CN115755420A - 一种衍射光栅干涉光路合束装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及衍射光干涉测量系统技术领域，特别是涉及一种衍射光栅干涉光路合束装置及方法。包括激光器、平凸透镜、光电接收器、不规则五角棱镜组、衍射光栅。所述平凸透镜安装于所述激光器的前端，所述不规则五角棱镜组安装于所述平凸透镜的前端，所述衍射光栅安装于所述不规则五角棱镜组的前端，所述激光器、平凸透镜、不规则五角棱镜组、衍射光栅的中心在一条直线上，两个所述光电接收器分别对称安装于不规则五角棱镜组靠近所述平凸透镜的两个平面上。本发明利用不规则五角镜对称安放，实现同级衍射光准确发生干涉，将两个五角镜的接触面之间胶合设置，大大简化了光路调整工作。

Description

一种衍射光栅干涉光路合束装置及方法

技术领域

本发明涉及衍射光干涉测量系统技术领域，特别是涉及一种衍射光栅干涉光路合束装置及方法。

背景技术

目前，激光干涉测量原理广泛应用于高精度位移测量中，产生干涉信号的方法决定了整体光机结构的构成，也会影响测量结果稳定性和可靠性。经典干涉测量仪一般采用迈克尔逊型和法布里-珀罗型干涉测量系统，即通过一到两次的折反射，将光源发射光分路为参考光和反射光，并将两束光在合束探测面上发生干涉，以上两种构型可以归纳为使用几何光学方法将一束光分解为频率相等、振幅方向相同、相位差恒定的两路光。另一种形式是采用物理光学分光方法，采用衍射光栅作为分光元器件，利用入射光经过衍射光栅分解为多级衍射光的方式，选择相同级次的正负衍射光，并通过反射、合束过程，将同级次光束合束在探测面上发生干涉。

现有技术中的使用几何光学分光方法中所用到的光学器件为普通分光镜、反射镜，光学加工工艺相对简单，但分光部分易受外界激励干扰发生移位现象，导致后端两路光线无法交汇；应用物理分光方法，可以稳定两路光反射角，但后端合束光路调整较为不便，且后端光路合束部分依然会受到外部激励影响而影响干涉条纹质量，因此迫切需要改进。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种衍射光栅干涉光路合束装置及方法，能够优化现有衍射光干涉光路的结构形式，利用不规则五角镜对称安放，实现同级衍射光准确发生干涉，避免外部激励对干涉光路的影响，简化光路结构。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种衍射光栅干涉光路合束装置，包括：

激光器；

平凸透镜，其安装于所述激光器的前端；

不规则五角棱镜组，其安装于所述平凸透镜的前端；

衍射光栅，其安装于所述不规则五角棱镜组的前端；

所述激光器、平凸透镜、不规则五角棱镜组、衍射光栅的中心在一条直线上；

两个光电接收器，两个所述光电接收器分别对称安装于不规则五角棱镜组靠近所述平凸透镜的两个平面上。

在本发明的一实施例中，所述激光器的出光口径与所述平凸透镜之间的距离等于平凸透镜的焦距。

在本发明的一实施例中，所述不规则五角棱镜组包括第一五角镜和第二五角镜，所述第一五角镜和第二五角镜的形状相同，且所述第一五角镜和第二五角镜之间对称设置。

在本发明的一实施例中，所述第一五角镜和第二五角镜的直角长边即为接触面之间胶合设置。

在本发明的一实施例中，所述第一五角镜的长边一侧和第二五角镜的长边一侧均设置有半反半透膜。

在本发明的一实施例中，所述第一五角镜和第二五角镜的材质为玻璃。

在本发明的一实施例中，所述激光器为氦氖激光器。

本发明还提供一种衍射光栅干涉光路合束方法，包括上述的衍射光栅干涉光路合束装置，所述衍射光栅干涉光路合束方法包括：

S1、所述激光器出射光源；

S2、调整所述平凸透镜的位置，使所述光源在平凸透镜的焦平面上，所述光源的出射光经过平凸透镜后准直扩束；

S3、所述光源的光线经过所述不规则五角棱镜组入射至所述衍射光栅上；

S4、所述光源的入射光到所述衍射光栅后，反射出两路光线，根据光的衍射原理，确定所述光源的入射光到所述衍射光栅后的反射角值，所述反射角值由所述光源的光线波长和所述衍射光栅的衍射级次决定；

S5、通过所述衍射光栅的光栅方程推算初始入射至所述不规则五角棱镜组的角度值即为入射角度值；

S6、根据折射定律，依次确定所述光源在所述不规则五角棱镜组的第一个面的光线折射角和在不规则五角棱镜组内部的第二个面的反射角；

S7、当光源的两路光线分别到达所述不规则五角棱镜组的第三个面即为胶合面时，同时进行透射和反射，在第一五角镜和第二五角镜中分别得到频率相等、振幅方向相同、光程差相等的两路相干光；

S8、两路所述相干光分别经过两个光电接收器，得到两路电压信号。

在本发明的一实施例中，所述S5中的通过所述衍射光栅的光栅方程推算初始入射至所述不规则五角棱镜组的角度值即为入射角度值包括：

通过所述衍射光栅的光栅方程计算入射角度值β，sinβ×d=mλ，其中，β为光线入射角度值，单位为度，d为光栅常数，单位为线每毫米，m为衍射级次，λ为激光波长，单位为纳米。

在本发明的一实施例中，所述S6中的根据折射定律，依次确定所述光源在所述不规则五角棱镜组的第一个面的光线折射角和在不规则五角棱镜组内部的第二个面的反射角包括：

根据折射定律，确定所述光源在所述不规则五角棱镜组的第一个面的光线折射角i，

，其中，i为折射角，单位为度，n′为玻璃折射率；

推导得出i+2i′=135°，得到所述光源在不规则五角棱镜组内部的第二个面的反射角i′。

如上所述，本发明的一种衍射光栅干涉光路合束装置及方法，具有以下有益效果：

本发明的衍射光栅干涉光路合束装置优化了现有衍射光干涉光路的结构形式，利用不规则五角镜对称安放，实现同级衍射光准确发生干涉，将两个五角镜的接触面之间胶合设置，大大简化了光路调整工作。

本发明的衍射光栅干涉光路合束装置使用不规则五角棱镜组替代多组反射镜、合束镜，可以省去调整反射镜、合束镜的相对位置关系，本发明既能保证干涉条纹的质量，又能有效避免外部激励对干涉光路的影响，简化光路结构调整。

本发明的衍射光栅干涉光路合束装置在后续的光电转换信号处理中，可以根据两路共模光信号的使用要求，进行二次分光处理，拓展了信号处理方法。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种衍射光栅干涉光路合束装置的平面结构图；

图2为本申请实施例提供的一种衍射光栅干涉光路合束装置的五角镜的平面结构图；

图3为本申请实施例提供的一种衍射光栅干涉光路合束方法的工作流程图。

元件标号说明

1 激光器

2 平凸透镜

3 光电接收器

4 不规则五角棱镜组

5 衍射光栅

6 胶合面

41 第一五角镜

42 第二五角镜。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，图1为本申请实施例提供的一种衍射光栅干涉光路合束装置的平面结构图。一种衍射光栅干涉光路合束装置，优化了现有衍射光干涉光路的结构形式，利用不规则五角镜对称安放，实现同级衍射光准确发生干涉，将两个五角镜的接触面之间胶合设置，大大简化了光路调整工作。具体包括激光器1、平凸透镜2、光电接收器3、不规则五角棱镜组4、衍射光栅5。所述平凸透镜2安装于所述激光器1的前端，所述不规则五角棱镜组4安装于所述平凸透镜2的前端，所述衍射光栅5安装于所述不规则五角棱镜组4的前端，所述激光器1、平凸透镜2、不规则五角棱镜组4、衍射光栅5的中心在一条直线上，两个所述光电接收器3分别对称安装于不规则五角棱镜组4靠近所述平凸透镜2的两个平面上。

具体的，选择频率稳定性较好的氦氖激光器（He-Ne激光器）作为光源，波长为633纳米。由于激光器出射具有一定发散角，且光斑直径较小。因此，在光源前端处放置一平凸透镜2，调整平凸透镜2的位置，使光源在平凸透镜2的焦平面上，光源出射光经平凸透镜2后准直扩束，光线经过不规则五角棱镜组4入射到衍射光栅5面上。根据光的衍射原理，明确光源入射光到衍射光栅5后的反射角值，由所述光源的光线波长和所述衍射光栅5的衍射级次决定，衍射级次选择光能量较大的一级衍射光，由光栅方程即可推算初始入射至不规则五角棱镜组4的角度值。

在确定入射角后，根据折射定律确定不规则五角棱镜组4的第一个面的光线折射角，再进一步确定在不规则五角棱镜组4内部第二个面的反射角。以上光线传播的流程同时在对称于胶合面6放置的两个五角镜中进行，当两路光线分别到达各自五角镜第三个面时，需同时进行透射、反射，才能达到两路相干光的干涉要求。因此，在两个五角镜的胶合面6处分别铺设50%-50%半反半透膜，50%-50%指的是光的投射光强和折射光强相等。由于膜层厚度的影响，上、下两路光的光程不同，因此，在上、下两个五角镜中可分别获得频率相等、振幅方向相同、光程差一定的两路相干光。上方布置的五角镜即为第一五角镜41的出射光、反射光与下方布置的五角镜即为第二五角镜42的反射光、出射光分别发生干涉。由于五角镜为光焦度为零的光学器件，光线在内部传播时，平行光射入、平行光射出。因此，两路相干光路最终可获得两组条纹间距相同的平行干涉条纹。

本发明可将±1级衍射光进行合束，发生干涉后再以两路光射出，通过后端两组光电接收器3，可将光电转换的信号进行差分处理，获得共模干扰小的电压信号，便于后续信号采集处理。

具体的，所述激光器1的出光口径与所述平凸透镜2之间的距离等于平凸透镜2的焦距。所述不规则五角棱镜组4包括第一五角镜41和第二五角镜42，所述第一五角镜41和第二五角镜42的形状相同，且所述第一五角镜41和第二五角镜42之间对称设置。所述第一五角镜41和第二五角镜42的直角长边即为接触面之间胶合设置。所述第一五角镜41的长边一侧和第二五角镜42的长边一侧均设置有半反半透膜。所述第一五角镜41和第二五角镜42的材质为玻璃。

请参阅图2、图3，图2为本申请实施例提供的一种衍射光栅干涉光路合束装置的五角镜的平面结构图。图3为本申请实施例提供的一种衍射光栅干涉光路合束方法的工作流程图。本发明还提供一种衍射光栅干涉光路合束方法，包括上述的衍射光栅干涉光路合束装置，所述衍射光栅干涉光路合束方法包括：

步骤S1、所述激光器1出射光源。

步骤S2、调整所述平凸透镜2的位置，使所述光源在平凸透镜2的焦平面上，所述光源的出射光经过平凸透镜2后准直扩束。

步骤S3、所述光源的光线经过所述不规则五角棱镜组4入射至所述衍射光栅5上。

步骤S4、所述光源的入射光到所述衍射光栅5后，反射出两路光线，根据光的衍射原理，确定所述光源的入射光到所述衍射光栅5后的反射角值，所述反射角值由所述光源的光线波长和所述衍射光栅5的衍射级次决定。

步骤S5、通过所述衍射光栅5的光栅方程推算初始入射至所述不规则五角棱镜组4的角度值即为入射角度值。

本发明中的关键光学元器件为不规则五角棱镜组4，其中，内角值定义两个直角，角CDE为135°，因此，确定α和ε和其中一个角值，即完成棱镜的关键设计。

光线传播规划路径如图2所示，入射光由AB面射入，以i角发生折射，BC面全反射面，入射光射入角为i′，然后再以45°斜入射至AE面，AE面镀有半反半透膜，光线经过后分成两路光，一路原方向射出、一路以45°反射射出。

具体的，所述步骤S5包括：通过所述衍射光栅5的光栅方程计算入射角度值β，sinβ×d=mλ，其中，β为光线入射角度值，单位为度，d为光栅常数，单位为线每毫米，m为衍射级次，λ为激光波长，单位为纳米。

步骤S6、根据折射定律，依次确定所述光源在所述不规则五角棱镜组4的第一个面的光线折射角和在不规则五角棱镜组4内部的第二个面的反射角。

具体的，所述步骤S6包括：根据折射定律，确定所述光源在所述不规则五角棱镜组4的第一个面的光线折射角i，

，其中，i为折射角，单位为度，n′为玻璃折射率；推导得出i+2i′=135°，得到所述光源在不规则五角棱镜组4内部的第二个面的反射角i′。

由QBGN四边形中，导出α和i、i′的关系式：i+i′=α，求出α，根据多边形闭合角值计算公式：（n-2）×180°=τ，在五边形ABCDE中，求出ε角值，因此，不规则五角棱镜组4的内角值均全部确定。

步骤S7、当光源的两路光线分别到达所述不规则五角棱镜组4的第三个面即为胶合面时，同时进行透射和反射，在第一五角镜41和第二五角镜42中分别得到频率相等、振幅方向相同、光程差相等的两路相干光。

步骤S8、两路所述相干光分别经过两个光电接收器3，得到两路电压信号。

具体的，±1级衍射光在不规则五角棱镜组4中进行两次反射，分别在BC面上进行一次全反射、在AE面上进行一次反射，并在AE面上完成一次透射。最终，光线在半反半透膜层AE面上发生干涉，干涉后光线再分成两路分别由各自棱镜CD面垂直射出，由两个独立的光电接收器3接收信号。

综上所述，本发明的衍射光栅干涉光路合束装置优化了现有衍射光干涉光路的结构形式，利用不规则五角镜对称安放，实现同级衍射光准确发生干涉，将两个五角镜的接触面之间胶合设置，大大简化了光路调整工作。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种衍射光栅干涉光路合束装置，其特征在于，包括：

激光器（1）；

平凸透镜（2），其安装于所述激光器（1）的前端；

不规则五角棱镜组（4），其安装于所述平凸透镜（2）的前端；

衍射光栅（5），其安装于所述不规则五角棱镜组（4）的前端；

所述激光器（1）、平凸透镜（2）、不规则五角棱镜组（4）、衍射光栅（5）的中心在一条直线上；

两个光电接收器（3），两个所述光电接收器（3）分别对称安装于不规则五角棱镜组（4）靠近所述平凸透镜（2）的两个平面上。

2.根据权利要求1所述的一种衍射光栅干涉光路合束装置，其特征在于：所述激光器（1）的出光口径与所述平凸透镜（2）之间的距离等于平凸透镜（2）的焦距。

3.根据权利要求2所述的一种衍射光栅干涉光路合束装置，其特征在于：所述不规则五角棱镜组（4）包括第一五角镜（41）和第二五角镜（42），所述第一五角镜（41）和第二五角镜（42）的形状相同，且所述第一五角镜（41）和第二五角镜（42）之间对称设置。

4.根据权利要求3所述的一种衍射光栅干涉光路合束装置，其特征在于：所述第一五角镜（41）和第二五角镜（42）的直角长边即为接触面之间胶合设置。

5.根据权利要求4所述的一种衍射光栅干涉光路合束装置，其特征在于：所述第一五角镜（41）的长边一侧和第二五角镜（42）的长边一侧均设置有半反半透膜。

6.根据权利要求5所述的一种衍射光栅干涉光路合束装置，其特征在于：所述第一五角镜（41）和第二五角镜（42）的材质为玻璃。

7.根据权利要求6所述的一种衍射光栅干涉光路合束装置，其特征在于：所述激光器（1）为氦氖激光器。

8.一种衍射光栅干涉光路合束方法，其特征在于，包括权利要求1至7任意一项所述的衍射光栅干涉光路合束装置，所述衍射光栅干涉光路合束方法包括：

S1、所述激光器（1）出射光源；

S2、调整所述平凸透镜（2）的位置，使所述光源在平凸透镜（2）的焦平面上，所述光源的出射光经过平凸透镜（2）后准直扩束；

S3、所述光源的光线经过所述不规则五角棱镜组（4）入射至所述衍射光栅（5）上；

S4、所述光源的入射光到所述衍射光栅（5）后，反射出两路光线，根据光的衍射原理，确定所述光源的入射光到所述衍射光栅（5）后的反射角值，所述反射角值由所述光源的光线波长和所述衍射光栅（5）的衍射级次决定；

S5、通过所述衍射光栅（5）的光栅方程推算初始入射至所述不规则五角棱镜组（4）的角度值即为入射角度值；

S6、根据折射定律，依次确定所述光源在所述不规则五角棱镜组（4）的第一个面的光线折射角和在不规则五角棱镜组（4）内部的第二个面的反射角；

S7、当光源的两路光线分别到达所述不规则五角棱镜组（4）的第三个面即为胶合面（6）时，同时进行透射和反射，在第一五角镜（41）和第二五角镜（42）中分别得到频率相等、振幅方向相同、光程差相等的两路相干光；

S8、两路所述相干光分别经过两个光电接收器（3），得到两路电压信号。

9.根据权利要求8所述的一种衍射光栅干涉光路合束方法，其特征在于，所述S5中的通过所述衍射光栅（5）的光栅方程推算初始入射至所述不规则五角棱镜组（4）的角度值即为入射角度值包括：

通过所述衍射光栅（5）的光栅方程计算入射角度值β，sinβ×d=mλ，其中，β为光线入射角度值，单位为度，d为光栅常数，单位为线每毫米，m为衍射级次，λ为激光波长，单位为纳米。

10.根据权利要求9所述的一种衍射光栅干涉光路合束方法，其特征在于，所述S6中的根据折射定律，依次确定所述光源在所述不规则五角棱镜组（4）的第一个面的光线折射角和在不规则五角棱镜组（4）内部的第二个面的反射角包括：

根据折射定律，确定所述光源在所述不规则五角棱镜组（4）的第一个面的光线折射角i，

，其中，i为折射角，单位为度，n′为玻璃折射率；

推导得出i+2i′=135°，得到所述光源在不规则五角棱镜组（4）内部的第二个面的反射角i′。

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