CN111174694A - 一种激光干涉位移测量装置及其使用方法 - Google Patents
一种激光干涉位移测量装置及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种激光干涉位移测量装置及其使用方法，包括读数头、三角波反射镜，所述读数头包括激光源、第一分光镜、第二分光镜、分光棱镜、第一光电探测器、聚光透镜、第二光电探测器、处理器。本发明加入分光棱镜和第一光电探测器，避免在测量过程中，激光束的波长因环境等因素发生变化而导致最终测量结果的偏差，对激光束波长的变化进行补偿；本方案使用简单的光学器件，以及利用激光干涉原理，完成对被测物体的位移量测量工作，在保证了测量精度的情况下，还简化了装置的复杂性。
Description
技术领域
本发明涉及波长测量技术领域，特别涉及一种激光干涉位移测量装置及其使用方法。
背景技术
精确测量对于光学精密测量领域至关重要，以激光干涉仪为例，其测量精度与激光波长的精度直接相关，如何提高测量精度，降低激光波长对测量精度的影响，以及降低测量装置的复杂度与成本，成了相关领域的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的在于提高激光干涉仪的测量精度，简化测量装置的复杂性，提供一种激光干涉位移测量装置及其使用方法。
为了实现上述发明目的，本发明实施例提供了以下技术方案：
一种激光干涉位移测量装置，包括读数头、三角波反射镜，用于接收第一分光镜透射的激光束，并将接收到的激光束进行反射；
所述读数头包括：
激光源，用于发射激光束；
第一分光镜，用于将激光源发射的激光束透射至三角波反射镜，以及反射至聚光透镜；
第二分光镜，用于接收三角波反射镜反射的激光束，并将接收到的激光束再次反射至三角波反射镜，以及透射至分光棱镜；
分光棱镜，用于接收第二分光镜透射的激光束，并将激光束透射至第一光电探测器；
第一光电探测器，用于接收分光棱镜透射的激光束；
聚光透镜，用于接收第一分光镜和三角波反射镜反射的激光束，并将接收到的激光束聚光后透射至第二光电探测器；
第二光电探测器，用于接收聚光透镜透射的激光束；
处理器，用于记录第一光电探测器上激光束的位移量，以及检测第二光电探测器上产生的干涉现象，并计算出读数头或三角波反射镜的位移量。
本方案中，加入分光棱镜和第一光电探测器，避免在测量过程中，激光束的波长因环境等因素发生变化而导致最终测量结果的偏差，对激光束波长的变化进行补偿计算；本方案使用简单的光学器件，以及利用激光干涉原理，完成对被测物体的位移量测量工作，在保证了测量精度的情况下，还简化了装置的复杂性。
为更详细的说明测量装置的设置方式，所述第一分光镜倾斜设置于三角波反射镜的上方，且与水平方向存在30度夹角；所述第二分光镜与第一分光镜相互平行。
为更详细的说明测量装置的结构，所述三角波反射镜包括N个结构相同的反射结构，每个所述反射结构包括第一反射面、第二反射面，所述第一反射面或第二反射面与反射镜平行，且第一反射面与第二反射面之间存在120度夹角。
为更详细的说明测量装置中选用的光学器件结构及其设置方式，所述聚光透镜为凸透镜，且平行于水平方向设置。
优选地，所述聚光透镜为无球差透镜。
优选地，所述第一光电探测器为位置敏感探测器。
为更完善测量装置，所述读数头设置于被测物体上随被测物体一起移动，且三角波反射镜固定设置；或三角波反射镜设置于被测物体上随被测物体一起移动，且读数头固定设置。
更进一步地，所述读数头为多个，多个所述读数头交替参与干涉条纹计数。
一种激光干涉位移测量装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1：将三角波反射镜/读数头固定设置，并将读数头/三角波反射镜设置于被测物体上，使得读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，设置激光源角度，使得激光源发射的激光束与水平方向的夹角为150度；将第一分光镜、第二分光镜相互平行设置，且第一分光镜、第二分光镜与水平方向的夹角为30度；将聚光透镜设置于第一分光镜远离三角波反射镜的一侧，并使得聚光透镜能够接收到第一分光镜、三角波反射镜反射的激光束；将第二光电探测器设置于聚光透镜的焦点处，使得第二光电探测器上能接收到聚光透镜透射的两束激光束，并产生干涉现象；将分光棱镜设置于第二分光镜与聚光透镜之间，使得分光棱镜能够接收到第二分光镜透射的激光束；将第一光电探测器设置于分光棱镜和聚光透镜之间，使得第一光电探测器能接收到分光棱镜透射的激光束；
步骤S2：开启激光源，使用处理器检测第二光电探测器上产生的干涉现象，读数头/三角波反射镜随被测物体在水平方向上移动，使得第二光电探测器上产生的干涉现象为相长干涉/相消干涉，并记录此时干涉次数为0次；
步骤S3：在时间t内再次在水平方向上移动被测物体，读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，记录第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数为M；
步骤S4：通过第一光电探测器上激光束入射位置点的变化计算时间t内的平均激光束波长λ；
步骤S5：根据第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数M、激光平均波长λ，计算出被测物体第二次在水平方向上的位移量
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5，计算被测物体累计位移量。
作为另一种可实施方式，一种激光干涉位移测量装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1：将三角波反射镜/读数头固定设置，并将读数头/三角波反射镜设置于被测物体上，使得读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动；
步骤S2：开启激光源，使用处理器检测第二光电探测器上产生的干涉现象，读数头/三角波反射镜随被测物体在竖直方向上移动，使得第二光电探测器上产生的干涉现象为相长干涉/相消干涉，并记录此时激光干涉次数为0；
步骤S3：在时间t内再次在竖直方向上移动被测物体，读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，记录第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数为M；
步骤S4：通过第一光电探测器上激光束入射位置点的变化计算时间t内的平均激光波长λ；
步骤S5：根据第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数M、激光束平均波长λ，计算出读数头/三角波反射镜第二次在竖直方向上的位移量
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5，计算被测物体累计位移量。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过分光棱镜、第一光电探测器，补偿了在测量过程中因环境因素影响激光束波长的变化，取用测量时间段内激光束的平均波长来计算被测物体累计位移量，极大的提高了测量的精度。
本方案在进行位移测量过程中，由于最大干涉光程极大缩短，不会随着位移量的增大而线性增大，激光波长对于干涉计数的影响也极大减小。
本方案使用简单的光学器件，以及利用激光干涉原理，完成对被测物体的位移量测量工作，在保证了测量精度的情况下，还简化了装置的复杂性。
本发明在竖直方向进行测量时，还可以避免重力对测量结果的影响，进一步保障测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的装置结构示意图；
图2为本发明实施例提供的装置水平方向工作时的示意图；
图3为本发明图2中装置工作时的局部放大示意图；
图4为本发明实施例提供的装置竖直方向工作时的示意图；
图5为本发明实施例提供的装置水平方向工作时读数头的位移量计算示意图；
图6为本发明图5的局部放大示意图。
主要元件符号说明
读数头1，激光源100，第一分光镜200，第二分光镜300，分光棱镜400，第一光电探测器500，聚光透镜600，第二光电探测器700，三角波反射镜2，第一反射面21，第二反射面22。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
实施例1：
本发明通过下述技术方案实现，如图1所示，一种激光干涉位移测量装置，包括读数头、三角波反射镜，所述读数头包括一个激光源、两个分光镜、一个分光棱镜、一个聚光透镜、两个光电探测器，其中：
激光源，用于向第一分光镜发射激光束。
第一分光镜，设置于三角波反射镜的上方，如图3所示，与水平方向存在30度夹角，用于接收激光源发射的激光束，并将接收到的激光束透射至三角波反射镜，以及反射至聚光透镜。为了便于区分，将第一分光镜反射至聚光透镜的激光束定义为反射激光束，将第一分光镜透射至三角波反射镜的激光束定义为透射激光。
第二分光镜，设置于三角波反射镜的上方，并与第一分光镜相互平行，用于接收三角波反射镜反射的透射激光束，并将接收到的透射激光束透射至分光棱镜，以及再次反射至三角波反射镜。
分光棱镜，设置于第二分光镜与聚光透镜之间，用于接收第二分光镜透射的透射激光束，并将接收到的透射激光束经透射至第一光电探测器。
第一光电探测器，设置于分光棱镜与聚光透镜之间，用于接收分光棱镜透射的透射激光束。
聚光透镜，用于接收第一分光镜反射的反射激光束，以及接收三角波反射镜反射的透射激光束，并将两束激光束透射至第二光电探测器。
第二光电探测器，设置于聚光透镜的焦点处，用于接收聚光透镜透射的激光束。
处理器，用于记录第一光电探测器上激光束入射位置点的变化，以及检测第二光电探测器上产生的干涉现象，计算出读数头或三角波反射镜的位移量，从而被测物体的位移量。
本发明在水平方向或竖直方向上移动读数头或三角波反射镜，使得透射激光束产生光程差变化量，使用处理器检测第二光电探测器上产生的光线干涉现象，记录第二光电探测器上在移动期间产生的相长干涉/相消干涉的次数M；激光束的波长可能会因为环境原因而改变，比如环境中温度、湿度等的变化，会导致激光束波长的变化，因此本发明中设置了分光棱镜和第一光电探测器，用于记录读数头或三角波反射镜在移动过程中激光束在第一光电探测器上的入射位置变化，计算出变化后的激光束平均波长，使用该平均波长计算读数头或三角波反射镜的位移量；在已知激光束波长，以及第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉的次数M，可以计算出读数头或三角波反射镜在移动过程中激光束的光程差变化量，从而得到读数头或三角波反射镜的位移量X，即被测物体的位移量，完成测量工作。不仅能很好的完成测量工作，还能避免因环境因素导致激光束波长变化造成的测量精度低的问题，在提高测量精度的情况下，测量装置简易，降低了装置复杂度。
更进一步的，所述三角波反射镜包括N个结构相同的反射结构，每个所述反射结构包括第一反射面、第二反射面，如图3所示，所述第一反射面或第二反射面与反射镜平行，且第一反射面与第二反射面之间存在120度夹角。比如如图1所示，所述三角波反射镜包括了八个反射结构，第一分光镜将透射激光束透射至第一个反射结构的第二反射面上。
为更详细说明本发明的工作原理，本实施例选择在水平方向上移动读数头，三角波反射镜固定设置，以及检测第二光电探测器上产生的相长干涉次数。如图1所示，激光源向第一分光镜发射激光束后，第一分光镜将透射激光束透射至三角波反射镜的第一个反射结构的第二反射面上，由于第一反射面与第二反射面存在120度夹角，从第一分光镜透射出来的透射激光束与第一反射面平行，因此透射激光束到达第二反射面后垂直射入第二分光镜，并且第一分光镜将反射激光束直接反射至聚光透镜。第二分光镜接收到三角波反射镜反射的透射激光束后，将透射激光束透射至分光棱镜，并将透射激光束再次反射至三角波反射镜。分光棱镜将接收到的透射激光束透射至第一光电探测器。三角波反射镜将第二分光镜反射的透射激光束反射至聚光透镜，聚光透镜将接收到的透射激光束和反射激光束透射至第二光电探测器。测量开始前，水平移动读数头，使得第二光电探测器上产生相长干涉的现象，此时记录第二光电探测器上产生的干涉次数为0次，同时处理器记录第一光电探测器上激光束的落点位置。
如图2所示，开始测量后，被测物体水平移动带动读数头一起运动，设定时间t内第二光电探测器上产生相长干涉为M个，同时处理器记录第一光电探测器上激光束的落点位置，若在测量工作过程中，激光束因环境因素的影响改变激光束的波长，那么第一光电探测器上激光束的落点会有变化。此时通过第一光电探测器上激光束入射位置点的变化计算时间t内的平均激光束波长λ。
结合图2、图3所示，可以看出读数头在第二次的移动过程中，从第一分光镜反射出的反射激光束的光程没有发生变化，但从第一分光镜透射出的透射激光束的光程发生了变化。根据激光干涉原理可知，光程差变化量等于波长的整数倍，那么本实施例处理器已得到了改变后的激光束波长，以及第二光电探测器上产生的相长干涉次数M，即可计算出光程差的变化量。
继如图5所示，可以看出光程差的变化量为h+L，再将图5中激光束光程差的变化放大如6所示，在已知第一分光镜、第一反射面、第二反射面之间的角度的情况下，可以得到
因此第一分光镜透射激光束的光程差变化量为
第二分光镜反射激光束的光程差变化量同样为
则整体干涉光路光程差为
从而根据干涉位移测量原理得到读数头的位移量X，完成测量工作。
更进一步地，所述聚光透镜选用凸透镜，当两束平行的光垂直射入凸透镜时，两束光透过凸透镜后均会经过凸透镜的焦点，因此使用具有聚光效果的凸透镜，并将第二光电探测器设置于所述聚光透镜的焦点处，以使得透过聚光透镜的两束激光束能射入第二光电探测器，并在第二光电探测器上产生干涉现象。
更进一步地，第一光电探测器是位置敏感探测器。
基于上述装置，本发明还提出一种激光干涉位移测量装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1：将三角波反射镜/读数头固定设置，并将读数头/三角波反射镜设置于被测物体上，使得读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，设置激光源角度，使得激光源发射的激光束与水平方向的夹角为150度；将第一分光镜、第二分光镜相互平行设置，且第一分光镜、第二分光镜与水平方向的夹角为30度；将聚光透镜设置于第一分光镜远离三角波反射镜的一侧，并使得聚光透镜能够接收到第一分光镜、三角波反射镜反射的激光束；将第二光电探测器设置于聚光透镜的焦点处，使得第二光电探测器上能接收到聚光透镜透射的两束激光束，并产生干涉现象；将分光棱镜设置于第二分光镜与聚光透镜之间，使得分光棱镜能够接收到第二分光镜透射的激光束；将第一光电探测器设置于分光棱镜和聚光透镜之间，使得第一光电探测器能接收到分光棱镜透射的激光束；
步骤S2：开启激光源，使用处理器检测第二光电探测器上产生的干涉现象，读数头/三角波反射镜随被测物体在水平方向上移动，使得第二光电探测器上产生的干涉现象为相长干涉/相消干涉，并记录此时干涉次数为0次；
步骤S3：在时间t内再次在水平方向上移动被测物体，读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，记录第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数为M；
步骤S4：通过第一光电探测器上激光束入射位置点的变化计算时间t内的平均激光束波长λ；
步骤S5：根据第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数M、激光平均波长λ，计算出被测物体第二次在水平方向上的位移量
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5，计算被测物体累计位移量。
作为另一种可实施方式，一种激光干涉位移测量装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤S1：将三角波反射镜/读数头固定设置，并将读数头/三角波反射镜设置于被测物体上，使得读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动；
步骤S2：开启激光源，使用处理器检测第二光电探测器上产生的干涉现象，读数头/三角波反射镜随被测物体在竖直方向上移动，使得第二光电探测器上产生的干涉现象为相长干涉/相消干涉，并记录此时激光干涉次数为0；
步骤S3：在时间t内再次在竖直方向上移动被测物体，读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，记录第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数为M；
步骤S4：通过第一光电探测器上激光束入射位置点的变化计算时间t内的平均激光波长λ；
步骤S5：根据第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数M、激光束平均波长λ，计算出读数头/三角波反射镜第二次在竖直方向上的位移量
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5，计算被测物体累计位移量。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种激光干涉位移测量装置，包括读数头，其特征在于：还包括三角波反射镜，用于接收第一分光镜透射的激光束，并将接收到的激光束进行反射；
所述读数头包括：
激光源，用于发射激光束；
第一分光镜，用于将激光源发射的激光束透射至三角波反射镜，以及反射至聚光透镜；
第二分光镜，用于接收三角波反射镜反射的激光束，并将接收到的激光束再次反射至三角波反射镜，以及透射至分光棱镜；
分光棱镜，用于接收第二分光镜透射的激光束，并将激光束透射至第一光电探测器；
第一光电探测器，用于接收分光棱镜透射的激光束；
聚光透镜，用于接收第一分光镜和三角波反射镜反射的激光束，并将接收到的激光束聚光后透射至第二光电探测器；
第二光电探测器，用于接收聚光透镜透射的激光束；
处理器，用于记录第一光电探测器上激光束入射位置点的变化，以及检测第二光电探测器上产生的干涉现象，并计算出读数头或三角波反射镜的位移量。
2.根据权利要求1所述的一种激光干涉位移测量装置，其特征在于：所述第一分光镜倾斜设置于三角波反射镜的上方，且与水平方向存在30度夹角；所述第二分光镜与第一分光镜相互平行。
3.根据权利要求2所述的一种激光干涉位移测量装置，其特征在于：所述三角波反射镜包括N个结构相同的反射结构，每个所述反射结构包括第一反射面、第二反射面，所述第一反射面或第二反射面与反射镜平行，且第一反射面与第二反射面之间存在120度夹角。
4.根据权利要求1所述的一种激光干涉位移测量装置，其特征在于：所述聚光透镜为凸透镜，且平行于水平方向设置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种激光干涉位移测量装置，其特征在于：所述读数头设置于被测物体上随被测物体一起移动，且三角波反射镜固定设置；或三角波反射镜设置于被测物体上随被测物体一起移动，且读数头固定设置。
6.根据权利要求5所述的一种激光干涉位移测量装置，其特征在于：所述读数头为多个，多个所述读数头交替参与干涉条纹计数。
7.一种激光干涉位移测量装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将三角波反射镜/读数头固定设置，并将读数头/三角波反射镜设置于被测物体上，使得读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，设置激光源角度，使得激光源发射的激光束与水平方向的夹角为150度；将第一分光镜、第二分光镜相互平行设置，且第一分光镜、第二分光镜与水平方向的夹角为30度；将聚光透镜设置于第一分光镜远离三角波反射镜的一侧，并使得聚光透镜能够接收到第一分光镜、三角波反射镜反射的激光束；将第二光电探测器设置于聚光透镜的焦点处，使得第二光电探测器上能接收到聚光透镜透射的两束激光束，并产生干涉现象；将分光棱镜设置于第二分光镜与聚光透镜之间，使得分光棱镜能够接收到第二分光镜透射的激光束；将第一光电探测器设置于分光棱镜和聚光透镜之间，使得第一光电探测器能接收到分光棱镜透射的激光束；
步骤S2：开启激光源，使用处理器检测第二光电探测器上产生的干涉现象，读数头/三角波反射镜随被测物体在水平方向上移动，使得第二光电探测器上产生的干涉现象为相长干涉/相消干涉，并记录此时干涉次数为0次；
步骤S3：在时间t内再次在水平方向上移动被测物体，读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，记录第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数为M；
步骤S4：通过第一光电探测器上激光束入射位置点的变化计算时间t内的平均激光束波长λ；
步骤S5：根据第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数M、激光平均波长λ，计算出被测物体第二次在水平方向上的位移量
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5，计算被测物体累计位移量。
8.一种激光干涉位移测量装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1：将三角波反射镜/读数头固定设置，并将读数头/三角波反射镜设置于被测物体上，使得读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动；
步骤S2：开启激光源，使用处理器检测第二光电探测器上产生的干涉现象，读数头/三角波反射镜随被测物体在竖直方向上移动，使得第二光电探测器上产生的干涉现象为相长干涉/相消干涉，并记录此时激光干涉次数为0；
步骤S3：在时间t内再次在竖直方向上移动被测物体，读数头/三角波反射镜随被测物体一起移动，记录第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数为M；
步骤S4：通过第一光电探测器上激光束入射位置点的变化计算时间t内的平均激光束波长λ；
步骤S5：根据第二光电探测器上产生的相长干涉/相消干涉次数M、激光束平均波长λ，计算出读数头/三角波反射镜第二次在竖直方向上的位移量
步骤S6：重复步骤S3至步骤S5，计算被测物体累计位移量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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