CN112857209B - 基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪 - Google Patents

基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪 Download PDF

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Abstract

基于双线阵相机相机的单光束三自由度激光干涉仪属于激光应用技术领域；本发明将单一频率的激光光束输入至迈克尔逊干涉结构，通过设置参考平面反射镜的角度使得测量光束和参考光束非共轴干涉并形成单光束空间干涉条纹图像，选用双线阵相机有效接收单光束空间干涉条纹图像，最终通过三自由度解耦方法对每一帧单光束空间干涉条纹图像实现三自由度信号线性解耦。本发明所述的激光干涉仪不存在角度解耦非线性，显著降低了周期非线性误差，相比于其他现有三自由度激光干涉仪同时兼具结构简单、角度测量范围大和易于集成的优点，满足了三自由度激光干涉仪对位移及角度测量的高精度需求。

Description

基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪
技术领域
本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪。
背景技术
激光干涉测量技术是精密工程中的基础核心技术，在精密计量、高端装备制造以及大科学装置等领域发挥着十分重要的作用。随着上述领域近年来的飞速发展，不仅需要位移测量的精度从纳米量级提升至亚纳米乃至皮米量级，同时也需要位移测量的形式从单轴线位移测量转变为多轴线/角位移三自由度复合测量。
目前，在多轴激光干涉测量领域使用最广泛的是基于平行光束测量的激光干涉仪。基于平行光束测量的激光干涉仪按原理可分为零差/外差激光干涉测量，通常以三轴(或多轴)相互平行的测量光束同时测量被测目标的不同部分，每一轴的测量光束均实现单轴位移测量，且测量光斑在被测目标面按照“品”字型或“L”型等方式排列。由每个测量轴得到的位移结果可解算出被测目标的三自由度信息，包括位移、偏摆角和俯仰角。
在激光干涉仪众多误差源中，周期非线性误差是限制激光干涉仪突破纳米精度的主要瓶颈。Heydemann椭圆拟合修正方法可将零差激光干涉仪的周期非线性误差抑制到亚纳米量级(Collett M.J.,Tee G.J.Ellipse Fitting for Interferometry.Part 1:Static Methods[J].J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis,2014,31(12):2573-2583)，与多轴激光干涉测量的深亚纳米/皮米级精度需求仍有差距。消除光学混叠的非共光路外差干涉结构可将外差激光干涉仪的周期非线性误差抑制到深亚纳米量级，其中将周期非线性误差抑制在10pm左右的有哈尔滨工业大学的胡鹏程等人提出的非共光路外差干涉结构(FuH.,Wu G.,Hu P.,et al.Highly Thermal-Stable Heterodyne Interferometer withMinimized Periodic Nonlinearity[J].Appl Opt,2018,57(6):1463-1467)以及德国PTB的Weichert等人提出的非共光路外差干涉结构(Weichert C.,
Figure BDA0002966689670000012
P.,
Figure BDA0002966689670000011
R.,etal.A Heterodyne Interferometer with Periodic Nonlinearities Smaller Than±10pm[J].Measurement Science and Technology,2012,23(9):094005)，但非共光路外差干涉结构元件组成复杂，其原理导致输入光束的数量比传统共光路外差干涉结构多一倍，在多轴的位移和角度测量中均会耦合叠加各测量轴的周期非线性误差，故目前仅应用于单轴测量。
除此以外，基于平行光束的激光干涉仪一般采用传统的棱镜组逐级分光，其设计和加工难度极大，其分光过程中的平行度误差会随着入射光束数量的增加而累积。Keysight(原Agilent)、Zygo等少数激光干涉仪龙头企业掌握了利用棱镜组逐级分光实现的高精度平行分光技术，并在此基础上研制了单体式多轴干涉镜组。Keysight公司的单体三轴干涉镜组光轴平行度高达25μrad，但单体五轴干涉镜组光轴平行性即已降低为100μrad。此外，当测量距离较大时，空气中的湍流还会对每轴测量光束造成不同程度的扰动，影响位移和角度的测量稳定性。
能够实现精密多轴激光干涉测量的另一种代表性技术是基于单光束测量的差分波前激光干涉仪，差分波前干涉仪中形成干涉的两束光的波前存在夹角，其参考干涉信号和测量干涉信号在四象限探测器上的每个象限上的相位差是不同的，四个象限的交流信号之和可以用于计算位移，左边两个象限与右边两个象限的信号做差可解算偏摆角，上边两个象限与下边两个象限的信号做差可解算俯仰角。具有代表性的是美国学者Gillmer等人提出的紧凑型差分波前干涉仪(Yu X.,Gillmer S.R.,Ellis J.D.Beam Geometry,Alignment,and Wavefront Aberration Effects on Interferometric DifferentialWavefront Sensing[J].Measurement Science and Technology,2015,26(12):125203)，但是该差分波前干涉仪存在角度解耦非线性的原理误差并且直接限制了角度测量精度和角度测量范围，导致其角度测量范围比传统外差激光干涉仪更小，通常在0.1mrad量级或以下。
综上所述，现有的基于平行光束测量的激光干涉仪存在结构复杂、加工难度极大以及多轴周期非线性耦合的问题，基于单光束测量的差分波前干涉仪存在角度耦合非线性和角度测量范围较小的问题，严重限制了激光干涉仪三自由度测量能力的提高。
发明内容
本发明针对以上现有三自由度测量激光干涉仪的缺点和不足，提出了一种基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪，以达到综合提高三自由度激光干涉仪的测量精度和角度量程的目的。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
(1)一种基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪，包括：单一频率的第一输入光束、迈克尔逊干涉结构、双线阵探测与图像解耦模块；
所述迈克尔逊干涉结构包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一分光面、固定的参考平面反射镜以及可移动的目标平面反射镜且所述第一分光面镀有偏振分光膜；所述第一输入光束为线偏振激光，入射至迈克尔逊干涉结构后被分成第一测量光束和第一参考光束；第一测量光束被目标平面反射镜至少反射一次且第一参考光束被参考平面反射镜至少反射一次；并且第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束空间干涉条纹图像。
(2)所述的固定的参考平面反射镜的反射面与第一参考光束不垂直，使得第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中非共轴传输。
(3)所述的双线阵探测与图像解耦模块包括第一线阵相机和第二线阵相机；其中第一线阵相机的探测面中心位于所述第一单光束空间干涉条纹图像的中心位置，第二线阵相机的探测面中心不位于所述第一单光束空间干涉条纹图像的中心位置。
(4)所述的激光干涉仪，其三自由度解耦方法可对每一帧所述第一单光束空间干涉条纹图像实现三自由度信号线性解耦；所述三自由度解耦方法包括：
步骤一，在双线阵相机探测到的空间干涉条纹图像中，第一线阵相机选择经过空间干涉条纹图像中心的一行作为第一水平独立分量；第二线阵相机选择不经过空间干涉条纹图像中心的一行作为第二水平独立分量；
步骤二，目标平面反射镜相对于固定的参考平面反射镜的位移与第一水平独立分量的相位呈现出正比规律，对第一水平独立分量进行离散傅里叶变换后，在信号相位谱中的相应频率分量上可获得其相位值，由此相位值可解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的位移；
步骤三，目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆角与第一水平独立分量的空间频率呈现出正比规律，对第一水平独立分量进行离散傅里叶变换后，在信号幅度谱中可以获得其空间频率，由此空间频率可解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆角；
步骤四，目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的俯仰角与第一水平独立分量和第二水平独立分量的相位差呈现出正比规律，对第一水平独立分量和第二水平独立分量分别进行离散傅里叶变换后，在信号相位谱中的相应频率分量上可分别获得其相位值并得到第一水平独立分量和第二水平独立分量的相位差，由此相位差可解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的俯仰角。
本发明具有以下特点及优势：
(1)本发明中，所提出的激光干涉仪对单光束空间干涉条纹图像实现了三自由度信号的线性解耦。
(2)本发明中，所提出的激光干涉仪周期非线性误差源少，仅来源于多重反射，且没有使用正交探测器，故不存在正交探测中的交流信号幅值不均等、直流偏置、信号非正交等问题。
(3)本发明中，所提出的激光干涉仪角度测量范围大，可达10mrad。首先，本发明不存在角度解耦非线性问题，角度测量范围也就不受解耦线性区间的限制。其次，角度偏转产生的空间条纹会降低传统方法中干涉信号的对比度，而本发明利用该条纹本身进行角度测量，在原理上提升了其角度测量范围。
(4)本发明中，所提出的激光干涉仪存在光路简洁、元器件少、不使用偏振器件等特点，利于工程中的实现，并且在实现难易度、集成性、性价比等方面都具有优势。
附图说明
图1是本发明的激光干涉仪测量系统结构示意图；
图2是本发明一具体实施例的激光干涉仪测量系统结构示意图；
图1中件号说明：1激光光源、2上位机、3双线阵探测与图像解耦模块、4第二四分之一波片、5固定的参考平面反射镜、6镀有偏振分光膜的分光面、7第一四分之一波片、8可移动的目标平面反射镜；
图2中件号说明：9激光光源、10上位机、11第二分光面、12第一线阵相机、13第二线阵相机、14第二四分之一波片、15固定的参考平面反射镜、16第一分光面、17第一四分之一波片、18可移动的目标平面反射镜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提出的激光干涉仪具体实施例进行详细描述。
如图2所示的基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪，包括激光光源9、上位机10、第二分光面11、第一线阵相机12、第二线阵相机13、第二四分之一波片14、固定的参考平面反射镜15、第一分光面16、第一四分之一波片17、可移动的目标平面反射镜18；其中激光光源1提供第一输入光束；固定的参考平面反射镜15、第一分光面16、第二四分之一波片14、第一四分之一波片17以及可移动的目标平面反射镜18组成迈克尔逊干涉结构，且第一分光面镀有偏振分光膜；上位机10、第二分光面11、第一线阵相机12以及第二线阵相机13组成双线阵探测与图像解耦模块，且第二分光面镀有非偏振分光膜；令固定的参考平面反射镜15的反射面与第一参考光束不垂直，使得第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中非共轴传输，并且该反射面与如图2所示的虚线基准面呈现微小夹角，该夹角通常在毫弧度量级。
如图2所示，该激光干涉仪工作原理如下：所述第一输入光束入射至第一分光面16后其反射光束和透射光束分别形成第一测量光束和第一参考光束；其中第一测量光束经过第一四分之一波片17并接触可移动的目标平面反射镜18后被反射并经过第一分光面16后透射输出；同时，第一参考光束经过第二四分之一波片14并接触固定的参考平面反射镜15后被反射并经过第一分光面16后反射输出；输出的第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束空间干涉条纹图像；第一线阵相机12和第二线阵相机13通过第二分光面11的分光作用同时接受第一单光束空间干涉条纹图像，其中第一线阵相机12的探测面中心位于所述第一单光束空间干涉条纹图像的中心位置，第二线阵相机13的探测面中心不位于所述第一单光束空间干涉条纹图像的中心位置；上位机10通过所述三自由度解耦方法可对每一帧所述第一单光束空间干涉条纹图像实现三自由度信号线性解耦以得到目标平面反射镜18相对于固定的参考平面反射镜15的偏摆角、俯仰角以及位移信息，所述三自由度解耦方法包括：
步骤一，在双线阵相机探测到的空间干涉条纹图像中，第一线阵相机12选择经过空间干涉条纹图像中心的一行作为第一水平独立分量；第二线阵相机13选择不经过空间干涉条纹图像中心的一行作为第二水平独立分量；
步骤二，目标平面反射镜18相对于参考平面反射镜15的位移与第一水平独立分量的相位呈现出正比规律，对第一水平独立分量进行离散傅里叶变换后，在信号相位谱中的相应频率分量上可获得其相位值，由此相位值可解算出目标平面反射镜18相对于参考平面反射镜15的位移；
步骤三，目标平面反射镜18相对于参考平面反射镜15的偏摆角与第一水平独立分量的空间频率呈现出正比规律，对第一水平独立分量进行离散傅里叶变换后，在信号幅度谱中可以获得其空间频率，由此空间频率可解算出目标平面反射镜18相对于参考平面反射镜15的偏摆角；
步骤四，目标平面反射镜18相对于参考平面反射镜15的俯仰角与第一水平独立分量和第二水平独立分量的相位差呈现出正比规律，对第一水平独立分量和第二水平独立分量分别进行离散傅里叶变换后，在信号相位谱中的相应频率分量上可分别获得其相位值并得到第一水平独立分量和第二水平独立分量的相位差，由此相位差可解算出目标平面反射镜18相对于参考平面反射镜15的俯仰角。

Claims (2)

1.一种基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪，包括：单一频率的第一输入光束、迈克尔逊干涉结构、双线阵探测与图像解耦模块；
其特征在于：所述迈克尔逊干涉结构包括第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一分光面、固定的参考平面反射镜以及可移动的目标平面反射镜且所述第一分光面镀有偏振分光膜；所述第一输入光束为线偏振激光，入射至迈克尔逊干涉结构后被分成第一测量光束和第一参考光束；第一测量光束被目标平面反射镜至少反射一次且第一参考光束被参考平面反射镜至少反射一次；并且第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束空间干涉条纹图像；
该双线阵探测与图像解耦模块包括第一线阵相机和第二线阵相机；其中第一线阵相机的探测面中心位于所述第一单光束空间干涉条纹图像的中心位置，第二线阵相机的探测面中心不位于所述第一单光束空间干涉条纹图像的中心位置；
所述激光干涉仪的三自由度解耦方法可对每一帧所述第一单光束空间干涉条纹图像实现三自由度信号线性解耦；所述三自由度解耦方法包括：
步骤一，在双线阵相机探测到的空间干涉条纹图像中，第一线阵相机选择经过空间干涉条纹图像中心的一行作为第一水平独立分量；第二线阵相机选择不经过空间干涉条纹图像中心的一行作为第二水平独立分量；
步骤二，目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的位移与第一水平独立分量的相位呈现出正比规律，对第一水平独立分量进行离散傅里叶变换后，在信号相位谱中的相应频率分量上可获得其相位值，由此相位值可解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的位移；
步骤三，目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆角与第一水平独立分量的空间频率呈现出正比规律，对第一水平独立分量进行离散傅里叶变换后，在信号幅度谱中可以获得其空间频率，由此空间频率可解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆角；
步骤四，目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的俯仰角与第一水平独立分量和第二水平独立分量的相位差呈现出正比规律，对第一水平独立分量和第二水平独立分量分别进行离散傅里叶变换后，在信号相位谱中的相应频率分量上可分别获得其相位值并得到第一水平独立分量和第二水平独立分量的相位差，由此相位差可解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的俯仰角。
2.根据权利要求1所述的基于双线阵相机的单光束三自由度激光干涉仪，其特征在于：所述固定的参考平面反射镜的反射面与第一参考光束不垂直，使得第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中非共轴传输。
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