CN113418453B - 一种双激光干涉纳米级定位测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双激光干涉纳米级定位测量系统，包括：光源、第一分束棱镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第二分束棱镜、标量干涉光采集模块、矢量干涉光采集模块和位移计算模块。本发明中的光电探测器采集待测物体位置移动过程中的反射干涉光的光强，并生成周期性的光强变化曲线，CCD相机采集待测物体位置移动前后的涡旋干涉光电的图像，根据光强变化曲线的整数周期与待测物体位置移动前后的涡旋干涉光的图像的变化的角度计算待测问题的位移量，光电探测器采集的反射干涉光为标量信号，CCD相机采集的涡旋干涉光为矢量信号，将二者综合计算位移量，在提高测量的分辨率的同时实现了干涉信号的快速采集与解调。

Description

一种双激光干涉纳米级定位测量系统

技术领域

本发明涉及位移测量技术领域，特别是涉及一种双激光干涉纳米级定位测量系统。

背景技术

基于激光干涉原理的微纳位移测量技术是目前最常用的微纳位移测量方法。首次使用迈克尔逊干涉仪进行实验后，干涉仪得到了快速发展，被广泛应用于长度、角度、微观形貌等测量领域。目前，针对基于激光干涉仪的位移测量研究多集中于测量分辨力和稳定性的提升。普通标量光场干涉信号具有干涉条纹明暗边界明显的优点，但是相对于涡旋光场干涉信号存在着直接对干涉信号相位细分缺乏基准的缺点。一种可应用于计量标准装置的多自由度激光干涉系统，使用多倍程的光路设计实现了测量分辨力的提升。基于矢量涡旋光场干涉的纳米位移测量系统，利用矢量涡旋光场原始干涉信号更高的细分倍数，提高了纳米位移测量的分辨力。矢量涡旋光场干涉条纹呈花瓣状，且随着位移的变化干涉条纹会发生旋转，所以相比于传统的矢量光场具有360°的自然基准。但是同时矢量涡旋光场干涉条纹的数量相比于标量光场更多，信号采集解调更加困难。

当前，还缺乏一种同时使用矢量涡旋光场和标量光场进行纳米位移测量，从而有效提高干涉仪测量分辨力的同时也可以实现干涉信号的快速采集与解调的光学系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种双激光干涉纳米级定位测量系统，在提高测量的分辨率的同时实现了干涉信号的快速采集与解调。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双激光干涉纳米级定位测量系统，包括：光源、第一分束棱镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第二分束棱镜、标量干涉光采集模块、矢量干涉光采集模块和位移计算模块；

所述光源用于发出激光；

所述第一分束棱镜设置于所述激光的出射光路上；所述第一分束棱镜用于将所述激光分成第一透射光和第一反射光；

所述第一直角棱镜设置于待测物体表面，且位于所述第一透射光的出射光路上；所述第一直角棱镜用于改变所述第一透射光的方向，得到第二透射光，并将所述第二透射光发送至所述第一分束棱镜；

所述第二直角棱镜设置于所述第一反射光的出射光路上；所述第二直角棱镜用于改变所述第一反射光的方向，得到第二反射光，并将所述第二反射光发送至所述第一分束棱镜；

所述第一分束棱镜还用于使得所述第二透射光和所述第二反射光汇聚干涉，得到标量干涉光；

所述第二分束棱镜设置于所述标量干涉光的出射光路上；所述第二分束棱镜用于将所述标量干涉光分为反射干涉光和透射干涉光；

所述标量干涉光采集模块设置于所述反射干涉光的出射光路上；所述标量干涉光采集模块用于采集所述反射干涉光；

所述矢量干涉光采集模块设置于所述反射干涉光的出射光路上；

所述矢量干涉光采集模块用于：

接收所述透射干涉光，并对所述透射干涉光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光；

采集所述干涉涡旋光；

所述位移计算模块分别与所述标量干涉光采集模块和所述矢量干涉光采集模块连接；所述位移计算模块用于根据所述待测物体位置移动前后的反射干涉光和所述待测物体位置移动前后的干涉涡旋光计算所述待测物体的位移。

可选的，所述矢量干涉光采集模块包括：矢量干涉光生成单元和矢量干涉光采集单元；

所述矢量干涉光生成单元设置于所述反射干涉光的出射光路上；所述矢量干涉光生成单元用于接收所述透射干涉光，并对所述透射干涉光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光；

所述矢量干涉光采集单元设置于所述干涉涡旋光的出射光路上；所述矢量干涉光采集单元用于采集所述干涉涡旋光。

可选的，所述标量干涉光采集模块包括：光电探测器；所述光电探测器设置于所述反射干涉光的出射光路上；

所述光电探测器用于采集所述反射干涉光。

可选的，所述矢量干涉光生成单元包括：涡旋半波片和道威棱镜；

所述涡旋半波片设置于所述透射干涉光的出射光路上；所述涡旋半波片用于将所述透射干涉光调制成涡旋光；

所述道威棱镜用于：

接收所述涡旋光，并将所述涡旋光分为反射光和折射光；

使得所述折射光发生全反射，得到全反射光；

将所述反射光和所述全反射光进行干涉，得到所述干涉涡旋光。

可选的，所述矢量干涉光采集单元为CCD相机。

可选的，所述标量干涉光采集模块还包括：第一激光扩束镜；所述第一激光扩束镜设置于所述反射干涉光的出射光路上，且位于所述光电探测器和所述第二分束棱镜之间；

所述第一激光扩束镜用于放大所述反射干涉光。

可选的，所述矢量干涉光采集模块还包括：第二激光扩束镜；所述第二激光扩束镜设置于所述干涉涡旋光的出射光路上，且位于所述矢量干涉光生成单元和所述矢量干涉光采集单元之间；

所述第二激光扩束镜用于放大所述干涉涡旋光。

可选的，所述双激光干涉纳米级定位测量系统还包括：第三直角棱镜；所述第三直角棱镜设置于所述标量干涉光的出射光路上，且位于所述第一分束棱镜与所述第二分束棱镜之间；

所述第三直角棱镜用于改变所述标量干涉光的方向。

可选的，所述位移计算模块还包括：第一位移计算单元、第二位移计算单元和第三位移计算单元；所述第一位移计算单元与所述标量干涉光采集模块连接，所述第二位移计算单元与所述矢量干涉光采集模块连接，所述第三位移计算单元分别与所述第一位移计算单元和所述第二位移计算单元连接；

所述第一位移计算单元用于根据所述待测物体位置移动前后的反射干涉光计算第一位移；

所述第二位移计算单元用于根据所述待测物体位置移动前后的干涉涡旋光计算第二位移；

所述第三位移计算单元用于根据所述第一位移和所述第二位移计算所述待测物体的位移。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种双激光干涉纳米级定位测量系统，包括：光源、第一分束棱镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第二分束棱镜、标量干涉光采集模块、矢量干涉光采集模块和位移计算模块。本发明中的光电探测器采集待测物体位置移动过程中的反射干涉光的光强，并生成周期性的光强变化曲线，CCD相机采集待测物体位置移动前后的涡旋干涉光电的图像，根据光强变化曲线的整数周期与待测物体位置移动前后的涡旋干涉光的图像的变化的角度计算待测问题的位移量，光电探测器采集的反射干涉光为标量信号，CCD相机采集的涡旋干涉光为矢量信号，将二者综合计算位移量，在提高测量的分辨率的同时实现了干涉信号的快速采集与解调。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的双激光干涉纳米级定位测量系统结构示意图。

符号说明：1-激光，2-第一分束棱镜，3-第一直角棱镜，4-第二直角棱镜，5-第二分束棱镜，6-光电探测器，7-涡旋半波片，8-道威棱镜，9-CCD相机，10-第一激光扩束镜，11-第二激光扩束镜，12-第三直角棱镜。

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。

本发明的目的是提供一种双激光干涉纳米级定位测量系统，旨在提高测量的分辨率的同时实现干涉信号的快速采集与解调，可应用于位移测量技术领域。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的双激光干涉纳米级定位测量系统结构示意图。如图1所示，本实施例中的双激光干涉纳米级定位测量系统，包括：光源、第一分束棱镜2、第一直角棱镜3、第二直角棱镜4、第二分束棱镜5、标量干涉光采集模块、矢量干涉光采集模块和位移计算模块。

光源用于发出激光。

第一分束棱镜2设置于激光的出射光路上；第一分束棱镜2用于将激光分成第一透射光和第一反射光。具体的，第一分束棱镜2为非偏振分束棱镜。

第一直角棱镜3设置于待测物体表面，且位于第一透射光的出射光路上；第一直角棱镜3用于改变第一透射光的方向，得到第二透射光，并将第二透射光发送至第一分束棱镜2。

第二直角棱镜4设置于第一反射光的出射光路上；第二直角棱镜4用于改变第一反射光的方向，得到第二反射光，并将第二反射光发送至第一分束棱镜2。

第一分束棱镜2还用于使得第二透射光和第二反射光汇聚干涉，得到标量干涉光。

第二分束棱镜5设置于标量干涉光的出射光路上；第二分束棱镜5用于将标量干涉光分为反射干涉光和透射干涉光。具体的，第二分束棱镜5为非偏振分束棱镜。

标量干涉光采集模块设置于反射干涉光的出射光路上；标量干涉光采集模块用于采集反射干涉光。

矢量干涉光采集模块设置于反射干涉光的出射光路上。

矢量干涉光采集模块用于：

接收透射干涉光，并对透射干涉光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光。

采集干涉涡旋光。

位移计算模块分别与标量干涉光采集模块和矢量干涉光采集模块连接；位移计算模块用于根据待测物体位置移动过程中的反射干涉光和待测物体位置移动前后的干涉涡旋光计算待测物体的位移。

作为一种可选的实施方式，矢量干涉光采集模块包括：矢量干涉光生成单元和矢量干涉光采集单元。

矢量干涉光生成单元设置于反射干涉光的出射光路上；矢量干涉光生成单元用于接收透射干涉光，并对透射干涉光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光。

矢量干涉光采集单元设置于干涉涡旋光的出射光路上；矢量干涉光采集单元用于采集干涉涡旋光。

作为一种可选的实施方式，标量干涉光采集模块包括：光电探测器6；光电探测器6设置于反射干涉光的出射光路上。

光电探测器6用于采集反射干涉光。具体的，光电探测器6采集待测物体位置移动过程中的标量干涉光的光强，并生成周期性的光强变化曲线。

作为一种可选的实施方式，矢量干涉光生成单元包括：涡旋半波片7和道威棱镜8。

涡旋半波片7设置于透射干涉光的出射光路上；涡旋半波片7用于将透射干涉光调制成涡旋光。

道威棱镜8用于：

接收涡旋光，并将涡旋光分为反射光和折射光。

使得折射光发生全反射，得到全反射光。

将反射光和全反射光进行干涉，得到干涉涡旋光。

具体的，道威棱镜8的一侧（即涡旋光入射侧的对侧）镀有反射膜，涡旋光到达道威棱镜8的入射侧时，进行反射和折射生成反射光和折射光，反射光反射到外面，折射光进入道威棱镜8的内部，由于反射膜的存在，折射光在道威棱镜8的内部会发生5次全反射，得到全反射光；该全反射光重新汇到道威棱镜8的入射侧，在入射点处于反射光发生矢量涡旋光场的干涉，得到干涉涡旋光。

作为一种可选的实施方式，矢量干涉光采集单元为CCD相机9。具体的，CCD相机9采集待测物体位置移动前后的涡旋干涉光电的图像。

作为一种可选的实施方式，标量干涉光采集模块还包括：第一激光扩束镜10；第一激光扩束镜10设置于反射干涉光的出射光路上，且位于光电探测器6和第二分束棱镜5之间。

第一激光扩束镜10用于放大反射干涉光。

在实际应用中，由于光源1发射激光的光斑较小，生成的反射干涉光可能尺寸较小，不易采集，经过第一激光扩束镜10的扩束，方便了光电探测器6对反射干涉光的采集。

作为一种可选的实施方式，矢量干涉光采集模块还包括：第二激光扩束镜11；第二激光扩束镜11设置于干涉涡旋光的出射光路上，且位于矢量干涉光生成单元和矢量干涉光采集单元之间。

第二激光扩束镜11用于放大干涉涡旋光。

在实际应用中，由于光源1发射激光的光斑较小，生成的反射干涉光可能尺寸较小，进一步，生成的干涉涡旋光不易采集，经过第二激光扩束镜11的扩束，方便了CCD相机9对干涉涡旋光的采集。

作为一种可选的实施方式，还包括：第三直角棱镜12；第三直角棱镜12设置于标量干涉光的出射光路上，且位于第一分束棱镜2与第二分束棱镜5之间。

第三直角棱镜12用于改变标量干涉光的方向。

具体的，设置第三直角棱镜12在于使得光路更加整齐，使得各个光学器件的布局更加完善，第三直角棱镜12使得标量干涉光的传输方向旋转了90度。

作为一种可选的实施方式，位移计算模块还包括：第一位移计算单元、第二位移计算单元和第三位移计算单元；第一位移计算单元与标量干涉光采集模块连接，第二位移计算单元与矢量干涉光采集模块连接，第三位移计算单元分别与第一位移计算单元和第二位移计算单元连接。

第一位移计算单元用于根据待测物体位置移动过程中的反射干涉光计算第一位移。

具体的，根据周期性的光强变化曲线获得在待测物体移动过程中光强变化的周期数，取其中最大的整数周期数，最大的整数周期数和激光的波长的一半相乘即为第一位移。

第二位移计算单元用于根据待测物体位置移动前后的干涉涡旋光计算第二位移。

具体的，根据CCD相机9采集的待测物体位置移动前后的涡旋干涉光电的图像（为花瓣状图像），来获得待测物体位置移动前后的花瓣状图像的角度差，角度差与激光的波长的一半相乘即为第二位移。

第三位移计算单元用于根据第一位移和第二位移计算待测物体的位移。

具体的，待测物体的位移为第一位移与第二位移之和。

具体的，光的传输路径如下：

光源1发出的激光经过第一分束棱镜2的分束生成第一透射光和第一反射光；第一透射光经过第一直角路径改变其传输方向后得到第二透射光，第二透射光返回到第一分束棱镜2；第一反射光经过第二直角路径改变其传输方向后得到第二反射光，第二反射光返回到第一分束棱镜2；第二透射光和第二反射光在第一分束棱镜2处汇聚干涉，得到标量干涉光。

标量干涉光经过第三直角棱镜12改变方向后进入第二分束棱镜5（或不经过第三直角棱镜12，直接从第一分束棱镜2进入第二分束棱镜5），在第二分束棱镜5的分束作用下，将标量干涉光分为反射干涉光和透射干涉光。

反射干涉光经过第一激光扩束镜10的扩束作用后，光电探测器6采集反射干涉光生成的标量干涉图像或者不经过第一激光扩束镜10的扩束作用，光电探测器6直接采集反射干涉光生成的标量干涉图像。

透射干涉光经过涡旋半波片7后，涡旋半波片7将透射干涉光调制成涡旋光；调制成涡旋光进入道威棱镜8，经过道威棱镜8的作用（上面有具体描述）得到干涉涡旋光。

干涉涡旋光经过第二激光扩束镜11的扩束作用后，CCD相机9采集干涉涡旋光形成的花瓣状图像或者不经过第二激光扩束镜11的扩束作用，CCD相机9直接采集干涉涡旋光形成的花瓣状图像。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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装置及其核心思想；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 (7)

1.一种双激光干涉纳米级定位测量系统，其特征在于，包括：光源、第一分束棱镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第二分束棱镜、标量干涉光采集模块、矢量干涉光采集模块和位移计算模块；

所述光源用于发出激光；

所述第一分束棱镜设置于所述激光的出射光路上；所述第一分束棱镜用于将所述激光分成第一透射光和第一反射光；

所述第一直角棱镜设置于待测物体表面，且位于所述第一透射光的出射光路上；所述第一直角棱镜用于改变所述第一透射光的方向，得到第二透射光，并将所述第二透射光发送至所述第一分束棱镜；

所述第二直角棱镜设置于所述第一反射光的出射光路上；所述第二直角棱镜用于改变所述第一反射光的方向，得到第二反射光，并将所述第二反射光发送至所述第一分束棱镜；

所述第一分束棱镜还用于使得所述第二透射光和所述第二反射光汇聚干涉，得到标量干涉光；

所述第二分束棱镜设置于所述标量干涉光的出射光路上；所述第二分束棱镜用于将所述标量干涉光分为反射干涉光和透射干涉光；

所述标量干涉光采集模块设置于所述反射干涉光的出射光路上；所述标量干涉光采集模块用于采集所述反射干涉光；

所述矢量干涉光采集模块设置于所述透射干涉光的出射光路上；

所述矢量干涉光采集模块用于：

接收所述透射干涉光，并对所述透射干涉光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光；

采集所述干涉涡旋光；

所述位移计算模块分别与所述标量干涉光采集模块和所述矢量干涉光采集模块连接；所述位移计算模块用于根据所述待测物体位置移动过程中的反射干涉光和所述待测物体位置移动前后的干涉涡旋光计算所述待测物体的位移；位移计算模块还包括：第一位移计算单元、第二位移计算单元和第三位移计算单元；第一位移计算单元与标量干涉光采集模块连接，第二位移计算单元与矢量干涉光采集模块连接，第三位移计算单元分别与第一位移计算单元和第二位移计算单元连接；

第一位移计算单元用于根据待测物体位置移动过程中的反射干涉光计算第一位移；

具体的，根据周期性的光强变化曲线获得在待测物体移动过程中光强变化的周期数，取其中最大的整数周期数，最大的整数周期数和激光的波长的一半相乘即为第一位移；

第二位移计算单元用于根据待测物体位置移动前后的干涉涡旋光计算第二位移；

具体的，根据CCD相机采集的待测物体位置移动前后的涡旋干涉光电的图像，来获得待测物体位置移动前后的花瓣状图像的角度差，角度差与激光的波长的一半相乘即为第二位移；

第三位移计算单元用于根据第一位移和第二位移计算待测物体的位移；

具体的，待测物体的位移为第一位移与第二位移之和；

所述矢量干涉光采集模块包括：矢量干涉光生成单元和矢量干涉光采集单元；

所述矢量干涉光生成单元设置于所述透射干涉光的出射光路上；所述矢量干涉光生成单元用于接收所述透射干涉光，并对所述透射干涉光进行涡旋干涉，得到干涉涡旋光；

所述矢量干涉光采集单元设置于所述干涉涡旋光的出射光路上；所述矢量干涉光采集单元用于采集所述干涉涡旋光；

所述矢量干涉光生成单元包括：涡旋半波片和道威棱镜；

所述涡旋半波片设置于所述透射干涉光的出射光路上；所述涡旋半波片用于将所述透射干涉光调制成涡旋光；

所述道威棱镜用于：

接收所述涡旋光，并将所述涡旋光分为反射光和折射光；

使得所述折射光发生全反射，得到全反射光；

将所述反射光和所述全反射光进行干涉，得到所述干涉涡旋光。

2.根据权利要求1所述的双激光干涉纳米级定位测量系统，其特征在于，所述标量干涉光采集模块包括：光电探测器；所述光电探测器设置于所述反射干涉光的出射光路上；

所述光电探测器用于采集所述反射干涉光。

3.根据权利要求1所述的双激光干涉纳米级定位测量系统，其特征在于，所述矢量干涉光采集单元为CCD相机。

4.根据权利要求2所述的双激光干涉纳米级定位测量系统，其特征在于，所述标量干涉光采集模块还包括：第一激光扩束镜；所述第一激光扩束镜设置于所述反射干涉光的出射光路上，且位于所述光电探测器和所述第二分束棱镜之间；

所述第一激光扩束镜用于放大所述反射干涉光。

5.根据权利要求1所述的双激光干涉纳米级定位测量系统，其特征在于，所述矢量干涉光采集模块还包括：第二激光扩束镜；所述第二激光扩束镜设置于所述干涉涡旋光的出射光路上，且位于所述矢量干涉光生成单元和所述矢量干涉光采集单元之间；

所述第二激光扩束镜用于放大所述干涉涡旋光。

6.根据权利要求1所述的双激光干涉纳米级定位测量系统，其特征在于，还包括：第三直角棱镜；所述第三直角棱镜设置于所述标量干涉光的出射光路上，且位于所述第一分束棱镜与所述第二分束棱镜之间；

所述第三直角棱镜用于改变所述标量干涉光的方向。

7.根据权利要求1所述的双激光干涉纳米级定位测量系统，其特征在于，所述位移计算模块还包括：第一位移计算单元、第二位移计算单元和第三位移计算单元；所述第一位移计算单元与所述标量干涉光采集模块连接，所述第二位移计算单元与所述矢量干涉光采集模块连接，所述第三位移计算单元分别与所述第一位移计算单元和所述第二位移计算单元连接；

所述第一位移计算单元用于根据所述待测物体位置移动过程中的反射干涉光计算第一位移；

所述第二位移计算单元用于根据所述待测物体位置移动前后的干涉涡旋光计算第二位移；

所述第三位移计算单元用于根据所述第一位移和所述第二位移计算所述待测物体的位移。

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