：单频激光源1对声光频移单元2提供稳定的偏振方向为45°的线偏振入射光束，第一光束18经分光镜分束后，产生分量光19和分量光20，分别通过第一声光移频器7和第二声光移频器8，产生移频后的第二光束21和第三光束23。声光移频器改变激光频率，两个声光移频器的移频量不同，差频为几十赫兹至几兆赫兹。第二光束21经所述第一直角棱镜9、第二直角棱镜10和第三直角棱镜11后调整所述第二光束21的传输方向，得到光束22，使光束22和光束23位于同一高度，平行出射；

光束22和光束23均为线偏振光，偏振方向为45°；

光束22和光束23分别作为光干涉装置3的输入光24和25。

第一偏振分光镜对所述输入光24进行分光，输入光24入射到第一偏振分光镜12，其中s分量光反射成为参考光束26，p分量光透射成为光束27，s分量光束26经角锥棱角14反射后再次经第一偏振分光镜12反射后成为第四光束28；由于角锥棱角的光学性质，第四光束28与输入光24平行，但位于不同高度；p分量光束27经第二偏振分光镜13透射并经过四分之一波片16后成为测量光正入射至平面反射镜4成为第五光束29，第五光束29原路返回再次经过四分之一波片16后成为光束30，由于光束27是p分量光，两次经过四分之一波片16，偏振态改变90°，此时光束30为s分量光，经第二偏振分光镜13反射后成为光束31，并入射至第四直角棱镜15，反射后经第二偏振分光镜13再次反射，并经过四分之一波片16成为测量光束即第六光束33正入射至平面反射镜4，并原路返回再次经过四分之一波片16后成为光束34，由于光束32是s分量光，两次经过四分之一波片16，偏振态改变90°，此时光束34为p分量光，经第二偏振分光镜13、第一偏振分光镜12透射后，成为测量信号光束即第七光束36；

第一偏振分光镜也对所述输入光25进行分光，输入光25到第一偏振分光镜12，其中s分量光反射成为参考光束37，p分量光透射成为光束38，光束37经角锥棱角14反射后再次经第一偏振分光镜12反射后成为光束39即第八光束；由于角锥棱角的光学性质，光束39与输入光25平行，但位于不同高度；光束38经第二偏振棱镜13透射并经过四分之一波片16后成为测量光40正入射至平面反射镜4，成为所述第九光束，并原路返回再次经过四分之一波片16后成为光束41，由于光束38是p光，两次经过四分之一波片16，偏振态改变90°，此时光束41为s光，经第二偏振棱镜13反射后成为光束42，并入射至第四直角棱镜15，反射后经第二偏振棱镜13再次反射，并经过四分之一波片16成为测量光束44正入射至平面反射镜4，成为第十光束，并原路返回再次经过四分之一波片16后成为光束45，由于光束43是s光，两次经过四分之一波片16，偏振态改变90°，此时光束45为p光，经第二偏振分光镜13、第一偏振分光镜12透射后，成为测量信号光束47即第十一光束。

如图3所示：角锥棱角14设置在第一偏振分光镜12上表面48的一侧，且其轴线与面上表48垂直。角锥棱角14和上表面48的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。角锥棱角14将从第一偏振分光镜12上表面48出射的光束反射回去而且入射光束与反射光束相互平行。

如图3所示：直角棱镜15设置在第二偏振分光镜13上表面49的一侧，且直角棱镜15的轴线与上表面49垂直。直角棱镜15的底面50和第二偏振分光镜的上表面49的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。光束垂直底面50入射，并经直角棱镜15反射后出射，入射光和出射光平行。

如图3所示：四分之一波片16位于第二偏振分光镜13的侧面51与平面反射镜4之间，且与第二偏振分光镜13的侧面51平行，其作用是改变线偏振光的偏振态，使两次通过四分之一波片16的p光束转化为s光束，或者使两次通过四分之一波片16的s光束转化为p光束。如图3所示：入射到平面反射镜4的四个光束空间平行，其中光束29与光束33频率一致，光束40与光束44具有另一个频率，光束29与光束40位于同一高度，光束33与光束44位于同一高度。

从偏振分光镜12出射的参考光束28和测量信号光束47位于同一空间位置，频率不同，偏振态正交；测量信号光束36与参考光束39即第七光束与第八光束位于同一空间位置，频率不同，偏振态正交。

如图4所示：第一检偏器52、第二检偏器53与第一偏振分光镜12的面56平行放置，其作用是使从面56出射的正交光束中与检偏器检偏轴同一方向的正交分量通过，形成干涉光束。

具体来说第四光束即正交光束28与第十一光束47通过第一检偏器52形成第一干涉光束57、正交光束36与39即第七光束与第八光束通过第二检偏器53形成第二干涉光束58，干涉光束经光电检测器后形成第一测量电信号59和第二测量电信号60，并送往相位计55进行相位比较，该相位差的变化与平面反射镜4的偏摆引起的光程差成正比。

下面利用图5来描述相位差的具体计算过程：

由前述可知，两个不同频率的测量光f ₁和f ₂在平面反射镜上的入射位置构成一个矩形，其中位于空间同一高度的f ₁和f ₂光束相距为b。当平面反射镜无偏摆时，f ₁和f ₂光束经过的光程相等，当平面反射镜发生偏摆时，假设发生如图a的偏摆，此时f ₁经过的光程增加，f ₂的光程减少，考虑到每个频率的光都有上下2个光束，因此频率f ₁的光束增加的光程为4Dl ₁,而频率f ₂的光束减少的光程为4Dl ₂，这里假设空气的折射率为1。当测量光f ₁返回参考光束f ₂合束并产生干涉时，获得的第一电测量信号可表示为：

(1)

当测量光f ₂返回参考光束f ₁合束并产生干涉时，获得的第二电测量信号可表示为：

(2)

利用比相计对这两个干涉信号进行比相，可获得相位差：

(3)

上式中，Dj是比相计获得的两个电测量信号的相位差，l是两个测量光中心波长，b是两个不同频率的测量光间的距离，a则是平面反射镜也即被测件的偏摆角。这样利用公式（3）就可确定平面反射镜的偏摆角。

本发明的上述实施例可应用于高精度偏摆角的干涉测量，例如选择l=632.8nm，b=10mm，利用电子细分为(2p/512)的相位计，所测偏摆角a的最小分辨率可达0.03mrad。

以上借助较佳实施例对本发明的原理和应用做了阐述，在上面的描述中以偏摆角的测量为例，需要说明的是，本发明同样适用于俯仰角的测量。在进行俯仰角测量时，声光频移单元的布局作某些改动，使产生的光束平行但位于不同高度入射至相位检测装置，相位检测装置绕光轴滚转90°，其他所有装置无需改动，利用测量公式（3）即可获得俯仰角的大小。

Claims (6)

1.一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，由单频激光源、声光频移单元、光干涉装置、平面反射镜以及相位检测装置组成；其特征在于：

所述单频激光源提供稳定的单一频率线偏振光；

所述声光频移单元包括：分光镜、两个声光频移器、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜；

所述声光频移器用于调整偏振分量光的频率，所述直角棱镜用于调整光束的传输方向，使所述光束与另一光束传输方向平行；

所述光干涉装置包括：第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、角锥棱角、第四直角棱镜、四分之一波片；

偏振分光镜用于对光束进行分光，四分之一波片用于改变线偏振光的偏振态，

将所述平面反射镜固定于被测件，作为偏摆传感器；

所述相位检测装置包括：两个检偏器，两个光电检测器，相位计；其中：

检偏器用于混合一个光路中偏振态正交的两个光束，并产生新的干涉测量光束；

相位计用于接收电测量信号，经过比相处理、计算，输出被测件的偏摆角；

具体光路连接如下：

①将所述单频激光源产生的第一光束入射到所述声光频移单元；

②声光频移单元的分光镜对第一光束进行分光，产生两个偏振分量光分别作为所述声光频移器的输入光束；其中第一声光频移器用于调整一个偏振分量光的频率，输出光束为第二光束，第二声光频移器用于调整另一个偏振分量光的频率，输出光束为第三光束；所述第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三直角棱镜用于调整所述第二光束的传输方向，使所述第二光束和第三光束传输方向平行；结果产生具有不定频率差、偏振态相同、空间平行的第二光束和第三光束；

③所述第一偏振分光镜对所述第二光束进行分光，其中s分量光经所述第一偏振分光镜的一面出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第四光束；其中p分量经所述第一偏振分光镜的另一面出射，经第二偏振分光镜透射后，经过所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，成为第五光束，所述第五光束经所述平面反射镜反射后返回并再次经过所述四分之一波片；由于两次通过所述四分之一波片，p分量光改变偏振态为s偏振态，并经所述第二偏振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反射，经所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，为第六光束，所述第六光束从所述平面反射镜返回再次经过四分之一波片后改变偏振态，从所述第二偏振分光镜透射，并经第一偏振分光镜透射后成为第七光束；

所述第一偏振分光镜也对所述第三光束进行分光，其中s分量光经所述第一偏振分光镜出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第八光束；其中p分量从所述第一偏振分光镜出射，经第二偏振分光镜透射后经过所述四分之一波片，入射至所述平面反射镜，成为第九光束，所述第九光束经所述平面反射镜反射后返回并再次经过所述四分之一波片，由于两次通过所述四分之一波片，p分量光改变偏振态为s偏振态，并经所述第二偏振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反射，经所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，成为第十光束，所述第十光束从所述平面反射镜返回再次经过四分之一波片后改变偏振态，从第二偏振分光镜透射，并经第一偏振分光镜透射后成为第十一光束；

④第一检偏器，用于混合偏振态正交的第四光束和第十一光束产生第一干涉光束；第二检偏器，用于混合偏振态正交的第七光束和第八光束产生第二干涉光束；第一光电检测器接收所述第一干涉光束产生第一电测量信号；第二光电检测器接收所述第二干涉光束产生第二电测量信号；相位计，接收第一电测量信号和第二电测量信号，经过比相处理计算输出被测件的偏摆角。

2.根据权利要求1所述的一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，其特征在于：所述光干涉装置的角锥棱角设置在第一偏振分光镜上表面一侧，角锥棱角的轴线与上表面垂直，且角锥棱角和上表面的中心轴线相互平行，位于同一直线上。

3.根据权利要求1所述的一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，其特征在于：所述光干涉装置的第四直角棱镜设置在第二偏振分光镜上表面一侧，第四直角棱镜的轴线与第二偏振分光镜的上表面垂直；直角棱镜的底面和第二偏振分光镜的上表面的中心轴线相互平行，位于同一直线上。

4.根据权利要求1所述的一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，其特征在于：所述光干涉装置的四分之一波片位于第二偏振分光镜的侧面与平面反射镜之间，且四分之一波片与第二偏振分光镜的侧面平行。

5.根据权利要求1所述的一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，其特征在于：通过调整所述角锥棱角和第四直角棱镜，使所述第五光束和第九光束位于同一高度，所述第六光束和第十光束位于同一高度，所述第四光束和所述第十一光束位置重合；所述第七光束和所述第八光束位置重合。

6.根据权利要求1所述的一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，其特征在于：所述第五光束、第六光束、第九光束和第十光束在所述平面反射镜的入射位置构成一个矩形的四个顶点，所述第五光束和第六光束构成所述矩形一侧的两个顶点，所述第九光束和第十光束构成所述矩形另一侧的两个顶点。