CN109520428A - 一种位移测量光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位移测量光学系统，该光学系统包括：光源，偏振分光棱镜，直角反射棱镜，第一菲涅尔棱体，第二菲涅尔棱体，参考反射镜，测量反射镜组和光电探测器；所述直角反射棱镜设置在偏振分光棱镜的反射光路上；所述第一菲涅尔棱体设置在直角反射棱镜的反射光路上；所述参考反射镜设置在第一菲涅尔棱体的透射光路上；所述第二菲涅尔棱体设置在偏振分光棱镜的透射光路上；所述测量反射镜组设置在第二菲涅尔棱体的透射光路上；所述光电探测器将经过所述偏振分光棱镜耦合后出射的光束进行探测，并计算得到所述线偏振光的光程位移量。该位移测量光学系统可减少环境因素对测量结果的影响。

Description

一种位移测量光学系统

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，特别涉及一种长量程精密位移测量光学系统。

背景技术

从目前国内外的研究现状和最新成果来看，在纳米级的长量程精密位移测量应用中，应用较多的是光栅位移测量和差频激光干涉仪位移测量，但是长量程精密位移测量要求光栅线数高、长度大，此类光栅刻制困难，体现在测长上就是测量分辨率与量程的矛盾，而且测量精度与光栅的制造精度有直接的关系，受光栅加工工艺的影响比较大。差频激光干涉仪测量具有高分辨率、高精度、高测速、长行程以及多通道等显著特点，是长量程精密位移测量的最佳选择，然而激光干涉类位移测量仪器的缺点是对环境条件要求高，环境因素对激光干涉测量系统有相当大影响，实验室条件下，如果不进行环境因素的相关补偿，其带来的误差至少在±2.68ppm，对于长量程精密位移测量来说是不能忽视的。目前国内外许多产品是用温度、气压、湿度传感器测出相应参数，用Edlen公式计算出折射率和波长值，再与干涉仪测量信号并行输入信号处理系统实现空气折射率补偿，此种补偿方式的测量精度可达到±0.03ppm，然而由于测量仪器和方法的限制，对于长量程精密位移测量特别是运动的工作部件的精密测量来说无法准确检测整个位移区域的环境参数，无法实现对环境的精确补偿。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种位移测量光学系统，所述位移测量光学系统包括：光源，偏振分光棱镜，直角反射棱镜，第一菲涅尔棱体，第二菲涅尔棱体，参考反射镜，测量反射镜组和光电探测器；

所述光源用于产生线偏振光，所述线偏振光包括：

第一偏振光，所述第一偏振光的光频率为f1；

第二偏振光，所述第二偏振光的光频率为f2；

所述偏振分光棱镜，用于接收所述第一偏振光和第二偏振光，将所述第一偏振光反射至所述直角反射棱镜，将所述第二偏振光透射至所述第二菲涅尔棱体；

所述直角反射棱镜，设置在所述偏振分光棱镜的反射光路上，并对入射光进行反射；

所述第一菲涅尔棱体，设置在所述直角反射棱镜的反射光路上，并对入射光进行透射；

所述参考反射镜，设置在所述第一菲涅尔棱体的透射光路上，并可对经过所述第一菲涅尔棱体透射的光进行反射；

所述第二菲涅尔棱体，设置在所述偏振分光棱镜的透射光路上，并可对入射光进行透射；

所述测量反射镜组，设置在所述第二菲涅尔棱体的透射光路上，并可对经过所述第二菲涅尔棱体透射的光进行反射；

所述光电探测器，将经过所述偏振分光棱镜耦合后出射的光束进行探测，并计算得到所述线偏振光的光程位移量。

优选地，所述参考反射镜的位置固定，所述测量反射镜组与被测运动部件连接；所述测量反射镜组包括测量反射镜和补偿反射镜；所述参考反射镜与所述测量反射镜之间的距离为测量臂，所述参考反射镜与所述补偿反射镜之间的距离为补偿臂。

优选地，所述偏振分光棱镜为宽带偏振分光棱镜。

优选地，所述位移测量光学系统还包括：平行平板，所述平行平板平行设置在所述偏振分光棱镜和所述第二菲涅尔棱体之间。

优选地，所述光源为双频激光器。

优选地，所述第一偏振光与所述第二偏振光重合、偏振方向正交；

且所述第一偏振光为水平偏振光，所述第二偏振光为垂直偏振光。

进一步的，所述位移测量光学系统还包括角镜，所述角镜设置在所述偏振分光棱镜，直角反射棱镜的光路上，且可对入射光进行两次反射；所述偏振分光棱镜设置在所述直角反射棱镜和所述角镜之间。

优选地，所述角镜至少为两个。

进一步的，所述位移测量光学系统还包括分光棱镜，所述分光棱镜设置在所述光源与所述偏振分光棱镜之间。

进一步的，所述位移测量光学系统还包括双色向镜，所述双色向镜设置在所述光电探测器与所述偏振分光棱镜之间，所述双色向镜可对所述偏振分光棱镜返回的光进行双色分光。

本发明的有益效果在于：本发明公开的位移测量光学系统，应用了偏振分光棱镜分光和菲涅尔棱体进行偏振状态调制，可以用任意波长的双频激光作为光源进行干涉测量。且通过设置参考反射镜，测量反射镜组来实现通过补偿臂对光程位移量测量值不确定度影响的补偿，大大提高长行程二维工作台位移测量的精度，进而减少环境因素对测量结果的影响，对于高精度长行程的二维工作平台位移测量具有较大的实际意义。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的一种位移测量光学系统的原理示意图；

图2是根据本发明一个实施例的一种位移测量光学系统的四倍光学细分测量示意图；

图3是根据本发明一个实施例的一种位移测量光学系统的双轴四倍光学细分测量示意图；

图4是根据本发明一个实施例的一种位移测量光学系统的双色双轴四倍光学细分测量原理示意图；

图5是根据本发明一个实施例的一种位移测量光学系统的测量原理示意图。

1、偏振分光棱镜 2、直角反射棱镜 3、平行平板 4、第一菲涅尔棱体

5、第二菲涅尔棱体 6、角镜 7、分光棱镜 8、第一双色向镜

9、干涉仪 11、参考反射镜 12、测量反射镜组 13、补偿反射镜

121、测量反射镜 31、第二双色向镜 21、第一光电探测器

22、第二光电探测器 23、第三光电探测器 24、第四光电探测器

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

参考图1-图4所示，是本发明实施例提供的位移测量光学系统的原理示意图。

本发明实施例提供了一种位移测量光学系统，所述位移测量光学系统包括：

光源，偏振分光棱镜1，直角反射棱镜2，第一菲涅尔棱体4，第二菲涅尔棱体5，参考反射镜11，测量反射镜组12和光电探测器；

所述光源用于产生线偏振光，所述线偏振光包括：

第一偏振光，所述第一偏振光的光频率为f1；

第二偏振光，所述第二偏振光的光频率为f2；

所述偏振分光棱镜1，用于接收所述第一偏振光和第二偏振光，将所述第一偏振光反射至所述直角反射棱镜2，将所述第二偏振光透射至所述第二菲涅尔棱体5；

所述直角反射棱镜2，设置在所述偏振分光棱镜1的反射光路上，并对入射光进行反射；

所述第一菲涅尔棱体4，设置在所述直角反射棱镜2的反射光路上，并对入射光进行透射；

所述参考反射镜11，设置在所述第一菲涅尔棱体4的透射光路上，并可对经过所述第一菲涅尔棱体4透射的光进行反射；

所述第二菲涅尔棱体5，设置在所述偏振分光棱镜1的透射光路上，并可对入射光进行透射；

所述测量反射镜组12，设置在所述第二菲涅尔棱体5的透射光路上，并可对经过所述第二菲涅尔棱体5透射的光进行反射；

所述第一光电探测器21，将经过所述偏振分光棱镜1耦合后出射的光束进行探测，并计算得到所述线偏振光的光程位移量。

所述参考反射镜11的位置固定，所述测量反射镜组12与被测运动部件连接；所述测量反射镜组12包括测量反射镜和补偿反射镜；所述参考反射镜11与所述测量反射镜之间的距离为测量臂，所述参考反射镜11与所述补偿反射镜之间的距离为补偿臂。

所述偏振分光棱镜1为宽带偏振分光棱镜1。

在一些实施例中，所述位移测量光学系统还包括：平行平板3，所述平行平板3平行设置在所述偏振分光棱镜1和所述第二菲涅尔棱体5之间。所述平行平板3使得经过所述干涉镜里参考光和测量光的光程相同。

所述光源为双频激光器。

所述第一偏振光与所述第二偏振光重合、偏振方向正交；且所述第一偏振光为水平偏振光，所述第二偏振光为垂直偏振光。

上述实施例的原理是：双频激光器发射出的双频光光频率分别为f1和f2的线偏振光，这两束光重合、偏振方向正交，且具有较小频差。其中频率为f1的水平偏振光，通过宽带偏振分光棱镜1后反射，频率为f2的垂直偏振光，通过宽带偏振分光棱镜1后透射，由此双频正交分离，分离后频率为f1的光经直角反射棱镜2、第一菲涅尔棱体4入射到参考反射镜11，经过参考反射镜11作为参考光束返回，频率为f2的光经平行平板3、第二菲涅尔棱体5入射到测量反射镜组12，经过测量反射镜组12作为测量光束返回，频率为f1的光两次经过第一菲涅尔棱体4变为垂直偏振光通过宽带偏振分光棱镜1后透射，频率为f2的光两次经过第二菲涅尔棱体5变为平行偏振光通过宽带偏振分光棱镜1后反射，两频率光再次被宽带偏振分光棱镜1耦合到一起，发生干涉产生频率为f1-f2拍频信号并被第一光电探测器21接收，第一光电探测器21将此拍频信号转化为具有相同频率的方波电信号，并计算得到所述线偏振光的光程位移量。

参考光束出射和返回经过两次直角反射棱镜2，测量光束出射和返回经过两次平行平板3，这样为了保证参考光与测量光平行，并且具有相同的光程，减小温度变化引起的测量误差。

在一些实施例中，如图2所示，所述位移测量光学系统还包括角镜6，所述角镜6设置在所述偏振分光棱镜1，直角反射棱镜2的光路上，且可对入射光进行两次反射；所述偏振分光棱镜1设置在所述直角反射棱镜2和所述角镜6之间。

上述实施例的原理是：第一条所述两频率光经角镜6反射再次入射宽带偏振分光棱镜1，频率为f1的光再次经过宽带偏振分光棱镜1后透射经直角反射棱镜2、第一菲涅尔棱体4入射到参考反射镜11，经过参考反射镜11返回干涉计，经宽带偏振分光棱镜1反射，频率为f2的光再次经过宽带偏振分光棱镜1后反射经平行平板3、第二菲涅尔棱体5入射到测量反射镜组12，经过测量反射镜组12返回，经宽带偏振分光棱镜1透射。两频率光再次被宽带偏振分光棱镜1耦合到一起，发生干涉产生频率为f1-f2拍频信号并被第一光电探测器21接收，第一光电探测器21将此拍频信号转化为具有相同频率的方波电信号，并计算得到所述线偏振光的光程位移量。

角镜6使第一条所述两频率光再次输入干涉计并入射参考反射镜11和测量反射镜12，实现四倍光学细分测量。

在一些实施例中，如图4所示，所述角镜6至少为两个。本发明实施例可以通过附加角镜6实现更多倍数细分。

在一些实施例中，如图3和图4所示，所述位移测量光学系统还包括分光棱镜7，所述分光棱镜7设置在所述光源与所述偏振分光棱镜1之间。

上述实施例的原理是：第一条所述双频激光器发射出的双频光经分光棱镜7分为两个部分，分别入射到宽带偏振分光棱镜1，同时经过第一、第二条所述的传输过程传输，产生两路拍频信号分别被第一光电探测器21、第二光电探测器22第二光电探测器21接收，分别将拍频信号转化为具有相同频率的方波电信号，并计算得到所述线偏振光的光程位移量，实现干涉仪的双轴四倍光学细分测量。

本发明实施例可以通过附加分光棱镜7实现更多轴测量。

在一些实施例中，如图所示，所述位移测量光学系统还包括第一双色向镜8，所述第一双色向镜8设置在所述光电探测器与所述偏振分光棱镜1之间，所述第一双色向镜8可对所述偏振分光棱镜1返回的光进行双色分光。

上述实施例的原理是：所述位移测量光学系统还包括第一双色向镜8，两部双频激光器发射出的双频光中心波长分别为λ₁、λ₂，经第一双色向镜8合束后以第三条所述的相同的路径入射到分光棱镜7，并以相同的路径如第一、第二和第三条中所述的传输过程传输，经第一双色向镜8实现双色分光，中心波长为λ₁的双频光经第一双色向镜8透射，产生两路拍频信号分别被第一光电探测器21、第二光电探测器22第二光电探测器21接收，中心波长为λ₂的双频光经第一双色向镜8反射，产生两路拍频信号分别被第三光电探测器23、第四光电探测器24接收，分别将拍频信号转化为具有相同频率的方波电信号，并计算得到所述线偏振光的光程位移量，实现干涉仪的双色双轴四倍光学细分测量。

在图5所示的实施例中，所述位移测量光学系统包括：第二双色向镜31，双频激光器，第一光电探测器21，第二光电探测器22第二光电探测器21，第三光电探测器23、第四光电探测器24，参考反射镜11，测量反射镜121，补偿反射镜13以及干涉仪9。

所述双频激光器为两部，两部双频激光器发射出的双频光中心波长分别为λ₁、λ₂，所述第二双色向镜31设置在双频激光器的光入射处，以对所述双频激光器进行分光。

所述干涉仪9包括：偏振分光棱镜1，直角反射棱镜2，第一菲涅尔棱体4，第二菲涅尔棱体5，平行平板3，参考反射镜11，测量反射镜121，补偿反射镜13，两个角镜6，分光棱镜7；具体干涉仪9内的各光学元件的配置参考图4所示的实施例。

两部双频激光器发射出的双频光中心波长分别为λ₁、λ₂，经第二双色向镜31合束后入射上述干涉仪9，参考反射镜11置于被测量运动部件起始位置固定，测量反射镜组12包括测量反射镜121和补偿反射镜13两个部分，测量反射镜121固定在被测量运动部件上随部件运动，补偿反射镜13置于被测量运动部件终止位置固定。第四条所述的双轴测量光束分别入射测量反射镜121和补偿反射镜13，参考反射镜11与测量反射镜121之间的距离成为测量臂，参考反射镜11与补偿反射镜13之间的距离成为补偿臂。在测量臂空气中的折射率分别为n_λ1m、n_λ2m，用此干涉仪测量测量臂几何长度进行测量所测得的光程位移量L_λ1m、L_λ2m分别由第一光电探测器21、第三光电探测器23获取为：

L_λ1m＝n_λ1mL,L_λ2m＝n_λ2mL (1)

则测量臂的几何长度L_m为：

其中K(λ_i),g(λ_i)(i＝1or 2)是波长λ_i的函数，p_wm是水蒸气压强，可以看出温度、压强和CO₂浓度的影响已经消除，仅剩余水蒸气压强的影响没有消除，水蒸气压强的影响小且可以通过温度和湿度传感器进行测量补偿，本发明中不予以讨论。

双色法成功消除了大气环境对测量的影响，于此同时放大了测量臂光程位移量测量值不确定度对测量的影响。这种影响主要是由于光源波长的不稳定性引起的，测量臂光程位移量测量值不确定度ΔL_λ1m、ΔL_λ1m表示为：

其中e_laser1、e_laser2分别为两光源的波动误差，测量臂光程位移量测量值不确定度对测量的影响为:

应用补偿臂对测量臂光程位移量测量值不确定度的影响进行补偿，在对测量臂几何长度进行测量的同时用此干涉仪对补偿臂的几何长度进行测量，所测得的光程位移量S_λ1c、S_λ2c分别由第二光电探测器22第二光电探测器21、第四光电探测器24获取，测量臂光程位移量测量值不确定度ΔS_λ1c、ΔS_λ2c表示为:

ΔS_λ1c＝n_λ1cS-S_λ1c＝S_λ1c·e_laser1 (6)

ΔS_λ2c＝n_λ2cS-S_λ2c＝S_λ2c·e_laser2 (7)

其中n_λ1c、n_λ2c为两波长在补偿臂空气中的折射率，通过上式可得激光波动误差为:

综合公式(1)、公式(5)、公式(8)和公式(9)，补偿后的测量臂测量值为:

根据Edlén公式，补偿臂的折射率表示为：:

n_λic-1＝K(λ_i)·D(t_c,p_c,x_c)-p_wc·g(λ_i),i＝0or 1, (11)

其中t_c、p_c、x_c和p_wc分别表示补偿臂空气的温度、压强、CO₂浓度和水蒸气压强。将公式(11)带入公式(10)，并作如下近似：

公式(10)改写为:

本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种位移测量光学系统，其特征在于，包括：光源，偏振分光棱镜，直角反射棱镜，第一菲涅尔棱体，第二菲涅尔棱体，参考反射镜，测量反射镜组，光电探测器；

所述光源用于产生线偏振光，所述线偏振光包括：

第一偏振光，所述第一偏振光的光频率为f1；

第二偏振光，所述第二偏振光的光频率为f2；

所述偏振分光棱镜，用于接收所述第一偏振光和第二偏振光，将所述第一偏振光反射至所述直角反射棱镜，将所述第二偏振光透射至所述第二菲涅尔棱体；

所述直角反射棱镜，设置在所述偏振分光棱镜的反射光路上，并对入射光进行反射；

所述第一菲涅尔棱体，设置在所述直角反射棱镜的反射光路上，并对入射光进行透射；

所述参考反射镜，设置在所述第一菲涅尔棱体的透射光路上，并可对经过所述第一菲涅尔棱体透射的光进行反射；

所述第二菲涅尔棱体，设置在所述偏振分光棱镜的透射光路上，并可对入射光进行透射；

所述测量反射镜组，设置在所述第二菲涅尔棱体的透射光路上，并可对经过所述第二菲涅尔棱体透射的光进行反射；

所述光电探测器，将经过所述偏振分光棱镜耦合后出射的光束进行探测，并计算得到所述线偏振光的光程位移量。

2.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述参考反射镜的位置固定，所述测量反射镜组与被测运动部件连接；所述测量反射镜组包括测量反射镜和补偿反射镜；所述参考反射镜与所述测量反射镜之间的距离为测量臂，所述参考反射镜与所述补偿反射镜之间的距离为补偿臂。

3.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜为宽带偏振分光棱镜。

4.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，还包括：平行平板，所述平行平板平行设置在所述偏振分光棱镜和所述第二菲涅尔棱体之间。

5.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述光源为双频激光器。

6.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述第一偏振光与所述第二偏振光重合、偏振方向正交；且所述第一偏振光为水平偏振光，所述第二偏振光为垂直偏振光。

7.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，还包括角镜，所述角镜设置在所述偏振分光棱镜，直角反射棱镜的光路上，且可对入射光进行两次反射；所述偏振分光棱镜设置在所述直角反射棱镜和所述角镜之间。

8.根据权利要求7所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述角镜至少为两个。

9.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，还包括分光棱镜，所述分光棱镜设置在所述光源与所述偏振分光棱镜之间。

10.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，还包括双色向镜，所述双色向镜设置在所述光电探测器与所述偏振分光棱镜之间，所述双色向镜可对所述偏振分光棱镜返回的光进行双色分光。