CN106123769A - 无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，包括双频激光源、光干涉装置、参考平面镜、随被测件运动的测量平面镜以及相位检测装置。其中，双频激光源提供具有一定频差、空间分离的线偏振入射光束，入射光束在光干涉装置及参考平面反射镜及测量平面反射镜的作用下，两次经平面镜反射，最后进入相位检测装置，以相位差的变化量确定被测量。具有一定频差的测量光束传输路径空间独立。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，有效提高测量精度，同时光路结构简单灵活，通过配置不同光学元件，可实现位移、偏摆角、俯仰角的高精度测量，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

无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置

技术领域

本发明涉及一种光学检测技术，特别涉及一种无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置。

背景技术

在军工、航天、数控机床等高科技领域，精密基准计量和几何量精密测量具有很重要的作用，特别是对微位移、偏摆角、俯仰角的测量技术，一直受到重视。差分平面镜干涉仪(DPMI)是20世纪80年代中期研制的一种新型激光干涉仪，通过设定的参考平面镜和测量平面镜之间的光程差变化来实现差动测量，其主要特点是光学分辨率高，光程死区达到最小，具有较高的稳定性和测量精度，可完成各项参数的标准测量。

传统的差分平面镜干涉仪的主要缺点是辅助光学元件较多，结构复杂，测量信号信噪比低，影响测量精度。

而双频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。但双频激光干涉仪由于干涉仪中光学元件的非理想性及安装调试误差等因素，使得干涉光路中参考臂和测量臂上不同频率的光没有完全分开，出现混叠，从而使得测得的相位移携带有一个周期性的非线性误差，与实际被测长度不成线性关系，且该非线性误差幅值可达几个纳米，成为影响双频激光干涉仪测量精度的一个重要误差源。

发明内容

本发明是针对现在双频干涉仪存在的上述问题，提出了一种无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，结构简单，光学附件少且调试方便；采用双频激光源，不同频率的测量光在整个干涉光路中独立传输，避免非线性误差的产生，提高测量精度；通过配置不同的光学附件可实现位移、偏摆角或俯仰角的高精度测量。

本发明的技术方案为：一种无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，包括双频激光源、光干涉装置、参考平面镜、测量平面镜以及相位检测装置，双频激光源提供两束稳定的空间平行、不同频率f₁、f₂的线偏振光；入射到光干涉装置，经过参考平面镜反射产生不同高度相同频率f₁的参考臂上的两束平行参考光，同时经测量反射镜反射产生不同高度相同频率f₂的测量臂上的两束平行测量光，四束光空间分开并互相平行，光干涉装置同时产生两束频率为f₁和f₂的s分量偏振光，f₁频率的s分量偏振光与来自测量臂的测量光干涉形成测量干涉信号，f₂频率的s分量偏振光与来自参考臂的参考光干涉形成参考干涉信号，相位检测装置5对测量干涉信号与参考干涉信号进行比相，并计算获得被测件的移动距离、偏摆角或俯仰角。

所述光干涉装置包括偏振分光镜、角锥棱镜、直角棱镜和四分之一波片，角锥棱镜与直角棱镜设置在偏振分光镜的两边，偏振分光镜第一直角三棱镜一直角面A出射的光束经角锥棱镜反射后返回偏振分光镜直角面A，此入射光束与反射光束相互平行；偏振分光镜第二直角三棱镜一直角面C出射的光束经直角棱镜反射后返回偏振分光镜直角面C，此入射光束与反射光束相互平行；四分之一波片位于偏振分光镜的第一直角三棱镜另一直角面B与参考反射镜之间，且四分之一波片与参考反射镜均与直角面B平行，偏振分光镜的第二直角三棱镜另一直角面D出射的信号送相位检测装置。

所述双频激光源对光干涉装置提供稳定的偏振方向为45°的两频率线偏振入射光束，频率f₁入射光束经偏振分光镜分束后，p分量光透射光经过四分之一波片后正入射至参考平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后成为偏振方向改变90°的s光，s光经偏振分光镜反射后从直角面A出射，入射到角锥棱镜，反射后由直角面A入射，经过偏振分光镜反射，再次通过四分之一波片后正入射至参考平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后偏振方向再次改变90°成为p光，经偏振分光镜透射后，从直角面D出射成为频率f₁参考信号p偏振态光束；频率f₁入射光束经偏振分光镜分束后，s分量光反射光从偏振分光镜直角面C出射入射到直角棱角，经直角棱角反射后再次经偏振分光镜反射，从直角面D出射成为频率f₁参考信号s偏振态光束。

所述双频激光源对光干涉装置提供稳定的偏振方向为45°的两频率线偏振入射光束，频率f₂入射光束经偏振分光镜分束后，p分量光透射光经过四分之一波片后正入射至测量平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后成为偏振方向改变90°的s光，s光经偏振分光镜反射后从直角面A出射，入射到角锥棱镜，反射后由直角面A入射，经过偏振分光镜反射，再次通过四分之一波片后正入射至测量平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后偏振方向再次改变90°成为p光，经偏振分光镜透射后，从直角面D出射成为频率f₂测量信号p偏振态光束；频率f₂入射光束经偏振分光镜分束后，s分量光反射光从偏振分光镜直角面C出射入射到直角棱角，经直角棱角反射后再次经偏振分光镜反射，从直角面D出成射为频率f₂测量信号s偏振态光束。

所述偏振分光镜直角面D出射的两束频率f₁参考信号光束位于同一高度，另两束频率f₂测量信号光束位于同一高度，频率f₁参考信号p偏振态光束与频率f₂测量信号s偏振态光束空间位置重合，频率f₁参考信号s偏振态光束与频率f₂测量信号p偏振态光束空间位置重合。

本发明的有益效果在于：本发明无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，光干涉装置中，干涉臂上两个不同频率的光传输路径分开，空间独立，不存在频率混叠，避免了双频激光干涉仪中固有的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为本发明较佳实施例的无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置的结构示意图；

图2为本发明入射光在光干涉装置、参考平面镜与测量平面镜之间的光路图；

图3为本发明利用本差分平面镜干涉装置进行偏摆角测量时的光路图。

具体实施方式

如图1为本发明一个较佳实施例的无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置的结构示意图，包括双频激光源1、光干涉装置2、参考平面镜3、随被测件运动的测量平面镜4以及相位检测装置5。双频激光源1提供两束稳定的空间平行、不同频率f₁、f₂的线偏振光；入射到光干涉装置2，经过参考平面镜反射产生不同高度相同频率f₁的参考臂上的两束平行参考光，经测量反射镜反射产生不同高度相同频率f₂的测量臂上的两束平行测量光，四束光空间分开并互相平行。光干涉装置同时产生两束频率为f₁和f₂的s分量偏振光，f₁频率的s分量偏振光与来自测量臂的测量光干涉形成测量干涉信号，f₂频率的s分量偏振光与来自参考臂的参考光干涉形成参考干涉信号，相位检测装置5对测量干涉信号与参考干涉信号进行比相，并计算获得被测件的移动距离。

图2是入射光在光干涉装置2、参考平面镜3与测量平面镜4之间的光路图；具体而言，光干涉装置2可以包括偏振分光镜6、角锥棱镜7、直角棱镜8、四分之一波片9；

双频激光源1对光干涉装置2提供稳定的偏振方向为45°的两频率线偏振入射光束10和11。

入射光束10经偏振分光镜6分束后，p分量光透射成为光束12，光束12经过四分之一波片9后正入射至参考平面镜3，并原路返回再次经过四分之一波片9后成为光束14，由于光束12是p光，两次经过四分之一波片9，偏振方向改变90°，此时光束14为s光，经偏振分光镜反射后成为光束15，并入射至角锥棱镜7，反射后光束16经偏振分光镜6再次反射称为光束17，并经过四分之一波片9后正入射至参考平面镜3，并原路返回再次经过四分之一波片9后成为光束18，由于光束17是s光，两次经过四分之一波片9，偏振方向改变90°，此时光束18为p光，经偏振分光镜6透射后，成为参考信号光束19；

入射光束10的s分量光反射成为光束13，经直角棱角8反射后再次经偏振分光镜6反射，成为光束21；

光束19为p偏振态，光束21为s偏振态，两者位于同一高度的；

入射光束11经偏振分光镜6分束后，p分量光透射成为光束22，光束22经过四分之一波片9后正入射至测量平面镜4，并原路返回再次经过四分之一波片9后成为光束24，由于光束22是p光，两次经过四分之一波片9，偏振方向改变90°，此时光束24为s光，经偏振分光镜反射后成为光束25，并入射至角锥棱镜7，反射后光束26经偏振分光镜6再次反射称为光束27，并经过四分之一波片9后正入射至测量平面镜4，并原路返回再次经过四分之一波片9后成为光束28，由于光束27是s光，两次经过四分之一波片9，偏振方向改变90°，此时光束28为p光，经偏振分光镜6透射后，成为信号光束29；

入射光束11的s分量光反射成为光束23，经直角棱角8反射后再次经偏振分光镜6反射，成为光束31；

光束29为p偏振态，光束31为s偏振态，两者位于同一高度的；

光束19与光束31空间位置重合，光束21与光束29空间位置重合；

角锥棱镜7与直角棱镜8设置在偏振分光镜6的两边，角锥棱镜7设置在偏振分光镜6第一直角三棱镜一直角面32(A)的一侧，且其轴线与面32的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。角锥棱镜7将从面32出射的光束反射回去而且入射光束与反射光束相互平行；

直角棱镜8设置在偏振分光镜6第二直角三棱镜一直角面33的一侧，直角棱镜8轴线与面33(C)的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。光束垂直直角棱镜8斜边面34入射，并经直角棱镜8反射后出射，入射光和出射光平行；

四分之一波片9位于偏振分光镜6的第一直角三棱镜另一直角面35(B)与参考反射镜3之间，且四分之一波片9与参考反射镜3均与面35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9的p光束转化为s光束，或者使两次通过四分之一波片9的s光束转化为p光束；

光干涉装置2出射的四束光空间平行，其中光束36与37频率相同，光束38与39具有另一个频率，光束36与38位于同一高度，光束37与39位于同一高度；

从偏振分光镜6(面D)出射的光束19和光束31位于同一空间位置，频率不同，偏振态正交；光束21与光束29位于同一空间位置，频率不同，偏振态正交；

正交光束19与31经相位检测装置5产生参考拍频信号，正交光束21与29经相位检测装置5产生测量拍频信号，对这两个拍频信号进行相位比较获得相位差，相位差的变化与测量反射镜4的位移成正比。

下面描述位移的具体测量计算过程：

光干涉装置2出射的四束光空间平行，让其相同频率的光入射到参考平面镜3，让另一相同频率的光穿过参考平面镜3上小孔直接入射到参考平面镜3后的测量平面镜4上。假设入射到参考平面镜的光束频率为f₁，入射到测量平面镜的光束频率为f₂。由前述可知，当测量平面镜产生Δl的位移时，入射到测量平面镜的光束38和39产生2Δl光程变化，并使测量光束29产生4Δl的光程变化。这里假设空气的折射率为1。

当频率为f₂的光束29与频率为f₁的光束21合束并产生干涉时，获得的干涉拍频信号1可表示为：

$E_1\∝cos\left(2\mathrm{\π}\right(f_1-f_2)t+{\mathrm{\φ}}_{01}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ})=cos(\mathrm{\Δ}\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\φ}}_{01}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\·4\mathrm{\Δ}l)---\left(1\right)$

式中Δωt＝2πΔft为拍频，φ₀₁为拍频信号1的初始相位，Δφ为测量平面镜位移引入的相移。

频率为f₁的光束19与频率为f₂的光束31合束并产生干涉时，获得的干涉拍频信号2可表示为：

E₂∝cos(2π(f₁-f₂)t+φ₀₂)＝cos(Δωt+φ₀₂) (2)

式中，φ₀₂为拍频信号2的初始相位。

利用比相计对这两个干涉拍频信号进行比相，可获得相位差：

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}={\mathrm{\φ}}_{01}-{\mathrm{\φ}}_{02}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}={\mathrm{\Δ\φ}}_0+\frac{8\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}l---\left(3\right)$

上式中，Δφ是比相计获得的两个干涉拍频信号的相位差，λ是两个测量光中心波长，Δφ₀是初始相位差，考虑相位差是增量式检测，初始相位差并不影响测量结果，因此利用公式(3)就可确定测量反射镜的位移。

本发明的上述实施例可应用于高精度位移的干涉测量，例如，利用电子细分仅为(2π/512)的相位计，所测位移的最小分辨率可达0.3nm。

以上借助较佳实施例以位移的测量为例对本发明的原理和应用做了阐述，需要说明的是，通过调整光学附件的位置，本发明同样适用于偏摆角、俯仰角的精密测量。

图3给出了利用本差分平面镜干涉仪进行偏摆角测量时的光路图。调整角锥棱镜与直角棱镜的位置，使得光干涉装置出射的四束光空间平行，同时频率相同的光束位于光轴同侧，平面反射镜作为偏摆角传感器件固定于被测件。当平面镜存在偏摆时，一个频率的2束测量光光程增加，另一个频率的2束测量光光程减小，当这两个频率的测量光分别干涉获得拍频信号，通过相位比较即可获得光程变化量并由此获得被测件的偏摆角。

而进行俯仰角测量时，只需把相位检测装置绕光轴滚转90°，保证同一高度的2束平行测量光频率相同，即可用于俯仰角的测量。

Claims (5)

1.一种无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，其特征在于，包括双频激光源、光干涉装置、参考平面镜、测量平面镜以及相位检测装置，双频激光源提供两束稳定的空间平行、不同频率f ₁ 、f ₂的线偏振光；入射到光干涉装置，经过参考平面镜反射产生不同高度相同频率f ₁的参考臂上的两束平行参考光，同时经测量反射镜反射产生不同高度相同频率f ₂的测量臂上的两束平行测量光，四束光空间分开并互相平行，光干涉装置同时产生两束频率为f ₁和f ₂的s分量偏振光，f ₁频率的s分量偏振光与来自测量臂的测量光干涉形成测量干涉信号，f ₂频率的s 分量偏振光与来自参考臂的参考光干涉形成参考干涉信号，相位检测装置对测量干涉信号与参考干涉信号进行比相，并计算获得被测件的移动距离、偏摆角或俯仰角。

2.根据权利要求1所述无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，其特征在于，所述光干涉装置包括偏振分光镜、角锥棱镜、直角棱镜和四分之一波片，角锥棱镜与直角棱镜设置在偏振分光镜的两边，偏振分光镜第一直角三棱镜一直角面A出射的光束经角锥棱镜反射后返回偏振分光镜直角面A，此入射光束与反射光束相互平行；偏振分光镜第二直角三棱镜一直角面C出射的光束经直角棱镜反射后返回偏振分光镜直角面C，此入射光束与反射光束相互平行；四分之一波片位于偏振分光镜的第一直角三棱镜另一直角面B与参考反射镜之间，且四分之一波片与参考反射镜均与直角面B平行，偏振分光镜的第二直角三棱镜另一直角面D出射的信号送相位检测装置。

3.根据权利要求2所述无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，其特征在于，所述双频激光源对光干涉装置提供稳定的偏振方向为45°的两频率线偏振入射光束，频率f ₁入射光束经偏振分光镜分束后，p分量光透射光经过四分之一波片后正入射至参考平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后成为偏振方向改变90°的s光，s光经偏振分光镜反射后从直角面A出射，入射到角锥棱镜，反射后由直角面A入射，经过偏振分光镜反射，再次通过四分之一波片后正入射至参考平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后偏振方向再次改变90°成为p光，经偏振分光镜透射后，从直角面D出射成为频率f ₁参考信号p偏振态光束；频率f ₁入射光束经偏振分光镜分束后，s分量光反射光从偏振分光镜直角面C出射入射到直角棱角，经直角棱角反射后再次经偏振分光镜反射，从直角面D出射成为频率f ₁参考信号s偏振态光束。

4.根据权利要求2或3所述无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，其特征在于，所述双频激光源对光干涉装置提供稳定的偏振方向为45°的两频率线偏振入射光束，频率f ₂入射光束经偏振分光镜分束后，p分量光透射光经过四分之一波片后正入射至测量平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后成为偏振方向改变90°的s光，s光经偏振分光镜反射后从直角面A出射，入射到角锥棱镜，反射后由直角面A入射，经过偏振分光镜反射，再次通过四分之一波片后正入射至测量平面镜，并原路返回再次经过四分之一波片后偏振方向再次改变90°成为p光，经偏振分光镜透射后，从直角面D出射成为频率f ₂测量信号p偏振态光束；频率f ₂入射光束经偏振分光镜分束后，s分量光反射光从偏振分光镜直角面C出射入射到直角棱角，经直角棱角反射后再次经偏振分光镜反射，从直角面D出成射为频率f ₂测量信号s偏振态光束。

5.根据权利要求4所述无非线性误差的差分平面镜激光干涉装置，其特征在于，所述偏振分光镜直角面D出射的两束频率f ₁参考信号光束位于同一高度，另两束频率f ₂测量信号光束位于同一高度，频率f ₁参考信号p偏振态光束与频率f ₂测量信号s偏振态光束空间位置重合，频率f ₁参考信号s偏振态光束与频率f ₂测量信号p偏振态光束空间位置重合。