CN110260781A - 基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正方法与装置属于激光测量技术领域；本发明在不需要改变系统原有光学器件位置与角度的前提下，通过在单频激光干涉仪非偏振分光镜后加入液晶移相器，利用相位延迟器偏振相关的相位延迟特性改变干涉光束中参考光束与测量光束之间的相位差，从光路原理结构上修正了系统的非正交误差，因此具有更高的修正精度和实时性。本发明能够有效解决单频激光干涉测量中非正交误差的修正问题，在精密测量领域具有显著的技术优势。

Description

基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正方法及装置

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，主要涉及一种基于液晶移相器的单频激光干涉仪非正交误差修正方法与装置。

背景技术

随着科学研究的快速发展和工业生产水平飞速提高，科研和工业领域对位移测量也提出了更高的要求，位移测量的最小变化量也正朝着纳米量级方向发展。单频激光干涉是利用激光干涉原理进行高精度位移测量的仪器，具有非接触、高精度等优点。一个单频激光干涉仪包含至少一个能够提供单频激光的光源；一个将单频光源分为参考光束和测量光束的偏振分光镜；一个能够反射参考光束的第一反射镜；一个能够反射测量光束的第二反射镜，所述第二反射镜通常被固定于被测物体上，随被测物体一同运动；一个将所述偏振分光镜出射的合成光束分为第一合成光束和第二合成光束的非偏振分光镜；至少两个能够检测干涉信号的光电探测器；以及信号处理单元，耦接所述光电探测器，适于采集所述光电探测器输出的干涉信号；所述参考光束和所述测量光束具有相同的频率。相比于双频激光干涉仪，由于其具有结构简单、电路处理容易、对环境的要求较低、测量速度在原理上不受限制等诸多优点，因而更加广泛的应用于位移测量领域。然而，实际应用中非线性误差，尤其是非线性误差中的非正交误差的存在却一直成为限制单频激光干涉仪实现高精度测量的关键问题。

图1为典型的单频激光干涉仪结构，从激光器1发出的单频激光通过偏振分光棱镜A 2分光为参考光束和测量光束；其中反射光束作为参考光束经过平面反射镜A 4反射，并两次通过1/4波片A 3，透射光束作为测量光束经过平面反射镜B 6反射，并两次通过1/4波片B5后，参考光束和测量光束分别透射和反射通过偏振分光棱镜A 2；参考光束和测量光束先经过1/2波片7后，被非偏振分光棱镜8分为两束光，透射光为第一合成光束，反射光为第二合成光束，第一合成光束通过1/4波片C 9后，被偏振分光棱镜B 10分成两束光，分别入射到光电探测器A 11和光电探测器B 12，两路信号经过运算器A 13做减法运算后得到干涉信号Ix；第二合成光束被偏振分光棱镜C 14分成两束光，分别入射到光电探测器C 15和光电探测器D 16，两路信号经过运算器B 17做减法运算后得到干涉信号Iy。理想状态下，Ix和Iy可以表示为：(P.Hu,J.Zhu,X.Guo,and J.Tan,"Compensation for theVariable CyclicError in Homodyne Laser Interferometers,"Sensors,2015,15(2):3090-3106.)：

其中，A为干涉信号的交流幅值，φ为参考光路与测量光路之间的相位差。由此可以看出，Ix、Iy表现为关于φ的正余弦函数，在理想状态下其幅值相等、直流偏置为零且相互正交。然而在实际情况中，由于光学器件等的不理想，Ix和Iy可以表示为：

其中，Ax、Ay分别为直流偏置误差，Bx、By分别为不等幅误差，δ为非正交误差。由公式(2)可以看出，Ix、Iy实际表现为含有上述三差的正余弦函数。将上述两路含有三差的干涉信号直接用于位移解算时，会产生周期性的非线性误差，影响测量精度。因此必须通过获取干涉信号的特征参数Ax、Ay、Bx、By和δ对Ix、Iy进行修正，得到理想的正交干涉信号cosφ和sinφ，从而实现对非线性误差修正。

非线性误差的修正方法，最早由Heydemann在1981年提出，他利用最小二乘法对大于一个周期的干涉信号进行椭圆拟合，从而获取干涉信号的特征参数，从而实现对非线性误差的修正(P.L.M.Heydemann,Determination and correction of quadrature fringemeasurement errors in interferometers.Appl.Opt.1981,20:3382-3384)，该方法为非线性误差修正的经典方法，研究人员根据该方法提出了多种改进方法，均可以称之为Heydemann修正法，该方法有较高的修正精度，但其修正算法耗时较长，不利于实时测量；德国联邦物理研究院的Dai通过检测各路干涉信号一个周期内的极大值和极小值，实时的提取非线性误差参数，实现对非线性误差的实时修正(G.-L.Dai,F.Pohlenz,H.-U.Danzebrink,K.Hasche,G.Wilkening,Improving the performance ofinterferometers in metrological scanning probe microscopes.Meas.Sci.Technol.2004,15:444-450)，称之为极值修正方法。在用极值修正方法对非线性误差的进行实时修正时，需先修正不等幅误差与直流偏置误差，然后再进行修正非正交误差。在修正非正交误差后，还会出现新的不等幅误差和直流偏置误差，需对其进行二次修正，增加了系统和控制的复杂度，并且新的不等幅误差，会降低系统的灵敏度。

发明内容

针对上述非线性误差中非正交误差修正过程中存在的问题，本发明提出和研发了一种基于液晶移相器的单频激光干涉仪非正交误差修正方法与装置，本发明在不需要改变光学器件位置与角度的前提下，通过在单频激光干涉仪非偏振分光棱镜后加入液晶移相器，利用相位延迟器偏振相关的相位延迟特性改变干涉仪的干涉光束中的参考光束与测量光束之间的相位差，从而实现对非正交误差的修正。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种单频激光干涉仪非正交误差修正方法，单频激光干涉仪包含：至少一个能够提供单频激光的光源；光路，所述光路中包括：偏振分光棱镜、非偏振分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜，其中，所述偏振分光棱镜适于将所述单频光源分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜适于反射所述参考光束，所述第二反射镜适于反射所述测量光束，所述非偏振分光棱镜适于将所述偏振分光棱镜出射的合成光束分为第一合成光和第二合成光；所述合成光束是经过所述第一反射镜反射得到的参考光束与所述第二反射镜反射得到的测量光束经过偏振分光棱镜合光得到的；至少两个能够检测干涉信号的光电探测器，所述第一干涉信号是所述第一合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的，所述第二干涉信号是所述第二合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的。

液晶移相器是一种偏振相关的光学元件，入射激光中与其慢轴方向一致的偏振分量的相位延迟大小与液晶移相器的工作电压大小有关，而与其慢轴方向垂直的偏振分量的相位延迟大小与液晶移相器的工作电压大小无关。因此可以通过在所述单频激光干涉仪光路中加入至少一个液晶移相器，适于改变所述第一合成光或第二合成光中的参考光与测量光之间的相位差；通过改变至少一个所述液晶移相器的工作电压，使得所述第一合成光或第二合成光中的参考光与测量光之间的相位差产生变化；与之相应的第一干涉信号与第二干涉信号之间的相位差则产生相应的变化，由此使得第一干涉信号与第二干涉信号相互正交，即实现对非正交误差修正。

所述液晶移相器的位置选自所述非偏振分光棱镜与所述光电探测器之间。

所述液晶移相器的慢轴方向与所述第一合成光或第二合成光中的参考光或测量光的振动方向相同。

一种单频激光干涉仪非正交误差修正装置，该装置中包含：至少一个能够提供单频激光的光源；光路，所述光路中包括：偏振分光棱镜、非偏振分光棱镜、第一反射镜和第二反射镜，其中，所述偏振分光棱镜适于将所述单频光源分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜适于反射所述参考光束，所述第二反射镜适于反射所述测量光束，所述非偏振分光棱镜适于将所述偏振分光棱镜出射的合成光束分为第一合成光和第二合成光；所述合成光束是经过所述第一反射镜反射得到的参考光束与所述第二反射镜反射得到的测量光束经过偏振分光棱镜合光得到的；至少两个能够检测第一干涉信号和第二干涉信号的光电探测器，所述第一干涉信号是所述第一合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的，所述第二干涉信号是所述第二合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的；该装置还包含至少一个液晶移相器，每一个所述液晶移相器放置于所述光路中，所述液晶移相器适于改变所述第一合成光和/或第二合成光中的参考光与测量光之间的相位差。所述装置还包括：信号处理单元，耦接所述光电探测器，适于采集所述光电探测器输出的第一干涉信号与第二干涉信号，所述干涉信号的特征参数指示所述第一干涉信号与第二干涉信号之间的非正交误差角。

所述液晶移相器的位置选自所述非偏振分光棱镜与所述光电探测器之间。

所述液晶移相器的慢轴方向与所述第一合成光或第二合成光中的参考光与测量光的振动方向相同。

本发明具有以下特点及良好效果：

相比于Heydemann或者极值修正的方法，本方法在不需要软件算法中对非正交误差进行修正，而是利用光学方法在不改变原有光学器件位置与角度的前提下，通过在单频激光干涉仪非偏振分光棱镜后加入液晶移相器，利用相位延迟器偏振相关的相位延迟特性改变干涉仪的干涉光束中的参考光与测量光之间的相位差，从光路原理结构上修正了系统的非正交误差，因此具有更高的修正精度和实时性。

附图说明

图1是现有的偏振分光棱镜和平面反射镜等组成的二细分光路单频干涉仪配置结构示意图；

图2是本发明以应用于图1中单频干涉仪为例时的总体配置结构示意图；

图1中件号说明：1单频激光器、2偏振分光棱镜A、3 1/4波片A、4第一反射镜、51/4波片B、6第二反射镜、7 1/2波片、8非偏振分光棱镜、9 1/4波片C、10偏振分光棱镜B、11光电探测器A、12光电探测器B、13减法器A、14偏振分光棱镜C、15光电探测器C、16光电探测器D、17减法器B、18信号处理单元。

图2中件号说明：19单频激光器、20偏振分光棱镜A、21 1/4波片A、22第一反射镜、23 1/4波片B、24第二反射镜、25 1/2波片、26非偏振分光棱镜、27 1/4波片C、28偏振分光棱镜B、29光电探测器A、30光电探测器B、31减法器A、32偏振分光棱镜C、33光电探测器C、34光电探测器D、35减法器B、36信号处理单元、37液晶移相器、38位置A。

具体实施方式

由于单频干涉仪本身具有不同形式的光路结构，下面以图2中所示的偏振分光棱镜和平面反射镜等组成的二细分光路单频干涉仪为例，对本发明实施例进行详细描述。

一种基于液晶移相器的单频激光干涉仪非线性误差修正装置，该装置包括单频激光器19、液晶移相器37、偏振分光棱镜A 20、1/4波片A 21、第一反射镜22、1/4波片B 23、第二反射镜24、1/2波片25、非偏振分光棱镜26、1/4波片C 27、偏振分光棱镜B 28、光电探测器A 29、光电探测器B 30、减法器A 31、偏振分光棱镜C 32、光电探测器C 33、光电探测器D34、减法器B 35；在单频激光器19的出射光路上依次配置偏振分光棱镜A 20、1/4波片B 23和第二反射镜24，所述1/4波片B 23位于x、y平面内，且与偏振分光棱镜A 20同轴，1/4波片B 23快轴方向与y轴逆时针成45°，第二反射镜24与1/4波片B 23平行；在所述偏振分光棱镜A 20的反射光路上依次配置1/4波片A 21和第一反射镜22，所述1/4波片A 21位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A 20同轴，1/4波片A 21快轴方向与y轴顺时针成45°，所述第一反射镜22与1/4波片A 21平行；在所述偏振分光棱镜A 20的位于第一反射镜22的相对一侧依次配置1/2波片25、非偏振分光棱镜26、1/4波片C 27、偏振分光棱镜B 28、光电探测器A 29，所述1/2波片25位于y、z平面内，与偏振分光棱镜A20同轴，且快轴方向与y轴顺时针成22.5°，所述1/4波片C 27与1/2波片平行，且与偏振分光棱镜A 20同轴，1/4波片C 27快轴方向与z轴重合；所述光电探测器B 30配置在偏振分光棱镜B 28的反射光路上；在所述非偏振分光棱镜26的反射光路上依次配置偏振分光棱镜C 32和光电探测器C 33，所述光电探测器D 34配置在偏振分光棱镜C 32的反射光路上；所述光电探测器A 29、光电探测器B 30探测到的干涉信号输入到减法器A 31进行减法运算得到干涉信号Ix；所述光电探测器C 33、光电探测器D 34探测到的干涉信号输入到减法器B 35进行减法运算得到干涉信号Iy；液晶移相器37与1/4波片C 27相互平行且同轴地配置在非偏振分光棱镜26和1/4波片C 27之间，液晶移相器37慢轴方向与y轴方向相同，或者与z轴方向相同；所述的液晶移相器37也可以配置于位置A38处，即配置在非偏振分光棱镜26和偏振分光棱镜C 32之间，与非偏振分光镜26同轴且在x、y平面内，其慢轴方向既可以为y轴方向也可以为x轴方向。

下面同样以图2中所示的偏振分光棱镜和平面反射镜等组成的二细分光路单频干涉仪为例，阐述该方法的步骤如下：

(1)打开单频激光干涉测振仪，单频激光器发出一束单频激光，经偏振分光棱镜后分离为测量光束和参考光束；参考光束通过1/4波片，再经反射镜反射后原路返回；同时，测量光束通过1/4波片后，照射到被测目标(如平面反射镜、角锥棱镜、被测物体表面)后反射，沿原路返回；参考光束和测量光束均两次通过1/4波片，偏振态被旋转90°后再次入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的正交的水平与垂直偏振态的参考光束和测量光束通过分光棱镜等器件后，最终通过探测器和减法器后得到如公式(2)所示的两路含有非正交误差的干涉信号Ix和Iy；

(2)根据得到的干涉信号提取干涉信号的特征参数，即两路干涉信号之间的相位差；

(3)根据步骤(2)得到的特征参数，计算两路干涉信号的非正交误差δ；

(4)根据步骤(3)得到的非正交误差，调节液晶移相器的工作电压，改变两路干涉信号之间的相位差，使得正非正交误差δ＝0，修正后由光电探测器获得的干涉信号为：

即从原理上消除了系统的非正交误差。

(5)在单频激光干涉仪位移测量过程中保持液晶移相器的工作电压不变，则得到的测量结果中将不包含非正交误差。

Claims (8)

1.一种基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正方法，单频激光干涉仪包含：

至少一个能够提供单频激光的光源；

光路，所述光路中包括：偏振分光镜、非偏振分光镜、第一反射镜和第二反射镜，其中，所述偏振分光镜适于将所述单频激光分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜适于反射所述参考光束，所述第二反射镜适于反射所述测量光束，所述非偏振分光镜适于将所述偏振分光镜出射的合成光束分为第一合成光束和第二合成光束，所述合成光束是经过所述第一反射镜反射后的参考光束与所述第二反射镜反射后的测量光束经过所述偏振分光镜合光得到的；

至少两个能够检测第一干涉信号和第二干涉信号的光电探测器，所述第一干涉信号是所述第一合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的，所述第二干涉信号是所述第二合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的；

其特征在于，所述方法包括：

步骤一：将至少一个液晶移相器放置于单频激光干涉仪的光路中，所述液晶移相器适于改变所述第一合成光束和/或第二合成光束中的参考光束与测量光束之间的相位差；

步骤二：提取所述干涉信号的特征参数；

步骤三：利用所提取到的特征参数，计算所述第一干涉信号与第二干涉信号之间的非正交误差角；

步骤四：通过改变至少一个液晶移相器的工作电压，使得所述第一合成光束和/或第二合成光束中的参考光束与测量光束之间的相位差发生改变，实现对所述非正交误差的修正。

2.根据权利要求1所述的基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正方法，其特征在于：所述步骤一的实施过程中，所述液晶移相器的位置选自所述非偏振分光镜与所述光电探测器之间。

3.根据权利要求1所述的基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正方法，其特征在于：所述步骤一实施过程中，所述液晶移相器的慢轴方向与所述参考光束或测量光束的偏振方向重合。

4.根据权利要求1所述的基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正方法，其特征在于：所述步骤四实施过程中，根据所述第一干涉信号与第二干涉信号之间的非正交误差角，改变所述液晶移相器的工作电压，使得所述第一干涉信号与第二干涉信号之间的相位差为π/2(90°)加π(180°)的整数倍。

5.一种基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正装置，该装置中包含：

至少一个能够提供单频激光的光源；

光路，所述光路中包括：偏振分光镜、非偏振分光镜、第一反射镜和第二反射镜，其中，所述偏振分光镜适于将所述单频光源分为参考光束和测量光束，所述第一反射镜适于反射所述参考光束，所述第二反射镜适于反射所述测量光束，所述非偏振分光镜适于将所述偏振分光镜出射的合成光束分为第一合成光束和第二合成光束；所述合成光束是经过所述第一反射镜反射后的参考光束与所述第二反射镜反射后的测量光束经过偏振分光镜合光得到的；

至少两个能够检测第一干涉信号和第二干涉信号的光电探测器，所述第一干涉信号是所述第一合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的，所述第二干涉信号是所述第二合成光束中的参考光束与测量光束干涉形成的；

其特征在于：该装置还包含至少一个液晶移相器，每一个所述液晶移相器放置于所述光路中，所述液晶移相器适于改变所述第一合成光束和/或第二合成光束中的参考光束与测量光束之间的相位差。

6.根据权利要求5所述的基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正装置，其特征在于：所述装置还包括：信号处理单元，耦接所述光电探测器，适于采集所述光电探测器输出的第一干涉信号与第二干涉信号，所述干涉信号的特征参数指示所述第一干涉信号与第二干涉信号之间的非正交误差角。

7.根据权利要求5所述的基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正装置，其特征在于：所述液晶移相器的位置选自所述非偏振分光镜与所述光电探测器之间。

8.根据权利要求5所述的基于液晶移相器的激光干涉仪非正交误差修正装置，其特征在于：所述液晶移相器的慢轴方向与参考光束或测量光束的偏振方向重合。