CN109945778B - 光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，属于精密测量技术领域。本发明主要由干涉测量模块、光学解调模块、细分控制模块、控制及信息处理模块组成。所述干涉测量模块包括光源准直器、第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、调制参考镜、FP干涉腔、第二1/4波片、测量镜、第三1/4波片、第二偏振分光棱镜、第一光电接收器、第二光电接收器。采用光频小数调制的方法克服FP干涉腔无法满足长距离干涉测量问题，能够满足激光干涉测量长距离的同时，使其分辨力在原有干涉分辨能力的基础之上进一步提升到皮米量级，实现长距离并具有皮米量级分辨力的激光测量。本发明结构相对简单，易于高精度实现动态特性测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，属于精密测量技术领域。
背景技术
激光干涉测量方法是精密测量中重要的应用技术，非接触测量的原理使得激光干涉测量方法具有响应时间短、测量准确度高、复现性好等优点。激光干涉测量方法广泛地应用于几何量及相关量值的精密测量技术领域，是目前实现位移高精准测量的重要手段，具有十分重要的科学研究和工程应用的意义。目前激光干涉方法在实现长距离测量时，由于其光学结构、干涉波长及光学倍程等因素影响，其干涉测量的分辨力或测量范围受到一定的限制，不能二者兼顾。这样在面对某些长距离并且有高准确度要求的测量问题时如何在保证长距离测量功能的条件下提高测量的分辨能力是干涉测量技术研究的重要内容和关键，特别是在工程实践中问题表现突出，急需提出相应技术方法来解决长距离和高分辨力的测量问题。
发明内容
为了解决现有长距离干涉测量中大测量范围和高测量分辨力不能兼顾实现的问题，本发明的目的是提供一种光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，本装置具有大测量范围和高分辨力的特征，采用激光干涉的方法实现长距离的测量，同时采用频率调制的方法对干涉测量的分辨力进行再细分和提高达到皮米量级(0.1pm～100pm)，能够在满足激光干涉测量长距离的同时，使其分辨力在原有干涉分辨能力的基础之上进一步提升到皮米量级，实现长距离激光干涉的皮米级分辨力的测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，主要由干涉测量模块，光学解调模块，细分控制模块，控制及信息处理模块组成。
干涉测量模块用于将大行程干涉测量的位移变化转化为用于数字处理的电学信号，包括光学干涉系统、光电转换电路及数据采集电路。光学解调模块用于实现如下功能：将干涉测量模块获得的干涉电学信号通过逻辑运算及处理；得到用于控制及信息处理模块进行运算控制和信号处理的基础测量数据，并提供给控制及信息处理模块获得最终测量结果。细分控制模块用于提升干涉分辨力，通过调整测量频率的变化改变大行程的干涉测量的参考光程，使得测量分辨力得到提升。控制及信息处理模块用于运算控制和信号处理，通过获取的细分控制模块和光学解调模块的数据，综合运算出大行程的高分辨细分的测量数据。
所述干涉测量模块包括光源准直器、第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、调制参考镜、FP干涉腔、第二1/4波片、测量镜、第三1/4波片、第二偏振分光棱镜、第一光电接收器、第二光电接收器。
本发明公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，工作方法为：光源准直器输出光作为干涉光源入射干涉仪，经第一偏振分光棱镜后成为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，分别作为测量光和参考调制光，其中参考调制光经第一1/4波片投射到FP干涉腔，测量过程中通过控制调制参考镜将干涉仪测量的小数干涉实时控制在零点附近，利用FP干涉腔读取干涉仪偏离零点的测量值，提高干涉仪测量分辨力，调制参考光两次经过第一1/4波片后偏振方向改变，相对于第一偏振分光棱镜由原来的反射光转变为投射光，经过第三1/4波片后转变为圆偏振光和测量光于第二偏振分光棱镜处形成干涉；测量光反射于测量镜，经过第二1/4波片后偏振方向改变，相对于第一偏振分光棱镜由原来的透射光转变为反射光，经过第三1/4波片后转变为圆偏振光和调制参考光于第二偏振分光棱镜处形成干涉，干涉光于第二偏振分光棱镜分成相位差的干涉光，分别于第一光电接收器、第二光电接收器处将干涉信号转换为电信号。控制模块及光学解调模块根据转换信号和FP干涉腔调控信号合成相应的距离测量值，最终得到长距离皮米级分辨力的干涉测量结果，即实现光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量。
所述通过控制调制参考镜将干涉仪测量的小数干涉实时控制在零点附近中零点附近根据测量的准确度需要而设定调节阈值。
有益效果
1、本发明公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，采用的光频小数调制的方法能够摆脱传统干涉测量中测量值分辨能力对波长和细分度的主要依赖，克服FP干涉腔无法满足长距离干涉测量等问题。
2、本发明公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，采用参考调制镜的设计，结构巧妙，易于实现高精度长距离的测量。
3、本发明公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，实施中始终将干涉小数调制在干涉零点附近，利用FP干涉腔的高分辨能力确定干涉仪的小数部分，实现皮米级分辨力，能够解决干涉仪细分能力不高的问题，实现长距离的高分辨高准确的干涉测量。
4、本发明公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，从原理设计上全面提高当前长距离干涉测量的准确度和分辨能力，能够定量评价刻线在不同测量速度条件下动态光电显微镜瞄准信号延迟对测量结果的影响，对优化刻线测量系统，提高系统整体的准确度具有重要作用。
附图说明
图1为本发明中光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置的工作原理图；
图2为本发明的光学原理示意图。
其中1—干涉测量模块，2—光学解调模块，3—细分控制模块，4—控制及信息处理模块，5—光源准直器，6—第一偏振分光棱镜；7—第一1/4波片，8—调制参考镜，9—FP干涉腔，10—第二1/4波片，11—测量镜，12—第三1/4波片，13—第二偏振分光棱镜，14—第一光电接收器，15—第二光电接收器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1、2所示，本实施例公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，由干涉测量模块1，光学解调模块2，细分控制模块3，控制及信息处理模块4组成。干涉测量模块1主要包括光源及各种光学元件组成的光学干涉系统、光电转换电路及数据采集电路，通过这些部件将大行程干涉测量的位移变化转化为可以数字处理的电学信号。光学解调模块2是将干涉测量模块1获得的干涉电学信号通过逻辑运算及处理，得到控制及信息处理模块4可以进行运算及修正处理等工作的基础测量数据，并提供给控制系统获得最终测量结果。细分控制模块3用于大行程激光干涉测量装置中干涉分辨力提升，通过调整测量频率的变化改变大行程的干涉测量的参考光程，使得测量分辨力得到提升。控制及信息处理模块4用于大行程激光干涉测量装置的控制和信号处理等，通过获取的细分控制模块3和光学解调模块2的数据，综合运算出大行程的高分辨细分的测量数据。
本实施例公开的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，其工作方法为：采用633nm激光作为光源，激光经光源准直器5输出光作为干涉光源入射干涉仪，经第一偏振分光棱镜6后成为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，分别作为测量光和参考调制光，其中参考调制光经第一1/4波片7投射到FP干涉腔9，腔长设计为100mm，参考调制镜的调节范围为10μm。测量过程中测量系统通过控制调制参考镜8将干涉仪测量的小数干涉实时控制在零点附近，利用FP干涉腔9读取干涉仪偏离零点的测量值，提高干涉仪测量分辨力，调制参考光两次经过第一1/4波片7后偏振方向改变，相对于第一偏振分光棱镜6由原来的反射光转变为投射光，经过第三1/4波片12后转变为圆偏振光和测量光于第二偏振分光棱镜13处形成干涉；测量光反射于测量镜11，两次经过第二1/4波片10后偏振方向改变，相对于第一偏振分光棱镜6由原来的透射光转变为反射光，经过第三1/4波片12后转变为圆偏振光和调制参考光于第二偏振分光棱镜13处形成干涉，干涉光于第二偏振分光棱镜13分成相位差的干涉光，分别于第一、第二光电接收器15处将干涉信号转换为电信号。控制模块及光学解调模块2根据转换信号和FP干涉腔9调控信号合成相应的距离测量值，最终给出长距离皮米级分辨力的干涉测量结果。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (3)
1.光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，其特征在于：主要由干涉测量模块(1)，光学解调模块(2)，细分控制模块(3)，控制及信息处理模块(4)组成；
干涉测量模块(1)用于将大行程干涉测量的位移变化转化为用于数字处理的电学信号，包括光学干涉系统、光电转换电路及数据采集电路；光学解调模块(2)用于实现如下功能：将干涉测量模块(1)获得的干涉电学信号通过逻辑运算及处理；得到用于控制及信息处理模块(4)进行运算控制和信号处理的基础测量数据，并提供给控制及信息处理模块(4)获得最终测量结果；细分控制模块(3)用于提升干涉分辨力，通过调整测量频率的变化改变大行程的干涉测量的参考光程，使得测量分辨力得到提升；控制及信息处理模块(4)用于运算控制和信号处理，通过获取的细分控制模块(3)和光学解调模块(2)的数据，综合运算出大行程的高分辨细分的测量数据；
所述光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置的工作方法为；光源准直器(5)输出光作为干涉光源入射干涉仪，经第一偏振分光棱镜(6)后成为两束偏振方向互相垂直的线偏振光，分别作为测量光和参考调制光，其中参考调制光经第一1/4波片(7)投射到FP干涉腔(9)，测量过程中通过控制调制参考镜(8)将干涉仪测量的小数干涉实时控制在零点附近，利用FP干涉腔(9)读取干涉仪偏离零点的测量值，提高干涉仪测量分辨力，调制参考光两次经过第一1/4波片(7)后偏振方向改变，相对于第一偏振分光棱镜(6)由原来的反射光转变为投射光，经过第三1/4波片(12)后转变为圆偏振光和测量光于第二偏振分光棱镜(13)处形成干涉；测量光反射于测量镜(11)，经过第二1/4波片(10)后偏振方向改变，相对于第一偏振分光棱镜(6)由原来的透射光转变为反射光，经过第三1/4波片(12)后转变为圆偏振光和调制参考光于第二偏振分光棱镜(13)处形成干涉，干涉光于第二偏振分光棱镜(13)分成相位差的干涉光，分别于第一光电接收器(14)、第二光电接收器(15)处将干涉信号转换为电信号；控制模块及光学解调模块(2)根据转换信号和FP干涉腔(9)调控信号合成相应的距离测量值，最终得到长距离皮米级分辨力的干涉测量结果，即实现光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量。
2.如权利要求1所述的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，其特征在于：所述干涉测量模块(1)包括光源准直器(5)、第一偏振分光棱镜(6)、第一1/4波片(7)、调制参考镜(8)、FP干涉腔(9)、第二1/4波片(10)、测量镜(11)、第三1/4波片(12)、第二偏振分光棱镜(13)、第一光电接收器(14)、第二光电接收器(15)。
3.如权利要求1所述的光频调制法皮米级分辨力大行程激光测量装置，其特征在于：所述通过控制调制参考镜(8)将干涉仪测量的小数干涉实时控制在零点附近中零点附近根据测量的准确度需要而设定调节阈值。
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