CN105588515A - 一种基于纳米位移计量传感器的纳米微位移检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学倍频的纳米位移计量传感器，包括激光器、偏振分光棱镜、1/4玻片、角锥棱镜、平面反射镜、偏振片、光电探测器和底座。本发明的传感器采用光学倍频技术，直接在光学结构上将光程差进行8细分，同时采用偏振分光棱镜和1/4玻片组合减少了光能损失，保证了干涉条纹的强度，具有结构简单，精度高，测量范围大，抗干扰能力强等特点，并且相比于单路光束系统在某种程度上可减小非直线运动所造成的误差。

Description

一种基于纳米位移计量传感器的纳米微位移检测仪

技术领域

本发明涉及精密测量领域，涉及一种高精度的纳米位移计量方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们对测量技术的精度要求也越来越高。其中高精度的纳米位移计量装置成为众多领域前进发展的关键技术。常用的位移计量装置为光栅尺和激光干涉测量仪。光栅尺是通过记录静尺和动尺相互移动对产生的莫尔斯干涉条纹数来测量位移的。但是光栅尺易受温度的影响,测量分辨率严重依赖于光栅尺的光栅常数，且测量范围有限。单个光栅尺检测的最大允许速度往往与其测量分辨率成反比，故存在着测量速度与分辨率的矛盾。而激光干涉测量仪是利用激光在真空中的波长作为长度基准,可以达到纳米级的测量分辨率。利用参考光路与测量光路的光程差对位移进行测量，通过光学倍频布局可以使得测量的分辨率达到几个纳米，同时由于激光的相干长度较大，测量的范围要远远大于光栅尺的测量范围。专利[CN200910069745.2]涉及一种共路激光干涉仪，它包括激光器、偏振分光镜、反射镜、衍射光栅、偏振片、凸透镜和光电探测器，在激光器发出光束方向上放置偏振分光镜，偏振分光镜的分光面与激光器发出光束方向成45°；在偏振分光镜的分光面方向上的上侧和下侧分别放置反射镜和衍射光栅；在出射光的方向上依次放置偏振片、凸透镜和光电探测器，这三个元件的光轴方向与偏振分光镜的分光面成45°，与激光器发出光束方向成90°。将激光多普勒技术与激光偏振干涉技术相结合，增强光路对外界环境的抗干扰能力，提高了激光干涉仪的测量分辨力和精度，但其在光学结构对位移只进行了4细分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学倍频的纳米位移计量传感器，该传感器采用光学倍频技术，直接在光学结构上将位移进行8细分，由此提高了精度。同时采用偏振分光棱镜和1/4玻片组合，减少了光能损失。本发明技术方案如下：

一种光学倍频的纳米位移计量传感器，包括偏振分光棱镜、1/4玻片、第一平面反射镜、第二平面反射镜，第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、第四角锥棱镜和偏振片，其特征在于：

所述的偏振分光棱镜居中置放于两个镜面平行相对的第一角锥棱镜和第四角锥棱镜之间，第一、第四角锥棱镜的结构尺寸相同、且反射面均平行于偏振分光棱镜；所述1/4玻片安装在偏振分光棱镜的正下部，1/4玻片工作面与偏振分光棱镜底边平行，1/4玻片光学中心轴到第一、第四角锥棱镜的镜面等距，其下方平行设置有左右对称第一平面反射镜、第二平面反射镜；第一平面反射镜下方设有第二角锥棱镜，第二平面反射镜下方设有第三角锥棱镜；所述第二、第三角锥棱镜结构和尺寸相同，共同固定在上下运动部件上，第二、第三角锥棱镜镜面共面且均向上分别与第一、第二平面反射镜的镜面相对；偏振片安装在偏振分光棱镜的上部；偏振片、1/4玻片、第二、第三角锥棱镜镜面和第一、第二平面反射镜的镜面相互平行；

所述偏振分光棱镜上部的一端用于激光入射，另一端正对偏振片，为激光出射部。

工作时，偏振分光棱镜将入射激光分为正交的两路线偏振光输出，一路为透射光T_p，一路为反射光R_s；

所述透射光T_p经1/4玻片后，再经第二角锥棱镜反射到第一平面反射镜，然后在第一平面反射镜的反射作用下，按原光路再次经1/4玻片；两次经过1/4玻片，光束偏振方向改变90度变成反射光R1，返回偏振分光棱镜，由偏振分光棱镜反射到第一角锥棱镜；经第一角锥棱镜反射到偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射到1/4玻片，入射至第三角锥棱镜，然后被反射到第二平面反射镜；在第二平面反射镜作用下，按原光路再次经1/4玻片返回，光束偏振方向再次改变90度变成透射光T2，透射过偏振分光棱镜，投射到偏振片上；

所述反射光R_s射入第四角锥棱镜后，被反射回偏振分光棱镜，进而被偏振分光棱镜投射到偏振片上，与所述透射光T2经过偏振后发生干涉；

两干涉光的光程差与安装第二、第三角锥棱镜的运动部件上下位置有关，随运动部件相对于偏振分光棱镜或1/4玻片的距离变化而变化，从而引起干涉条纹数量变化，结合已知的激光波长，即求出微小的位移变化。

进一步的，所述纳米位移计量传感器的偏振片的上方还设有光电探测器，便于干涉光条纹信号接收。

进一步的，所述纳米位移计量传感器的偏振片是线偏振型，通过调节偏振方向实现两束光的相干程度。

进一步的，本发明基于所述纳米位移计量传感器，提出一种纳米位移检测仪，包括依次电信号连接的纳米位移计量传感器、差分电路、放大整形电路、辨向细分电路、A/D转换电路和计算机；

其中，所述纳米位移计量传感器输出的干涉光条纹信号经差分电路转换为相位差为90度的正余弦信号，一路送入放大整形电路，变成数字方波输至辨向细分电路进行四细分计数，该计数电路对超过1/4周期的条纹移动进行计数；另一路经A/D转换电路，通过A/D转换器对不足1/4周期的条纹移动进行细分处理；两路信号的计数值送入计算机，进行同步相加处理，由计算机计算出位移值。

本发明提出的技术方案，采用了偏振分光棱镜和1/4玻片组合，保证了干涉条纹的强度，具有测量范围大，抗干扰能力强等特点，并且相比于单路光束系统在某种程度上可减小非直线运动所造成的误差。由于采用了差动式的结构，直接在采用光学倍频布局，实现光学8细分，提高了灵敏度，同时可使得结构紧凑、减少温度、空气及机械干扰的影响，保证了测量的高精度要求。

附图说明

图1光学倍频的纳米位移计量传感器的结构图；

图2基于纳米位移计量传感器的纳米微位移检测仪结构图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-激光器、2-偏振分光棱镜、3-第一角锥棱镜、4-底座、5-第一平面反射镜、6-第二角锥棱镜、7-第三角锥棱镜、8-第二平面反射镜、9-1/4玻片、10-第四角锥棱镜、11-偏振片。

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，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1示，本实施提供的光学倍频的纳米位移计量传感器，包括激光器1、偏振分光棱镜2、1/4玻片9、第一平面反射镜5、第二平面反射镜8，第一角锥棱镜3、第二角锥棱镜6、第三角锥棱镜7、第四角锥棱镜10，偏振片11和底座4。

偏振分光棱镜2将激光器输出激光分为正交的两路线偏振光，一路为透射光T_p，一路为反射光R_s；

透射光T_p经1/4玻片9后，然后经第二角锥棱镜6反射到第一平面反射镜5，然后在第一平面反射镜5的反射作用下，按原光路再次经1/4玻片9返回，两次经过1/4玻片9，光束偏振方向改变90度变成反射光R1，返回偏振分光棱镜2，由偏振分光棱镜2反射到第一角锥棱镜3；经第一角锥棱镜3反射到偏振分光棱镜2，经偏振分光棱镜2反射到1/4玻片9，入射至第三角锥棱镜7，然后被反射到第二平面反射镜8；在第二平面反射镜8作用下，按原光路再次经1/4玻片9返回，两次经过1/4玻片9，光束偏振方向改变90度变成透射光T2，透射过偏振分光棱镜2，入射到偏振片11；

反射光R_s入射到第四角锥棱镜10，被反射至偏振分光棱镜2，进而被反射至偏振分光棱镜2，投射到偏振片11；

透射光T2和反射光R_s，经过偏振片11后发生干涉产生干涉条纹。调节偏振片的偏振方向可使干涉条纹的对比度最好。

本实施采用的激光器1为氦氖激光器，波长为632.8nm；偏振分光棱镜2为GCC-402033单波长偏振分光棱镜，边长25.4mm；角锥棱镜3、6、7、10为GCL-030503角锥棱镜，镜面直径为Φ25.4mm；1/4波片9为GCL-0606241/4波片，镜面直径为Φ25.4mm；偏振片11为GCL-050005偏振片，镜面直径为Φ12.7mm。

当运动部件发生位移时，测量光束与参考光束之间的光程差发生改变引起干涉条纹变化。当光程差每变化一个波长，干涉条纹就明暗交替变化一次。通过对干涉条纹计数，可得到微小位称值。

本实施，在未经细分的情况下被测长度L：

L＝Nλ/8

式中N为移动被测长度L时条纹移动的周期数，λ为激光波长。

其中，所述纳米位移计量传感器输出的干涉光条纹信号经差分电路转换为相位差为90度的正余弦信号，一路送入放大整形电路，变成数字方波输至辨向细分电路进行四细分计数，该计数电路可以对超过1/4周期的条纹移动进行计数；另一路经A/D转换电路，通过A/D转换器AD669对不足1/4周期的条纹移动进行细分处理；两路信号的计数值送入计算机；进行同步相加处理，由计算机计算出位移值。结合实际干涉信号的有效性，信号四分之一周期内的角度分辨率可达2°。融合四细分的大计数和A/D转换器细分的小计数，其位移测量分辨率：

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\λ}}{8}\×\frac{1}{4}\×\frac{1}{45}\≈0.44nm$

所述纳米微位移检测仪的构成如图2所示，包括位移计量传感器、光电探测器、信号处理电路和计算机。位移传感器将检测的位移值转换成光学信号，由光电探测接收后转换成电信号，电信号经过信号处理电路(包括放大整形、辨向细分和A/D转换)后送入计算机处理，从而得到位移值。

本领域的技术人员容易理解，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 (5)

1.一种光学倍频的纳米位移计量传感器，包括偏振分光棱镜(2)、1/4玻片(9)、第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(8)，第一角锥棱镜(3)、第二角锥棱镜(6)、第三角锥棱镜(7)、第四角锥棱镜(10)和偏振片(11)，其特征在于：

所述的偏振分光棱镜(2)居中置放于两个镜面平行相对的第一角锥棱镜(3)和第四角锥棱镜(10)之间，第一、第四角锥棱镜的结构尺寸相同、且反射面均平行于偏振分光棱镜(2)；所述1/4玻片(9)安装在偏振分光棱镜(2)的正下部，1/4玻片工作面与偏振分光棱镜(2)底边平行，1/4玻片光学中心轴到第一、第四角锥棱镜的镜面等距，其下方平行设置有左右对称第一平面反射镜(5)、第二平面反射镜(8)；第一平面反射镜(5)下方设有第二角锥棱镜(6)，第二平面反射镜(8)下方设有第三角锥棱镜(7)；所述第二、第三角锥棱镜结构和尺寸相同，共同固定在上下运动部件上，第二、第三角锥棱镜(6、7)镜面共面且均向上分别与第一、第二平面反射镜的镜面相对；偏振片(11)安装在偏振分光棱镜(2)的上部；偏振片(11)、1/4玻片(9)、第二、第三角锥棱镜镜面和第一、第二平面反射镜的镜面相互平行；

所述偏振分光棱镜(2)上部的一端用于激光入射，另一端正对偏振片(11)，为激光出射部。

2.根据权利要求1所述的光学倍频的纳米位移计量传感器，其特征在于：

工作时，偏振分光棱镜(2)将入射激光分为正交的两路线偏振光输出，一路为透射光T_p，一路为反射光R_s；

所述透射光T_p经1/4玻片(9)后，再经第二角锥棱镜(6)反射到第一平面反射镜(5)，然后在第一平面反射镜(5)的反射作用下，按原光路再次经1/4玻片(9)；两次经过1/4玻片(9)，光束偏振方向改变90度变成反射光R1，返回偏振分光棱镜(2)，由偏振分光棱镜(2)反射到第一角锥棱镜(3)；经第一角锥棱镜(3)反射到偏振分光棱镜(2)，经偏振分光棱镜(2)反射到1/4玻片(9)，入射至第三角锥棱镜(7)，然后被反射到第二平面反射镜(8)；在第二平面反射镜(8)作用下，按原光路再次经1/4玻片(9)返回，光束偏振方向再次改变90度变成透射光T2，透射过偏振分光棱镜(2)，投射到偏振片(11)上；

所述反射光R_s射入第四角锥棱镜(10)后，被反射回偏振分光棱镜(2)，进而被偏振分光棱镜(2)投射到偏振片(11)上，与所述透射光T2经过偏振后发生干涉；

两干涉光的光程差与安装第二、第三角锥棱镜(6、7)的运动部件上下位置有关，随运动部件相对于偏振分光棱镜(2)或1/4玻片(9)的距离变化而变化，从而引起干涉条纹数量变化，结合已知的激光波长，即求出微小的位移变化。

3.根据权利要求1或2所述的纳米位移计量传感器，其特征在于，所述偏振片(11)的上方还设有光电探测器(12)，便于干涉光条纹接收。

4.根据权利要求1所述的纳米位移计量传感器，其特征在于，所述的偏振片(11)是线偏振型，通过调节偏振方向实现两束光的相干程度。

5.一种基于权利要求3或4所述计量传感器的纳米位移检测仪，其特征在于，还包括依次电信号连接的纳米位移计量传感器、差分电路、放大整形电路、辨向细分电路、A/D转换电路和计算机；

其中，所述纳米位移计量传感器输出的干涉光条纹信号经差分电路转换为相位差为90度的正余弦信号，一路送入放大整形电路，变成数字方波输至辨向细分电路进行四细分计数，该计数电路对超过1/4周期的条纹移动进行计数；另一路经A/D转换电路，通过A/D转换器对不足1/4周期的条纹移动进行细分处理；两路信号的计数值送入计算机，进行同步相加处理，由计算机计算出位移值。