CN117647185A - 一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法及系统，分光形成f0透射光束和f0反射光束；f0透射光束经调制、过滤后获得f0+Δf的激光，反射光束经反射、调制、过滤后形成f0‑Δf的激光；f0+Δf的激光为第一束光，经分光镜的投射和反射后分为f0+Δf透射光束和f0‑Δf反射光束；f0‑Δf的激光为第二束光，经分光镜的投射和反射后分为f0‑Δf透射光束和f0‑Δf反射光束；f0‑Δf透射光束经反射，在分光镜与f0+Δf反射光束形成第一干涉光；S4，f0+Δf透射光束经随被测对象移动的反射镜反射，在分光镜与f0‑Δf反射光束形成第二干涉光作为测量光源，通过对两路探测信号进行计算机计算获得位移与微弧度倾角同步测量。本发明的一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法及系统，实现了对位移与微弧度的测量，提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明属于光学干涉精密测量技术领域，具体涉及一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法及系统。
背景技术
当代超精密仪器设备加工、超大规模集成电路加工以及纳米量级测量技术等国际前沿尖端技术需要超精密测量技术的强大支撑与精细标定。
传统的测距方法的主要方法为红外测距、超声波测距、激光测距，但存在着测量精度低、方向性差等问题。传统的角度测量方法主要有:利用光栅莫尔条纹现象的光栅角度传感器、码盘等；利用电磁原理工作的电容式角度和角位移传感器、感应同步器、磁栅式传感器等。传统的测角方法有一些系统误差,如仪器固定误差、棱镜常数误差等。
外差激光干涉测量技术作为超精密技术的重要组成部分，以其高测量分辨力与精度、非接触式测量、较强的抗干扰能力以及很好的量值溯源复现性等优点已经被普遍地应用于各种超精密测量加工领域。
目前，国际前沿尖端技术的快速发展对外差激光干涉测量技术提出了新的要求，测量精度从纳米量级向皮米量级提高。对于激光外差干涉测量的方法，如何提升测量精度是一个难题。
中国专利申请CN115077390A，专利公开日2022-09-20，公开了一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统及方法，其采用马赫-曾德干涉仪结构，系统结构紧凑，稳定性强，测量精度高。本发明能够获得不同波长下待测样品发生位移前、后的干涉光强分布图像，通过计算机进行处理，计算待测样品在发生位移前、后的干涉图像的全行程旋转角度，然后计算出待测物品的位移量Z，实现大量程皮米级位移快速测量。但是，该方案的测量精度受到光源稳定性的影响，光源的稳定性对测量结果有直接影响，如果光源稳定性差，测量精度可能会降低。
PCT国际专利申请WO2023284592A1，专利公开日2023-01-19，提出一种具有皮米量级分辨力的微位移测量系统及测量方法，通过静态锁相放大模块处理过的光功率电压信号，建立电压-压电陶瓷纳米定位器输出位移曲线，便可简单直接的实现对小于纳米量级的微位移的检测，以光纤布拉格光栅作为敏感元件的微纳测量系统，对微位移检测的分辨力可以达到皮米量级。获得可靠的跟随微位移变化的光功率电压信号，建立电压-压电陶瓷纳米定位器输出位移曲线，从而能实现对小于纳米量级的微位移的识别与检测。但该技术方案中，若待测物品的表面不平整，可能会对测量结果产生影响，因为不平整的表面可能会导致光功率电压信号的不均匀分布较大；当温度达到压电陶瓷的居里温度时，压电陶瓷就会失去压电性能。此外，温度还会影响压电陶瓷的弹性模量、密度和热膨胀系数等物理性能，从而影响压电陶瓷的测量结果；且环境湿度会影响压电陶瓷的介电常数和电导率等物理性能，从而影响压电陶瓷的测量结果。
因此，如何实现对皮米级位移的测量的同时，提供一种可以测量位移与微弧度，并且采用共光路的方案可以消除一部分系统误差，对光源要求不高，且环境适应性强的测量方法及系统是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法，其特征在于：
S1，激光器输出频率为f0的光信号，通过分光形成f0透射光束和f0反射光束；f0透射光束经调制、过滤后获得频率为f0+Δf的激光，反射光束经反射、调制、过滤后形成频率为f0-Δf的激光；
S2，频率为f0+Δf的激光为第一束光，调整偏振态后，经分光镜的投射和反射后分为f0+Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
频率为f0-Δf的激光为第二束光，调整偏振态后，经分光镜的投射和反射后分为f0-Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
S3，f0-Δf透射光束经反射，在分光镜与f0+Δf反射光束形成第一干涉光，第一干涉光经光电探测器探测产生第一路探测信号；
S4，f0+Δf透射光束经随被测对象移动的反射镜反射，在分光镜与f0-Δf反射光束形成第二干涉光作为测量光源，第二干涉光经光电探测，产生第二路探测信号，
S5，步骤S3中获得的第一路探测信号为参考信号的相位φr(t)，步骤S4中获得的第二路探测信号为测量信号的相位φm(t)，被测位移ΔL为
被测角度α为
其中，b为转动半径。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：
步骤S4中，所述的f0+Δf透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜(19)，产生的多普勒频移fd：
fd＝2nV/λ1 式(1)
其中，V为被测物体的速度，λ1为f0+Δf透射光束的波长，n为测量环境中的介质折射率。
本发明的第二个目的在于，针对现有技术中的问题，提供一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量系统。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法的测量系统，其特征在于：平面反射镜安装在待测对象的移动平台，
激光器输出的光束入射到第一声光调制器，在第一声光调制器改变频率，经过第一楔形片调整光线的传播方向，在第一光阑上过滤杂散光获得频率为f0+Δf的激光，作为第一束光出射入第一光纤耦合器；
f0反射光束，f0反射光束入射到第一平面反射镜上改变反向后入射到第二声光调制器，在第二声光调制器改变频率，经过第二楔形片调整光线的传播方向，在第二光阑上过滤杂散光获得频率为f0-Δf的激光，作为第二束光出射入第二光纤耦合器；
第一束光经过第三光纤耦合器，入射到第一偏振片，经第一偏振片调整偏振态后，入射到第三分光镜，经第三分光镜的投射和反射后分为f0+Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
第二束光经过第四光纤耦合器，入射到第二偏振片，经第二偏振片调整偏振态后，入射到第四分光镜，经第四分光镜的投射和反射后分为f0-Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
f0-Δf透射光束经过第二平面镜，在第五分光镜与f0+Δf反射光束形成干涉作为参考光源，干涉光入射到第一四象限探测器，产生第一路探测信号；f0+Δf透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜，在第六分光镜与f0-Δf反射光束形成干涉作为测量光源，干涉光入射到第二四象限探测器，产生第二路探测信号。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述平面反射镜位于第三分光镜的透射光光路上并形成反射光；第六分光镜安装在所述平面反射镜的反射光路上，第四分光镜安装在第六分光镜的出射光光路上；第二平面反射镜位于第四分光镜的透射光光路上并形成反射光；第五分光镜位于第二反射镜的反射光光路上。
作为本发明的优选技术方案：第五分光镜处干涉形成的参考光与第六分光镜处的干涉形成的测量光均为正交线偏振光。
作为本发明的优选技术方案：测量光路与参考光路的光程相等。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法及系统，通过激光外差干涉参考光路和激光外差干涉测量光路的设计，在激光调制部分的光路结构中，通过两个声光调制器，实现激光频率的调制，在激光干涉部分，由四个分光镜、一个平面反射镜、一个安装在被测对象的移动平台的平面反射镜和两个四象限探测器实现激光外差干涉与干涉信号的探测，并利用了激光外差干涉与氢氧根催化键合的无胶技术的方式工艺，实现同时实现对位移与微弧度的测量，提高了测量精度。本发明中，采用共光路的方案，消除一部分系统误差，对光源要求不高，且环境适应性强。本发明的一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法及系统适用于高精度测量位移与微角度，达到皮米级精度，在光学干涉精密测量领域极具应用前景。
附图说明
图1为本发明所的一种同步测量皮米级位移与微弧度倾角的系统的结构示意图；
附图中，激光器1；第一分光镜2；第一平面反射镜3；第一声光调制器4；第二声光调制器5；第一楔形片6；第二楔形片7；第一光阑8；第二光阑9；第一光纤耦合器10；第二光纤耦合器11；激光外插干涉部分包括第三光纤耦合器12；第四光纤耦合器13；第一偏振片14；第二偏振片15；第三分光镜16；第四分光镜17；第二平面反射镜18；安装在被测对象的移动平台的平面反射镜19；第五分光镜20；第六分光镜21；第一四象限探测器22；第二四象限探测器23。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
本发明的一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量系统，包括激光调制部分与激光外差干涉部分，激光调制部分包括激光器1、第一分光镜2、第一平面反射镜3、第一声光调制器4、第二声光调制器5、第一楔形片6、第二楔形片7、第一光阑8、第二光阑9、第一光纤耦合器10、第二光纤耦合器11；激光外插干涉部分包括第三光纤耦合器12、第四光纤耦合器13、第一偏振片14、第二偏振片15、第三分光镜16、第四分光镜17、第二平面反射镜18、安装在被测对象的移动平台的平面反射镜19、第五分光镜20、第六分光镜21、第一四象限探测器22、第二四象限探测器23。
激光器1将频率为f0的信号输出，入射到第一分光镜2，经第一分光镜2的透射和反射后形成f0透射光束和f0反射光束，f0透射光束入射到第一声光调制器4，在第一声光调制器4改变频率，经过第一楔形片6调整光线的传播方向，在第一光阑8上过滤杂散光获得频率为f0+Δf的激光，作为第一束光出射入第一光纤耦合器10；
f0反射光束，f0反射光束入射到第一平面反射镜3上改变反向后入射到第二声光调制器5，在第二声光调制器5改变频率，经过第二楔形片7调整光线的传播方向，在第二光阑9上过滤杂散光获得频率为f0-Δf的激光，作为第二束光出射入第二光纤耦合器11；
第一束光经过第三光纤耦合器12，入射到第一偏振片14，经第一偏振片14调整偏振态后，入射到第三分光镜16，经第三分光镜16的投射和反射后分为f0+Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
第二束光经过第四光纤耦合器13，入射到第二偏振片15，经第二偏振片15调整偏振态后，入射到第四分光镜17，经第四分光镜17的投射和反射后分为f0-Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
f0-Δf透射光束经过第二平面镜18，在第五分光镜20与f0+Δf反射光束形成干涉作为参考光源，干涉光入射到第一四象限探测器22，产生第一路探测信号；f0+Δf透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜19，在第六分光镜21与f0-Δf反射光束形成干涉作为测量光源，干涉光入射到第二四象限探测器23，产生第二路探测信号。
所述的测量装置包含有数据采集模块以及计算机，第一四象限探测器22和第二四象限探测器23均经数据采集模块与计算机相连，第一四象限探测器22输出的参考信号和第二四象限探测器23输出的测量信号经数据采集模块传输到计算机处理。
安装在被测对象的移动平台的平面反射镜19位于第三分光镜16的正上方；安装在被测对象的移动平台的平面反射镜19位移第六分光镜21的正左方；第六分光镜21位于第四分光镜17的正上方；第二平面反射镜18位于第四分光镜17的正右方；第五分光镜20位于第二反射镜18的正上方。
在第五分光镜20处干涉形成的参考光与第六分光镜21处的干涉形成的测量光均为正交线偏振光。
测量光路与参考光路的光程理论上严格等臂。
实施例1
如图1所示，本发明的一种同步测量皮米级位移与微弧度倾角的方法，包括激光调制部分与激光外差干涉部分，具体实施过程如下：
激光器1将频率为f0的信号输出，入射到第一分光镜2，经第一分光镜3的透射和反射后形成f0透射光束和f0反射光束，f0透射光束入射到第一声光调制器4改变频率后，经第一楔形片6调整光线的传播方向，在第一光阑8上过滤杂散光获得频率为f0+Δf的激光，作为第一束光出射入第一光纤耦合器10；f0反射光束，f0反射光束入射到第一平面反射镜3上改变反向后入射到第二声光调制器5改变频率后，经第二楔形片7调整光线的传播方向，在第二光阑9上过滤杂散光获得频率为f0-Δf的激光，作为第二束光出射入第二光纤耦合器11；第一束光经过第三光纤耦合器12，入射到第一偏振片14，调整偏振态后，入射到第三分光镜16，分为f0+Δf透射光束和f0-Δf反射光束；第二束光经过第四光纤耦合器13，入射到第二偏振片15，调整偏振态后，入射到第四分光镜17，分为f0-Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
f0-Δf透射光束经过第二平面镜18，在第五分光镜20与f0+Δf反射光束形成干涉作为参考光源，干涉光入射到第一四象限探测器22，产生第一路探测信号；f0+Δf透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜19，在第六分光镜21与f0-Δf反射光束形成干涉作为测量光源，干涉光入射到第二四象限探测器23，产生第二路探测信号。
具体实施中的激光器1频率f0＝150Mhz，中心波长λ＝1064nm。
具体地，通过以下实例具体地实施：
在测量开始之前，将平面反射镜19安装到被测对象的移动平台上，调节光纤耦合器12和13，使激光光斑能入射到两个四象限探测器的中心。
激光器输出频率150Mhz的激光经第一分光镜，其透射光束入射到第一声光调制器，后入射到第一楔形片，在第一楔形片上调整光线传播方向后入射到第一光阑过滤杂散光，获得频率为151Mhz的激光，作为第一束光出射入第一光纤耦合器；其反射光束入射到第一平面反射镜后入射到第二声光调制器，经过第二楔形片调整光线的传播方向后，由第二光阑过滤杂散光获得频率为149Mhz的激光，作为第二束光出射入第二光纤耦合器；两束光分别经第三和第四光纤耦合器，分别经第一和第二偏振片调整偏振态后，经第三和第四分光镜，分为151Mhz的透射光和反射光及149Mhz的透射光和反射光。149Mhz透射光束经过第二平面镜，在第五分光镜与151Mhz反射光束形成干涉为激光外差干涉参考光路，入射到第一四象限探测器。151Mhz透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜，引起的多普勒频移后的光束，在第六分光镜与149Mhz反射光束形成干涉激光外差干涉测量光路，入射到第二四象限探测器。
f0+Δf透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜(19)，产生的多普勒频移fd：
fd＝2nV/λ1 式(1)
其中，V为被测物体的速度，λ1为f0+Δf透射光束的波长，n为测量环境中的介质折射率。
第一路探测信号为参考信号的相位φr(t)，第二路探测信号为测量信号的相位φm(t)，被测位移ΔL为
被测角度α为
其中，b为转动半径。
本发明采用氢氧根催化键合的无胶技术的方式固定光学元件，与传统的机械固定法相比，避免了膨胀系数不同引起的形变，有效的消除了系统误差；而且运消除了激光外差干涉位移及微弧度测量过程中系统误差造成的影响，有效地提高了测量精度，完善了激光外差干涉位移及微弧度的测量方法；并且光路结构简单，使用方便，具有显著的技术效果。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法，其特征在于：
S1，激光器输出频率为f0的光信号，通过分光形成f0透射光束和f0反射光束；f0透射光束经调制、过滤后获得频率为f0+Δf的激光，反射光束经反射、调制、过滤后形成频率为f0-Δf的激光；
S2，频率为f0+Δf的激光为第一束光，调整偏振态后，经分光镜的投射和反射后分为f0+Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
频率为f0-Δf的激光为第二束光，调整偏振态后，经分光镜的投射和反射后分为f0-Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
S3，f0-Δf透射光束经反射，在分光镜与f0+Δf反射光束形成第一干涉光，第一干涉光经光电探测器探测产生第一路探测信号；
S4，f0+Δf透射光束经随被测对象移动的反射镜反射，在分光镜与f0-Δf反射光束形成第二干涉光作为测量光源，第二干涉光经光电探测，产生第二路探测信号，
S5，步骤S3中获得的第一路探测信号为参考信号的相位φr(t)，步骤S4中获得的第二路探测信号为测量信号的相位φm(t)，被测位移ΔL为
被测角度α为
其中，b为转动半径。
2.如权利要求1所述的皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法，其特征在于：所述
步骤S4中，所述的f0+Δf透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜(19)，产生的多普勒频移fd：
fd＝2nV/λ1 式(1)
其中，V为被测物体的速度，λ1为f0+Δf透射光束的波长，n为测量环境中的介质折射率。
3.采用权利要求1或2所述的皮米级位移与微弧度倾角的同步测量方法的测量系统，其特征在于：平面反射镜(19)安装在待测对象的移动平台，
激光器(1)输出的光束入射到第一声光调制器(4)，在第一声光调制器(4)改变频率，经过第一楔形片(6)调整光线的传播方向，在第一光阑(8)上过滤杂散光获得频率为f0+Δf的激光，作为第一束光出射入第一光纤耦合器(10)；
f0反射光束，f0反射光束入射到第一平面反射镜(3)上改变反向后入射到第二声光调制器(5)，在第二声光调制器(5)改变频率，经过第二楔形片(7)调整光线的传播方向，在第二光阑(9)上过滤杂散光获得频率为f0-Δf的激光，作为第二束光出射入第二光纤耦合器(11)；
第一束光经过第三光纤耦合器(12)，入射到第一偏振片(14)，经第一偏振片(14)调整偏振态后，入射到第三分光镜(16)，经第三分光镜(16)的投射和反射后分为f0+Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
第二束光经过第四光纤耦合器(13)，入射到第二偏振片(15)，经第二偏振片(15)调整偏振态后，入射到第四分光镜(17)，经第四分光镜(17)的投射和反射后分为f0-Δf透射光束和f0-Δf反射光束；
f0-Δf透射光束经过第二平面镜(18)，在第五分光镜(20)与f0+Δf反射光束形成干涉作为参考光源，干涉光入射到第一四象限探测器(22)，产生第一路探测信号；f0+Δf透射光束经过安装在被测对象的移动平台的平面反射镜(19)，在第六分光镜(21)与f0-Δf反射光束形成干涉作为测量光源，干涉光入射到第二四象限探测器(23)，产生第二路探测信号。
4.如权利要求3所述测量系统，其特征在于：还设有数据采集模块和计算机，第一四象限探测器(22)和第二四象限探测器(23)分别通过数据采集模块与计算机相连，第一四象限探测器(22)输出的参考信号和第二四象限探测器(23)输出的测量信号经数据采集模块传输到计算机处理。
5.如权利要求3所述测量系统，其特征在于：所述平面反射镜(19)位于第三分光镜(16)的透射光光路上并形成反射光；第六分光镜(21)安装在所述平面反射镜(19)的反射光路上，第四分光镜(17)安装在第六分光镜(21)的出射光光路上；第二平面反射镜(18)位于第四分光镜(17)的透射光光路上并形成反射光；第五分光镜(20)位于第二反射镜(18)的反射光光路上。
6.如权利要求3所述测量系统，其特征在于：第五分光镜(20)处干涉形成的参考光与第六分光镜(21)处的干涉形成的测量光均为正交线偏振光。
7.如权利要求3所述测量系统，其特征在于：测量光路与参考光路的光程相等。
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2023
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