CN110132126B - 基于自混合全息干涉的位移测量装置及方法 - Google Patents

基于自混合全息干涉的位移测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于自混合全息干涉的位移测量装置及方法。位移测量装置包括激光器、信号探测器件和信号处理电路，其中所述激光器具有激光谐振腔，所述激光谐振腔的两端设有第一腔镜和第二腔镜，所述激光器发出的测量光束携带被测对象的位移信息通过所述第一腔镜返回所述激光谐振腔，并与所述激光谐振腔中的参考光束发生自混合全息干涉形成干涉光，所述干涉光通过第二腔镜输出并经由所述信号探测器件接收，所述信号探测器件用于将接收到的光信号转换成电信号，所述信号处理电路用于将所述电信号处理成可供上位机读取并分析的位移信号。本发明一方面大大降低了光路调节的难度，另一方面节省了成本，同时还能够减小空间的占用。

Description

基于自混合全息干涉的位移测量装置及方法
技术领域
本发明涉及位移测量装置领域，具体涉及一种基于自混合全息干涉的位移测量装置及方法。
背景技术
随着科技的进步和发展，人们对于位移的测量需求也越来越高。对于微米甚至纳米级别的测量目前应用比较多的就是采用激光干涉测量的方法来进行测量，比较典型的产品就是迈克尔逊激光干涉仪，该产品能够实现纳米级分辨率的测量，但是它对于被测对象有比较高的要求，比如被测对象上要有反射镜，对于反射镜的面型精度及表面光洁度有较高的要求。基于此人们又提出了利用全息干涉的测量方法，该方法对于被测对象的要求就大大降低了。
传统的全息干涉测量装置如图1所示，全息干涉测量装置包括激光器101、第一偏振分光镜102、第二偏振分光镜103、四分之一波片104、反射镜106、二分之一波片107、第三偏振分光镜108、信号探测器件109和信号处理电路110。其中第一腔镜101a为反射镜片，第二腔镜101b为部分反射部分透射镜片，与普通激光器的光学谐振腔无异。其测量原理是，通过分光镜102、103将激光器101输出的激光分为参考光和测量光，经被测对象的距离或者位移调制后的测量光与参考光发生干涉，再经由信号探测器件109接收和信号处理电路110处理成所需的测量参数。全息干涉测量得到的光信号包括振幅和相位信息，即，全息干涉实际上是一种干涉和衍射现象的叠加，全息图的记录和再现一般需要利用单色光源，单色光的相干长度应大于测量光和参考光的光程差，以保证测量光和参考光能够发生干涉。但是传统的全息干涉测量方法依然需要将激光器输出的激光通过分光镜分为参考光和测量光，这对光路调试的要求依然较高，同时对被测空间提出了较高的要求。
自混合干涉测量方法如图2所示，自混合干涉测量装置包括激光器201、分光镜203、第一信号探测器件204、第二信号探测器件205和信号处理电路206。其中第一腔镜201a和第二腔镜201b均为部分反射部分透射镜片。激光器201输出的激光被外部物体201反射或散射后被第二腔镜201b耦合进入激光谐振腔内，该部分光被称为测量光，测量光与激光谐振腔内的光(称为参考光)发生相干干涉并由激光谐振腔的另一侧的第一腔镜201a输出，再由信号探测器接收并由信号电路处理。这种干涉系统只需要一个通道，结构简单、紧凑且易准直，解决了传统激光干涉系统体积庞大、光路复杂和准直困难等问题。但这种自混合干涉测量方法有着传统干涉测量的问题，即需要被测反射镜，增加成本，增加装调难度。
发明内容
本发明的目的是提供一种成本低、装调简单的基于自混合全息干涉的位移测量装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
根据本发明的第一方面，提供了一种基于自混合全息干涉的位移测量装置，所述位移测量装置包括激光器、信号探测器件和信号处理电路，其中所述激光器具有激光谐振腔，所述激光谐振腔的两端设有第一腔镜和第二腔镜，所述激光器布置成使得所述第二腔镜发出的测量光束携带被测对象的位移信息通过所述第二腔镜返回所述激光谐振腔，并与所述激光谐振腔中的参考光束发生自混合全息干涉形成干涉光后，通过所述第一腔镜输出所述干涉光，以及所述信号探测器件布置成能够探测和接收所述干涉光并将接收到的所述干涉光信号转换成电信号，所述信号处理电路布置成能够接收所述电信号并将所述电信号处理成可读取并分析的位移信号。
优选地，所述第一腔镜和第二腔镜均为部分透射部分反射的镜片。
更优选地，所述第一腔镜和第二腔镜的透射率和反射率各不相同。
在优选实施例中，所述激光器可以是单频激光器或双频激光器。
在优选实施例中，所述信号探测器件可以是CCD、CMOS或其它光电探测器件。
在优选实施例中，所述测量光束可以是为线偏振光、圆偏振光或者随机偏振光。
根据本发明的另一方面，提供了一种基于自混合全息干涉的位移测量方法，所述位移测量方法包括步骤：提供激光器、信号探测器件和信号处理电路，其中所述激光器具有激光谐振腔，所述激光谐振腔的两端设有第一腔镜和第二腔镜；通过所述激光器的第二腔镜发出测量光束；所述测量光束携带被测对象的位移信息通过所述第二腔镜返回所述激光谐振腔，并与所述激光谐振腔中的参考光束发生自混合全息干涉形成干涉光；所述干涉光通过第一腔镜输出并经由所述信号探测器件接收；通过所述信号探测器件将接收到的光信号转换成电信号；通过所述信号处理电路将所述电信号处理成可读取并分析的位移信号。
优选地，所述第一腔镜和第二腔镜均为部分透射部分反射的镜片。
更优选地，所述第一腔镜和第二腔镜的透射率和反射率各不相同。
优选地，所述激光器为单频激光器或双频激光器。
优选地，所述信号探测器件为CCD或CMOS光电探测器件。
优选地，所述测量光束为线偏振光、圆偏振光或者随机偏振光。
本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是，本发明一方面大大降低了光路调节的难度，另一方面因为省去了参考反射镜以及在激光谐振腔外的分光棱镜，所以能够节省一定的成本，同时还能够减小空间的占用；此外，本发明可以测得被测对象更多的信息，不仅包括被测对象的位移幅值和相位信息，同时包括被测对象表面的粗糙度等信息。
附图说明
图1是现有的基于全息干涉的位移测量装置的示意图；
图2是现有的基于自混合干涉的位移测量装置的示意图；
图3是本发明提出的基于自混合全息干涉的位移测量装置的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
除非语境有其它需要，在整个说明书和权利要求中，词语“包括”和其变型，诸如“包含”和“具有”应被理解为开放的、包含的含义，即应解释为“包括，但不限于”。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
如该说明书和所附权利要求中所用的单数形式“一”和“所述”包括复数指代物，除非文中清楚地另外规定。应当指出的是术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用，除非文中清楚地另外规定。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
本发明的基于自混合全息干涉的位移测量装置如图3所示。位移测量装置可包括：激光器301信号探测器件303和信号处理电路304。激光器301具有激光谐振腔，该激光谐振腔的两端设有第一腔镜301a和第二腔镜301b。其中第一腔镜301a和第二腔镜301b均为部分透射部分反射镜片，并且第一腔镜301a和第二腔镜301b的透射率和反射率各不相同，可根据需要选用50％透射50％反射的镜片或者其他数值透射率的镜片。第一腔镜301a的作用是提供激光谐振腔内的正反馈作用，这就需要该腔镜具有反射的特点，同时输出自混合全息干涉后的干涉光，这就需要该腔镜具有透射的特点。第二腔镜301b的作用是提供激光谐振腔内的正反馈作用，这就需要该腔镜具有反射的特点，同时输出测量光并接收经被测对象302调制后的测量光，这就需要该腔镜具有透射的特点。被测对象302同传统的全息干涉测量方法一样，可以是表面形状复杂的散射体或面型精度、光洁度等不高的反射面，而不是需要经过抛光的、几何形状较为简单的透明物体或面型精度、光洁度要求较高的反射面。信号探测器件303可以是CCD、CMOS或者其他光电探测器件，用来探测干涉后形成的全息干涉图像。信号处理电路304用于对经过信号探测器件303转换的电信号进行处理并形成可供上位机处理的数据。信号处理电路可以采用本领域已知或者待开发的任何合适的电路。
激光器301通过第一腔镜301b输出激光入射到被测对象302上，该部分光被称为测量光。激光器301可以是单频激光器，也可以是双频激光器。相应地，其发出的激光束(测量光)可以是线偏振光、圆偏振光或者随机偏振光。被测对象302(位移)的光学分辨率为二分之一波长。激光器301通过第二腔镜301b反射回到激光谐振腔内的激光被称为参考光。参考光路位于激光谐振腔内，这点与现有全息干涉的位移测量装置的参考光需要在激光器外单独布置不同。测量光束携带被测对象302的位移信息通过第二腔镜301b返回到激光谐振腔内，与在激光谐振腔中的参考光束发生混合全息干涉，形成干涉光。干涉光通过激光谐振腔另一侧的第一腔镜301a输出，再经由信号探测器件303接收。当激光器301输出的激光为单频时，最终信号探测器件303接收到的光信号转换成的电信号为直流耦合信号，容易产生漂移。当激光器301输出的激光为双频时，最终信号探测器件303接收到的光信号转换成的电信号为交流耦合信号，对信号探测器件303的要求就比较低，同时对光路调试的要求也会比较低。因此，优选地激光器301为双频激光器。经信号探测器303转换为电信号后通过信号处理电路304处理成可供上位机读取并分析的位移信号，如果在信号处理电路304中进行电子细分，那么位移的测量分辨率可以达到纳米级别。
传统的全息干涉测量方法如图1所示，相比于全息干涉测量来说，一方面，本发明提出的基于自混合全息干涉的位移测量方法在光路调试时只需要保证测量光能够返回激光谐振腔内即可，不需要向普通的全息干涉测量一样还要分别调试参考光和测量光，这样就大大降低了光路调节的难度。另一方面，本例提出的基于自混合的全息干涉测量方法因为省去了参考反射镜以及在激光谐振腔外的分光棱镜，所以能够节省一定的成本，同时还能够减小空间的占用。
传统的自混合干涉测量方法如图2所示，相比于自混合干涉测量来说，本发明提出的基于自混合全息干涉的位移测量方法在自混合干涉测量的基础上引进了全息干涉测量的方法，将传统的自混合干涉测量方法中的双光束干涉替换为全息干涉，可以测得被测对象更多的信息，不仅包括被测对象的位移幅值和相位信息，同时包括被测对象表面的粗糙度等信息。
根据本发明的另一方面，还提供了一种基于自混合全息干涉的位移测量方法。该方法包括步骤：提供激光器、信号探测器件和信号处理电路，其中所述激光器具有激光谐振腔，所述激光谐振腔的两端设有第一腔镜和第二腔镜；通过所述激光器发出测量光束；所述测量光束携带被测对象的位移信息通过所述第二腔镜返回所述激光谐振腔，并与所述激光谐振腔中的参考光束发生自混合全息干涉形成干涉光；所述干涉光通过第一腔镜输出并经由所述信号探测器件接收；通过所述信号探测器件将接收到的光信号转换成电信号；通过所述信号处理电路将所述电信号处理成可供上位机读取并分析的位移信号。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，若需要，能修改实施例的方面来采用各种专利、申请和出版物的方面、特征和构思来提供另外的实施例。
考虑到上文的详细描述，能对实施例做出这些和其它变化。一般而言，在权利要求中，所用的术语不应被认为限制在说明书和权利要求中公开的具体实施例，而是应被理解为包括所有可能的实施例连同这些权利要求所享有的全部等同范围。

Claims (10)

1.一种基于自混合全息干涉的位移测量装置，其特征在于，所述位移测量装置包括激光器、信号探测器件和信号处理电路，其中所述激光器具有激光谐振腔，所述激光谐振腔的两端设有第一腔镜和第二腔镜，所述激光器布置成使得所述第二腔镜发出的测量光束携带被测对象的位移信息通过所述第二腔镜返回所述激光谐振腔，并与所述激光谐振腔中的参考光束发生自混合全息干涉形成干涉光后，通过所述第一腔镜输出所述干涉光，以及所述信号探测器件布置成能够探测和接收所述干涉光并将接收到的所述干涉光信号转换成电信号，所述信号处理电路布置成能够接收所述电信号并将所述电信号处理成可读取并分析的位移信号。
2.如权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于，所述第一腔镜和第二腔镜均为部分透射部分反射的镜片。
3.如权利要求2所述的位移测量装置，其特征在于，所述第一腔镜和第二腔镜的透射率和反射率各不相同。
4.如权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于，所述信号探测器件为CCD或CMOS光电探测器件。
5.如权利要求1所述的位移测量装置，其特征在于，所述测量光束为线偏振光、圆偏振光或者随机偏振光。
6.一种基于自混合全息干涉的位移测量方法，其特征在于，所述位移测量方法包括步骤：提供激光器、信号探测器件和信号处理电路，其中所述激光器具有激光谐振腔，所述激光谐振腔的两端设有第一腔镜和第二腔镜；通过所述激光器的第二腔镜发出测量光束；所述测量光束携带被测对象的位移信息通过所述第二腔镜返回所述激光谐振腔，并与所述激光谐振腔中的参考光束发生自混合全息干涉形成干涉光；所述干涉光通过第一腔镜输出并经由所述信号探测器件接收；通过所述信号探测器件将接收到的光信号转换成电信号；通过所述信号处理电路将所述电信号处理成可读取并分析的位移信号。
7.如权利要求6所述的位移测量方法，其特征在于，所述第一腔镜和第二腔镜均为部分透射部分反射的镜片。
8.如权利要求7所述的位移测量方法，其特征在于，所述第一腔镜和第二腔镜的透射率和反射率各不相同。
9.如权利要求7所述的位移测量方法，其特征在于，所述信号探测器件为CCD或CMOS光电探测器件。
10.如权利要求7所述的位移测量方法，其特征在于，所述测量光束为线偏振光、圆偏振光或者随机偏振光。
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