CN112444194B - 二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪及其测量方法和六自由度干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提出二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪及其测量方法和六自由度干涉仪，所述二自由度位移测量干涉仪包括激光光源、分光镜、光栅、二自由度位移发生装置、用于形成第一F‑P腔具有部分透射表面1的光学器件、用于形成第二F‑P腔具有部分透射表面2的光学器件、光电探测模块1、光电探测模块2和信号处理模块；本发明所述二自由度位移测量干涉仪及其测量方法将可动的光栅作为被测目标腔镜，两F‑P腔基本单元对称放置，实现以光栅栅距为基准的、对光栅面内平动位移的测量和以激光波长‑光栅栅距为基准的、对垂直光栅面的运动的测量。本发明还以二自由度F‑P光栅干涉仪作为测头，以四测头布局实现对光栅平面的六自由度测量。
Description
技术领域
本发明属于激光干涉测量技术领域，特别是涉及二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪及其测量方法和六自由度干涉仪。
背景技术
光栅干涉仪是一种常用的精密位移测量仪器，和传统的双光束干涉仪如迈克尔逊干涉相比，光栅干涉仪最大的特点在于以光栅栅距为基准，能够测量光栅平面内的位移，且光栅具有对空气折射率不敏感的特性，适用于更为苛刻的测量环境。
法布里珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉仪：是一种由两块平行的玻璃板组成的多光束干涉仪，其中两块玻璃板相对的内表面都具有高反射率。法布里珀罗(Fabry-Perot)干涉仪是一种经典的多光束干涉仪，用于位移测量时，其测量基准为激光波长，通过探测F-P腔长的改变反映被测位移。F-P腔通常是由两个部分反射表面构成，通常由高反镜、特殊镀膜的镜组等多种光学器件实现。根据光栅在Littrow入射角下的衍射特性，光栅也可以用作F-P腔的分光器件。1998年，K.-X.Sun和R.L.Byer提出了一种利用光栅分光的F-P干涉仪，其F-P腔由一个高反镜和一个按Littrow角安装的光栅实现，这一结构也被应用在LISA的引力参考传感器(gravitational reference sensor,GRS)和一种Littrow腔位移传感器当中。
在上述提到的各基于光栅Littrow结构的F-P干涉仪中，用于构成F-P腔的光栅都仅仅作为分光器件使用，即，光栅都是固定于计量框架之上的。这一方面限制了这种F-P干涉仪仅能测量F-P腔长的变化，同时，也将光栅平移误差引入了测量系统当中。
发明内容
本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪及其测量方法和六自由度干涉仪。本发明所述二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪及其测量方法将可动的光栅作为被测目标腔镜，两F-P腔基本单元对称放置，实现以光栅栅距为基准的、对光栅面内平动位移的测量和以激光波长-光栅栅距为基准的、对垂直光栅面的运动的测量。本发明还以二自由度F-P光栅干涉仪作为测头，以四测头布局实现对光栅平面的六自由度测量。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪，所述干涉仪包括激光光源、分光镜、光栅、二自由度位移发生装置、用于形成第一F-P腔部分透射表面1的光学器件、用于形成第二F-P腔部分透射表面2的光学器件、光电探测模块1、光电探测模块2和信号处理模块；所述激光光源与光栅按Littrow角放置，激光光源发出激光经分光镜分为对称的两束光分别入射光栅，所述二自由度位移发生装置在水平方向和垂直水平方向上同时运动，所述光栅固定在所述二自由度位移发生装置上且与二自由度位移发生装置的垂直水平运动方向平行设置，所述光栅与所述二自由度位移发生装置做相同运动，所述光栅表面和部分透射表面1之间形成第一F-P腔，所述光栅表面和部分透射表面2之间形成第二F-P腔，所述光电探测模块1用于接收从部分透射表面1处透射离开第一F-P腔内的光束所形成的多光束干涉光强，所述光电探测模块2用于接收从部分透射表面2处透射离开第二F-P腔内的光束所形成的多光束干涉光强，所述光电探测模块1和光电探测模块2对称布置，所述用于形成第一F-P腔部分透射表面1的光学器件与用于形成第二F-P腔部分透射表面2的光学器件对称布置，所述信号处理模块分别与所述光电探测模块1和光电探测模块2连接。
进一步地，所述Littrow角是光束和光栅的安装夹角，在所述夹角角度下，入射光从激光光源沿Littrow角入射光栅，0级衍射光按照反射定律向着部分透射表面方向传播；1级衍射光沿入射的反方向向着激光光源处传播。
进一步地，所述激光光源为稳频或调制光源。
进一步地，所述二自由度位移发生装置为导轨、压电位移台或其它可移动装置。
进一步地，所述光学器件为分光镜、衰减片或光栅。
进一步地，所述分光镜的传输形式为空间光传输、光纤传输或光纤分光。
本发明还提出一种二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪的测量方法，激光光源发出激光经分光镜分为对称的两束光，所述两束光分别按照±1阶Littrow角入射光栅，其中一束光入射光栅发生第一次衍射产生多个级次衍射光，其中，0级衍射光进入第一F-P腔，入射部分透射表面1并被分成两部分，反射部分在第一F-P腔中原路返回，再次入射光栅发生第二次衍射，第二次衍射的+1或-1级衍射光回到第一F-P腔中，并第二次入射部分透射表面1，依此类推，光束在第一F-P腔中往返，将有n个光束从部分透射表面1处透射离开腔内，形成多光束干涉光强被光电探测模块1所接收，所述光电探测模块1对多光束干涉光强进行处理形成干涉信号；另一束光光线线路同理；所述信号处理模块分别接收光电探测模块1和光电探测模块2发送的干涉信号并对所述干涉信号进行后续处理与位移信息的解算。
进一步地，设水平方向运动位移为x，垂直水平方向运动位移为z；则由光电探测模块1获得的多光束干涉信号的相位对应的位移为x+kz；由光电探测模块2获得的多光束干涉信号的相位对应的位移为x-kz，系数k是常数，从而能够通过信号处理模块解算得到两个方向上的位移信息。
本发明还提出一种四测头六自由度位移测量干涉仪，所述四测头六自由度位移测量干涉仪包括四个所述的二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪，每个所述二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪作为一个测头。
本发明的有益效果为：
本发明所述二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪及其测量方法将可动的光栅作为被测目标腔镜，两F-P腔基本单元对称放置，实现以光栅栅距为基准的、对光栅面内平动位移的测量和以激光波长-光栅栅距为基准的、对垂直光栅面的运动的测量。本发明还以二自由度F-P光栅干涉仪作为测头，以四测头布局实现对光栅平面的六自由度测量。
附图说明
图1为本发明所述的二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪结构框图；
图2为本发明所述的四测头六自由度位移测量干涉仪结构图；
图3为光栅和激光光源几何关系示意图；
图4为水平方向位移发生装置内置的电容传感器探测结果示意图；
图5为水平方向上光电探测器输出的光电信号示意图；
图6为垂直方向位移发生装置内置的电容传感器探测结果示意图；
图7为垂直方向上光电探测器输出的光电信号示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
结合图1，本发明提出二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪，所述干涉仪包括激光光源、分光镜、光栅、二自由度位移发生装置、用于形成第一F-P腔部分透射表面1的光学器件、用于形成第二F-P腔部分透射表面2的光学器件、光电探测模块1、光电探测模块2和信号处理模块；所述激光光源与光栅按Littrow角放置，激光光源发出激光经分光镜分为对称的两束光分别入射光栅，所述二自由度位移发生装置在水平方向和垂直水平方向上同时运动，所述光栅固定在所述二自由度位移发生装置上且与二自由度位移发生装置的垂直水平运动方向平行设置，所述光栅与所述二自由度位移发生装置做相同运动，所述光栅表面和部分透射表面1之间形成第一F-P腔，所述光栅表面和部分透射表面2之间形成第二F-P腔，所述光电探测模块1用于接收从部分透射表面1处透射离开第一F-P腔内的光束所形成的多光束干涉光强，所述光电探测模块2用于接收从部分透射表面2处透射离开第二F-P腔内的光束所形成的多光束干涉光强，所述光电探测模块1和光电探测模块2对称布置，所述用于形成第一F-P腔部分透射表面1的光学器件与用于形成第二F-P腔部分透射表面2的光学器件对称布置，所述信号处理模块分别与所述光电探测模块1和光电探测模块2连接。所述光电探测模块1和光电探测模块2作为光束的末端，通过导线将信号传输到信号处理模块。
所述Littrow角是光束和光栅的安装夹角，在所述夹角角度下，入射光从激光光源沿Littrow角入射光栅，0级衍射光按照反射定律向着部分透射表面方向传播；1级衍射光沿入射的反方向向着激光光源处传播。
所述激光光源为稳频或调制光源，相应的光电探测模块和信号处理模块也应随之符合光源的特性。
所述二自由度位移发生装置为导轨、压电位移台或其它可移动装置。
所述光学器件为分光镜、衰减片或光栅等任意可行的分光器件。
所述分光镜的传输形式为空间光传输、光纤传输或光纤分光等等。
本发明还提出一种二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪的测量方法，激光光源发出激光经分光镜分为对称的两束光，所述两束光分别按照±1阶Littrow角入射光栅，其中一束光入射光栅发生第一次衍射产生多个级次衍射光，其中，0级衍射光进入第一F-P腔，入射部分透射表面1并被分成两部分，反射部分在第一F-P腔中原路返回，再次入射光栅发生第二次衍射，第二次衍射的+1或-1级衍射光回到第一F-P腔中，并第二次入射部分透射表面1，依此类推，光束在第一F-P腔中往返，将有n个光束从部分透射表面1处透射离开腔内，形成多光束干涉光强被光电探测模块1所接收，所述光电探测模块1对多光束干涉光强进行处理形成干涉信号；另一束光光线线路同理；所述信号处理模块分别接收光电探测模块1和光电探测模块2发送的干涉信号并对所述干涉信号进行后续处理与位移信息的解算。
设水平方向运动位移为x，垂直水平方向运动位移为z；则由光电探测模块1获得的多光束干涉信号的相位对应的位移为x+kz；由光电探测模块2获得的多光束干涉信号的相位对应的位移为x-kz，系数k是常数，从而能够通过信号处理模块解算得到两个方向上的位移信息。
结合图2，本发明还提出一种四测头六自由度位移测量干涉仪，所述四测头六自由度位移测量干涉仪包括四个所述的二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪，每个所述二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪作为一个测头。
二自由度计算公式：
在对垂直方向(z向)进行测量时，由于Littrow结构的关系，同时采用光栅栅距和激光波长的测量基准，按其几何关系共同作用。如图3所示。
当光栅沿垂向运动位移为L时，会引起光束位置偏移LS和F-P腔长变化LC。根据Littrow角的几何关系，有
式中，
为Littrow角。
这两部分产生的总相位phase为：
式中，d为光栅栅距，λ为激光波长。
二自由度实验验证：
首先对水平方向(x向)位移进行实验。利用位移发生装置驱动光栅在水平方向上产生微米级运动，将位移发生装置内置的电容传感器探测结果(如图4所示)和光电探测模块中的光电探测器输出的光电信号(如图5所示)进行对比。由对比可知，信号各个尖峰的间距平均值为0.836微米，符合所用的光栅栅距0.833微米。
其次，对垂直方向(z向)位移进行实验。利用位移发生装置驱动光栅在水平方向上产生微米级运动，将位移发生装置内置的电容传感器探测结果(如图6所示)和光电探测模块中的光电探测器输出的光电信号(如图7所示)进行对比。由对比可知，信号各个尖峰的间距平均值为0.342微米。由上述计算公式计算得到，在所用光栅栅距0.833微米，所用激光波长0.633微米的条件下，垂直方向等效测量的光栅栅距0.339微米。
以上对本发明所提出的二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪及其测量方法和六自由度干涉仪，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪，其特征在于：所述干涉仪包括激光光源、分光镜、光栅、二自由度位移发生装置、用于形成第一F-P腔部分透射表面1的光学器件、用于形成第二F-P腔部分透射表面2的光学器件、光电探测模块1、光电探测模块2和信号处理模块；所述激光光源与光栅按Littrow角放置，激光光源发出激光经分光镜分为对称的两束光分别入射光栅，所述二自由度位移发生装置在水平方向和垂直水平方向上同时运动，所述光栅固定在所述二自由度位移发生装置上且与二自由度位移发生装置的垂直水平运动方向平行设置，所述光栅与所述二自由度位移发生装置做相同运动，所述光栅表面和部分透射表面1之间形成第一F-P腔，所述光栅表面和部分透射表面2之间形成第二F-P腔，所述光电探测模块1用于接收从部分透射表面1处透射离开第一F-P腔内的光束所形成的多光束干涉光强，所述光电探测模块2用于接收从部分透射表面2处透射离开第二F-P腔内的光束所形成的多光束干涉光强，所述光电探测模块1和光电探测模块2对称布置，所述用于形成第一F-P腔部分透射表面1的光学器件与用于形成第二F-P腔部分透射表面2的光学器件对称布置，所述信号处理模块分别与所述光电探测模块1和光电探测模块2连接。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述Littrow角是光束和光栅的安装夹角，在所述夹角角度下，入射光从激光光源沿Littrow角入射光栅，0级衍射光按照反射定律向着部分透射表面方向传播；1级衍射光沿入射的反方向向着激光光源处传播。
3.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述激光光源为稳频或调制光源。
4.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述二自由度位移发生装置为导轨或压电位移台。
5.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述光学器件为分光镜、衰减片或光栅任意可行的分光器件。
6.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述分光镜的传输形式为空间光传输、光纤传输或光纤分光。
7.一种如权利要求1-6中任一项所述的二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪的测量方法，其特征在于：激光光源发出激光经分光镜分为对称的两束光，所述两束光分别按照±1阶Littrow角入射光栅，其中一束光入射光栅发生第一次衍射产生多个级次衍射光，其中，0级衍射光进入第一F-P腔，入射部分透射表面1并被分成两部分，反射部分在第一F-P腔中原路返回，再次入射光栅发生第二次衍射，第二次衍射的+1或-1级衍射光回到第一F-P腔中，并第二次入射部分透射表面1，依此类推，光束在第一F-P腔中往返，将有n个光束从部分透射表面1处透射离开腔内，形成多光束干涉光强被光电探测模块1所接收，所述光电探测模块1对多光束干涉光强进行处理形成干涉信号；另一束光光线线路同理；所述信号处理模块分别接收光电探测模块1和光电探测模块2发送的干涉信号并对所述干涉信号进行后续处理与位移信息的解算。
8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：设水平方向运动位移为x，垂直水平方向运动位移为z；则由光电探测模块1获得的多光束干涉信号的相位对应的位移为x+kz；由光电探测模块2获得的多光束干涉信号的相位对应的位移为x-kz，系数k是常数，从而能够通过信号处理模块解算得到两个方向上的位移信息。
9.四测头六自由度位移测量干涉仪，其特征在于：所述四测头六自由度位移测量干涉仪包括四个权利要求1所述的二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪，每个所述二自由度位移测量的法布里珀罗光栅干涉仪作为一个测头。
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