CN109029265A - 一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统，通过引入空间光调制器，通过空间光调制器将位移引起的条纹变化返回到零，由干涉条纹变化值推知物体的位移量，实现高精度测量位移；本发明相比于在位移测量中采用PZT等机械器件驱动反射镜调制相位方式，在位移测量过程中，相位调制无机械操作，避免了传统方案中机械运动引入的误差；利用空间光调制器可精确的调制相位的特性，将物体位移量转化为空间光调制器对光束的相位改变量，由干涉条纹移动的数目和空间光调制器对光束的相位调制信息即可精确得到物体整体的位移，该方法对光束的相位调制更精细，可以达到更高的分辨率。

Description

一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统。

背景技术

随着纳米科技的迅速发展，尤其是半导体技术、微电子技术、精密加工技术等的迅速发展，对位移的精密测量提出了更高要求。微位移的准确测量对促进我国先进制造、超精密加工、国防军事等领域的发展具有重要意义。目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。虽然以电容传感器、扫描隧道显微镜(SPM)为代表的非光学测量方法的测量分辨力很高，能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，但是这些方法在溯源到国际标准长度单位“米”定义的时候，必须借助激光干涉仪等光学方法进行标定和校准。因此，光学测量方法尤其受到科学家们的重视，并且光学测量方法还具有非接触的特点。

按光学原理不同，光学测量技术可分为激光干涉法、光杠杆法、光栅尺测量技术等。其中，激光干涉法由于其具有可溯源、分辨力高、测量速度快等独特优势，应用极为广泛，是目前和近期纳米级以上分辨力位移测量的主流技术。激光干涉位移测量技术主要有双光束干涉和多光束干涉两种类型。迈克尔逊干涉仪或类似结构是双光束激光干涉仪主要结构形式，广泛应用于各种测量场合。虽然光学倍程、电子倍频、干涉条纹细分等技术发展的使迈克尔逊干涉仪的测量精度大为提高，但因受各种误差因素限制，传统干涉测量分辨力只能达到λ/10～λ/20。多光束干涉仪主要指法布里－珀罗干涉仪，该方法理论分辨率为1pm，主要用于高分辨力微位移测量，不过其结构复杂，调节较为繁琐，受多种因素的限制，实际分辨率和理论上尚有一定差距。为提高干涉仪的测量分辨力，国内外很多研究人员都致力于在已有干涉仪结构基础上综合运用多种干涉技术进行改进。

微位移测量发展的趋势是大范围、高分辨力。在激光干涉位移测量技术中，很多高分辨力的测量系统引入高精密的机械器件，对已有干涉仪结构改进，而机械部分装配和运动精度对位移测量精度有着重要影响。例如：中国计量科学研究院研制了差拍法-珀干涉仪，可用于约λ/4范围内分辨率为0.3nm的高精度位移测量。在该系统中，测量位移过程中需要给压电陶瓷(PZT)加一个电压改变工作激光器的腔长，将工作激光器腔锁定在法-珀干涉仪输出的最大光强上，从而通过测量工作激光器对标准激光器的频差来确定法-珀干涉仪的腔长变化量；移相干涉测量中，一般采用PZT驱动参考镜的方法改变相位，达到移相的目的。PZT可以实现纳米量级位移定位，而影响移相干涉术精度的主要误差源是PZT相位位移误差；基于激光共路偏振干涉原理构建的位移测量与校准实验系统，其偏振相移的相移量是通过步进电机控制偏振片旋转来实现，实验系统的精度与电机运动精度密切相关；一种基于迈克尔逊干涉技术的位移测量系统，将PZT作为相位调制器，把调制波的电信号转化为一个干涉臂中光波的相位变化，以实现对相位的补偿作用。

大范围高分辨力位移测量是位移测量的发展趋势，其中提高测量系统中机械部分的装配和运动精度是重要的努力方向。在一些激光干涉测量技术中，测量系统中的高精密的机械运动器件，如PZT、步进电机等，在位移测量中的一般用来改变光束的相位、偏振态等，其在运动引入的误差对高精度位移测量是非常不利的。

在传统方法中，一般使用高精密平移台、PZT等机械器件驱动反射镜，改变光束的相位，此类机械运动器件的运动精度是位移测量精度重要的影响因素。PZT是位移测量系统中最常见的位移平台，其可实现纳米量级的定位，对于纳米量级以上更精密的位移测量对其性能提出更高的要求。并且在运动过程中，不可避免的产生振动，造成一定的误差。

发明内容

针对以上问题，本发明旨在提供一种结构简单、操作方便、高分辨率力的基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法，包括如下步骤：

S1、获取待测物体移动前参考光和测量光形成的干涉条纹图样；

S2、获取待测物体移动后参考光和测量光形成的干涉条纹图样；

S3、对比待测物体移动前后干涉条纹的变化，通过空间光调制器进行相位调制，将位移引起干涉条纹的变化进行归零，获得干涉条纹变化值；

S4、根据干涉条纹变化值计算得到待测物体的位移值。

本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于空间光调制器的高精度微位移测量系统，按照光路顺序依次包括光源模块、光路模块、探测模块和数据处理模块；其中，

所述光源模块包括顺次光路连接的激光器、准直镜、偏振片、扩束器；

所述光路模块包括双光束干涉仪和空间光调制器，所述双光束干涉仪包括第一分光棱镜和第二分光棱镜；所述光源模块发出的光经所述第一分光棱镜分束后，一部分光为参考光，进入空间光调制器；另一部分光为测量光到达位于待测物体表面的测量反射镜；所述参考光经空间光调制器后与所述测量反射镜反射后的测量光通过第二分光棱镜形成干涉条纹；

所述探测模块通过成像器采集形成的干涉条纹成像数据；

所述数据处理模块接收从所述探测模块传送的成像数据；所述数据处理模块还与所述空间光调制器电性连接，所述数据处理模块根据成像数据将位移引起干涉条纹的变化进行归零，获得干涉条纹变化值并以此计算待测物体的位移值。

本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统，通过引入空间光调制器，应用于激光干涉测量光路，进行相位调制，由位移引起条纹变化，用空间光调制器将这个干涉条纹变化返回到零，由干涉条纹变化值推知物体的位移量，实现高精度测量位移；本发明相比于在位移测量中采用PZT等机械器件驱动反射镜调制相位方式，在位移测量过程中，相位调制无机械操作，避免了传统方案中机械运动引入的误差；本发明利用空间光调制器可精确的调制相位的特性，将物体位移量转化为空间光调制器对光束的相位改变量，由干涉条纹移动的数目和空间光调制器对光束的相位调制信息即可精确得到物体整体的位移，该方法对光束的相位调制更精细，可以达到更高的分辨率。

附图说明

图1是本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法流程示意图；

图2是本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量系统逻辑示意图；

图3是本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法原理示意图；

图4是本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量系统逻辑示意框图；

图5是本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量系统一个实施例的逻辑结构示意框图；

图6是本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量系统另一个实施例的逻辑结构示意框图；

图7是本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法实验结果图。

图中所示数字标注表示为：1、激光器；2、准直镜；3、偏振片；4、扩束器；5、第一分光棱镜；6、测量反射镜；7、空间光调制器；8、第二分光棱镜；9、探测模块；10、数据处理模块。

具体实施方式

以下结合图1-7具体说明本发明提供的一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统。

如图3所示，本发明原理如下：在双光束激光干涉位移测量中，干涉条纹的移动源于位移引起的光程差的改变，也就是干涉相位的变化；引起干涉条纹强度分布变化的相位调制或相移，与产生等量的条纹强度分布变化的物体位移是相对应的。通过具有高分辨率的可控已知的相位调制操作，驱动干涉条纹产生与物体位移引起的等量条纹变化，就可由已知的相移量，推知物体的位移量。

如图1所示，作为本发明一种较佳实施例，一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法，包括如下步骤：

S1、获取待测物体移动前参考光和测量光形成的干涉条纹图样；

物体所在测量光路光的复振幅：

SLM所在参考光路光的复振幅：

两光束干涉形成干涉条纹：其中，P为场点

S2、获取待测物体移动后参考光和测量光形成的干涉条纹图样；

物体移动Δl，测量光路中光程改变，会进而导致光束相位改变此时干涉条纹中干涉条纹发生变化。

S3、对比待测物体移动前后干涉条纹的变化，通过空间光调制器进行相位调制，将位移引起干涉条纹的变化进行归零，获得干涉条纹变化值；其中，所述的干涉条纹变化值为待测物体位移所造成的干涉条纹总的相位改变值。

SLM调制参考光路光束相位，相位改变量此时干涉条纹中干涉条纹恢复到S1中分布，即将位移引起的干涉条纹变化返回零。

S4、根据干涉条纹变化值计算得到待测物体的位移值。

待测物体的位移值Δl根据如下公式进行计算：

其中，为干涉条纹变化值；λ为光源波长。

作为一种优选方式，步骤S3还包括，对比待测物体移动前后干涉条纹的变化，并记录干涉条纹移动的数目和干涉条纹调制相位；其中，所述干涉条纹移动数目为干涉条纹变化值中干涉条纹移动数目的整数部分；所述干涉条纹调制相位为干涉条纹变化值中干涉条纹移动数目的小数部分对应的相位改变值；所述干涉条纹调制相位也就是空间光调制器的实际调制相位。即：

其中，整数部分即为本发明所述的干涉条纹移动数目：移动数目N,对应相位2Nπ；

其中，小数部分即为本发明所述的干涉条纹调制相位；

也就是说空间光调制器仅需将光束的相位改变Δφ，即可将条纹变化返回到零。

则，待测物体的位移值Δl根据如下公式进行计算：

其中，N为干涉条纹移动的数目；Δφ为干涉条纹调制相位；λ为光源波长。

如图4所示，作为本发明的另一个较佳实施例，一种基于空间光调制器的高精度微位移测量系统，按照光路顺序依次包括光源模块、光路模块、探测模块和数据处理模块；如图2所示，其中，

所述光源模块包括顺次光路连接的激光器1、准直镜2、偏振片3、扩束器4；

所述光路模块包括双光束干涉仪和空间光调制器，作为一种较佳实施例，所述双光束干涉仪为马赫-曾德干涉结构或迈克尔逊干涉结构；所述双光束干涉仪包括第一分光棱镜5和第二分光棱镜8；所述光源模块发出的光经所述第一分光棱镜5分束后，一部分光为参考光，进入空间光调制器7；另一部分光为测量光到达位于待测物体表面的测量反射镜6；所述参考光经空间光调制器7后与所述测量反射镜6反射后的测量光通过第二分光棱镜8形成干涉条纹；

基于本发明构建的测量光路可以基于多种双光束干涉结构构建；空间光调制器(SLM)可以使用透射式或反射式，其起的作用为将位移引起的干涉条纹变化返回到零。本发明提出的方法具有普适性，可以将SLM(反射式或透射式)应用于多种类似的双光束干涉仪结构构建位移测量系统。

为了更进一步清楚说明本发明的技术方案，如图6所示，现提供一种优选实施例，所述空间光调制器为透射式空间光调制器；所述参考光经透射式空间光调制器后通过两组参考反射镜进行反射，最后汇聚第二分光棱镜。

作为一种优选方式，所述第一分光棱镜与所述第二分光棱镜可以为同一分光棱镜。

所述空间光调制器为反射式空间光调制器，所述参考光经反射式空间光调制器后，进入第二分光棱镜。

所述探测模块9通过成像器采集形成的干涉条纹成像数据；

所述数据处理模块10接收从所述探测模块传送的成像数据；所述数据处理模块10还与所述空间光调制器7电性连接，所述数据处理模块根据成像数据将位移引起干涉条纹的变化进行归零，获得干涉条纹变化值并以此计算待测物体的位移值。

为了进一步清楚的阐述本发明思想，如图5所示，下面以迈克尔逊干涉结构为例进行介绍：

其中光路中的SLM为反射式；激光器发出的激光经扩束后，通过偏振片成为线偏振光，然后经过分光器件分为测量光路和参考光路。物体(测量镜)移动引起光束光程改变，其作为测量光路。在参考光路中，引入空间光调制器。由于物体的移动，会带来光程的改变，进而导致干涉条纹的变化，记录干涉条纹移动的数目。为精确测的1个条纹内的位移，通过改变加载到空间光调制器的全息图，进而改变光束相位，使参考光路中光程发生改变，当光程改变与由物体位移引起的光程改变相差波长整数倍时，对应光束的相位相差2π的整数倍，由位移引起的干涉条纹变化返回到零。通过CCD、CMOS等成像器件采集干涉图像。通过对干涉条纹图样进行处理，由干涉条纹移动的数目和干涉条纹调制相位计算得到物体位移。

位移测量步骤:

(1)对物体移动前的干涉条纹图样进行采集。

(2)粗测:物体移动过程中，记录干涉条纹移动的数目N。

(3)细测：由位移引起条纹变化，用调制器将条纹变化返回到零，这时干涉条纹调制相位Δφ对应的位移为要测量的位移小于一个波长(λ)的部分。

具体：加载不同相位的全息图到空间光调制器，采集一系列干涉图，并分别与物体移动前的干涉图做相关运算，找到相关函数最大值对应的干涉图(此干涉图的条纹与物体移动前干涉条纹相同)，即采用相关算法来判定干涉条纹变化是否返回到零。其中，相关函数最大值对应的相位改变量Δφ对应的位移为物体位移一个波长内的部分。

根据干涉条纹移动的数目和干涉条纹调制相位计算得到物体位移

其中，λ为光源波长。

为了进一步阐述清楚本发明技术方案，如图4所示，使用透射式SLM位移测量系统，光路结构虽不同，但是都是基于本发明提出的方法。激光器出射的激光经透镜组(扩束)、偏振片后，入射到第一分光棱镜；出射光分为两束，一束光透过空间光调制器经两次反射入射到第二个分光棱镜，另一束在测量反射镜表面反射。最终，两束反射光经过第二分光棱镜形成干涉条纹，通过CCD采集。透射式SLM在光路中的作用也是将位移引起的条纹变化调回零)，具体计算方法与前述相同，在此不再赘述。

为了验证本发明技术方案真实可行，在一个实施例中，基于本发明方法和系统，采用迈克尔逊干涉仪结构构建了位移测量系统。He-Ne激光器出射的激光经透镜组(扩束)、偏振片后，入射到分光棱镜。出射光分为两束，一束光在空间光调制器(反射式SLM)的液晶表面反射，另一束在测量镜表面反射。两束反射光再次经过分光棱镜形成干涉条纹，此条纹经过透镜后投射到CCD上。为验证方法的可行性，本实验将测量镜放置在压电平台上，通过该平台控制测量镜(物体)的位移量。

测量结果如图7所示，横轴表示物体实际的位移量，纵轴为通过相位调制方法测量得到的物体的位移。从图中可以看出物体的实际位移与测量得到的位移成线性关系，基本相符合；实验表明该方法实用有效。

本发明一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法和系统，通过引入空间光调制器，应用于激光干涉测量光路进行相位调制，由位移引起条纹变化，用空间光调制器将这个干涉条纹变化返回到零，由干涉条纹变化值推知物体的位移量，实现高精度测量位移；本发明相比于在位移测量中采用PZT等机械器件驱动反射镜调制相位方式，在位移测量过程中，相位调制无机械操作，避免了传统方案中机械运动引入的误差；利用空间光调制器可精确的调制相位的特性，将物体位移量转化为空间光调制器对光束的相位改变量，由干涉条纹移动的数目和空间光调制器对光束的相位调制信息即可精确得到物体整体的位移，该方法对光束的相位调制更精细，可以达到更高的分辨率。本发明系统具有结构简单、调节方便、精度高等特点，可广泛应用于精密测量和精密加工领域。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于空间光调制器的高精度微位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、获取待测物体移动前参考光和测量光形成的干涉条纹图样；

S2、获取待测物体移动后参考光和测量光形成的干涉条纹图样；

S3、对比待测物体移动前后干涉条纹的变化，通过空间光调制器进行相位调制，将位移引起干涉条纹的变化进行归零，获得干涉条纹变化值；

S4、根据干涉条纹变化值计算得到待测物体的位移值。

2.如权利要求1所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量方法，其特征在于，所述步骤S3所述的干涉条纹变化值为待测物体位移所造成的干涉条纹总的相位改变值。

3.如权利要求2所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量方法，其特征在于，所述步骤S3还包括，对比待测物体移动前后干涉条纹的变化，并记录干涉条纹移动的数目和干涉条纹调制相位；其中，所述干涉条纹移动数目为干涉条纹变化值中干涉条纹移动数目的整数部分；所述干涉条纹调制相位为干涉条纹变化值中干涉条纹移动数目的小数部分对应的相位改变值。

4.如权利要求2所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量方法，其特征在于，待测物体的位移值Δl根据如下公式进行计算：

其中，为干涉条纹变化值；λ为光源波长。

5.如权利要求3所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量方法，其特征在于，待测物体的位移值Δl根据如下公式进行计算：

其中，N为干涉条纹移动的数目；Δφ为干涉条纹调制相位；λ为光源波长。

6.一种基于空间光调制器的高精度微位移测量系统，其特征在于，按照光路顺序依次包括光源模块、光路模块、探测模块和数据处理模块；其中，

所述光源模块包括激光器、准直镜、偏振片、扩束器；

所述光路模块包括双光束干涉仪和空间光调制器，所述双光束干涉仪包括第一分光棱镜和第二分光棱镜；所述光源模块发出的光经所述第一分光棱镜分束后，一部分光为参考光，进入空间光调制器；另一部分光为测量光到达位于待测物体表面的测量反射镜；所述参考光经空间光调制器后与所述测量反射镜反射后的测量光通过第二分光棱镜形成干涉条纹；

所述探测模块通过成像器采集形成的干涉条纹成像数据；

所述数据处理模块接收从所述探测模块传送的成像数据；所述数据处理模块还与所述空间光调制器电性连接，所述数据处理模块根据成像数据将位移引起干涉条纹的变化进行归零，获得干涉条纹变化值并以此计算待测物体的位移值。

7.如权利要求6所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量系统，其特征在于，所述第一分光棱镜与所述第二分光棱镜为同一分光棱镜。

8.如权利要求6-7任意一项所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量系统，其特征在于，所述双光束干涉仪为马赫-曾德干涉结构或迈克尔逊干涉结构。

9.如权利要求6所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量系统，其特征在于，所述空间光调制器为透射式空间光调制器；所述参考光经透射式空间光调制器后通过两组参考反射镜进行反射，最后汇聚第二分光棱镜。

10.如权利要求7所述的基于空间光调制器的高精度微位移测量系统，其特征在于，所述空间光调制器为反射式空间光调制器，所述参考光经反射式空间光调制器后，进入第二分光棱镜。