CN1837756A - 一种激光干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种干涉法测量目标的装置。一种激光干涉测量装置，它包括激光器、半反镜(2)、光程调整装置、光电探测器(7)、频移分析系统(8)和计算机，其特征在于：光程调整装置包括第一反光镜(12)、第二反光镜(13)、第三反光镜(14)、旋转台(15)，第一反光镜(12)与第二反光镜(13)的反光面相对，第一反光镜(12)的反光面一端位于参考光路(3)的入射线上，第三反光镜(14)的反光面一端位于反射光线(19)的CB段上，第三反光镜(14)的反光面与反射光线(19)的CB段垂直；第一反光镜架、第二反光镜架、第三反光镜架分别与旋转台(15)固定连接。本发明具有结构简单、测量距离远的特点。

Description

一种激光干涉测量装置

技术领域

本发明涉及一种干涉法测量目标的装置。

背景技术

激光干涉测量技术是当今最主要的精密测量技术之一，它的独特优势是nm-μm级非接触精密测量，可以非接触地测量目标的绝对位置、相对位移、移动速度、加速度等参数。激光干涉测量装置之所以得到迅猛发展，主要得益于激光的普及。

激光是一种相干性好、方向性好、亮度高的优质光源，它是精密光学测量中光源的最佳选择，用它作为干涉光源可使干涉条纹更容易获得，而且更清晰敏锐，这就使基于分析干涉条纹的精密测量更容易、更准确的进行。

但是激光的单色性仍然是有限的，普通的激光器实际的相干长度约为cm-m级，普通单纵模激光器相干长度约为10m级，特别稳频的单纵模激光器才可达km级以上的相干长度，但已严重受技术、成本、设备机动性、系统可靠性、激光输出能量等的制约，事实上除个别发达国家外，很难找到商品化的可以实用的稳频激光器。因此精密干涉测量距离范围就受到激光相干长度指标有限的限制。若激光的相干长度为L，采用常规的迈克尔逊不对称光路，理论上仅可以测量距离约为L/2的目标。(国内有采用复杂技术使测量距离达几十米的报导)。

激光干涉测量还受光程差的限制，即使激光的相干长度足够长，采用不对称光路远距离测量时，在长光程差的情况下假设还可以发生干涉，但此时的干涉条纹将会十分密集，这会使条纹分析和记录十分困难或无法进行。

如图1所示，现有的迈克尔逊干涉测量装置包括激光器、半反镜2、反光镜4、透镜及光阑组6、光电探测器(或称光电传感器)7、频移分析系统8和计算机，调整光程差靠移动(粗调、细调)反光镜4实现，使用此测量装置在进行远目标分析时目标光路9与参考光路3间的光程差会相当大：即2×OA＞＞2×OB，属于非对称光路且为长光程差的干涉测量，此时两路光在光电探测器7所在处一般难以发生干涉，即使发生干涉，其条纹也十分密集，频移分析会十分困难，以致难以分析远距离目标的微小位移和缓慢速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、测量距离远的激光干涉测量装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种激光干涉测量装置，它包括激光器、半反镜2、光程调整装置、光电探测器7、频移分析系统8和计算机，半反镜2与激光器的光源光路1成45度夹角，参考光路3与光源光路1相互垂直并位于半反镜2的同一侧，光程调整装置的反光镜位于参考光路3的入射线上，测量光路5与光源光路1相互垂直并位于半反镜2的两侧，光电探测器7位于测量光路5的入射线上，光电探测器7由信号线与频移分析系统8的输入端相连，频移分析系统8的输出端由信号线经I/O接口与计算机相连；其特征在于：光程调整装置包括第一反光镜12、第二反光镜13、第三反光镜14、旋转台15，第一反光镜12与第二反光镜13的反光面相对，第一反光镜12的反光面一端位于参考光路3的入射线上，参考光路3的入射线与第一反光镜12的反光面的法线成α角，0°＜α＜90°；第三反光镜14的反光面一端位于经第一反光镜12和第二反光镜13反射后的反射光线19的CB段上，第三反光镜14的反光面与反射光线19的CB段垂直；第一反光镜12至少由1个第一精密调节螺钉16与第一反光镜架固定连接，第二反光镜13至少由1个第二精密调节螺钉18与第二反光镜架固定连接，第三反光镜14至少由1个第三精密调节螺钉17与第三反光镜架固定连接，第一反光镜架、第二反光镜架、第三反光镜架分别与旋转台15固定连接。第一精密调节螺钉16、第三精密调节螺钉17、第二精密调节螺钉18起固定反光镜和调节反光镜的双重作用。

所述的第一反光镜12与第二反光镜13的反射光线处设有1-10个直角棱镜20，直角棱镜20的斜面面向反射光线。作用是进一步增加光程。

本发明的光程调整装置采用第一反光镜12、第二反光镜13、第三反光镜14、旋转台15，其结构简单、成本较低；使参考光路在第一反光镜12、第二反光镜13间反射，通过调整光线反射的次数(可通过旋转旋转台15，调整α角的大小实现；或者通过调整β角的大小实现；也可同时进行α角、β角的调整)，使参考光程与测量光程基本相当，将不对称光路变换为在一定范围内基本不受目标距离影响的对称光路进行干涉测量，此时干涉条纹质量高，易于分析测量；可以低成本地实现10^1-2m级(或更远)光程差迈氏干涉(或其它干涉光路)测量，测量距离远；因而也对大型的相关科学实验和大型工件和工程的精密测量有重要意义。

附图说明

图1为现有的迈克尔逊干涉测量装置的结构示意图

图2为本发明的结构示意图

图3为本发明实施例1的光程调整装置的结构示意图

图4为本发明实施例2的光程调整装置的结构示意图

图5为发明测得的长光程目标移动的多普勒频移信号图

图中：1-光源光路，2-半反镜，3-参考光路，4-反光镜，5-测量光路，6-透镜及光阑组，7-光电探测器，8-频移分析系统，9-目标光路，10-目标物，11-准直扩束器，12-第一反光镜，13-第二反光镜，14-第三反光镜，15-旋转台，16-第一精密调节螺钉，17-第三精密调节螺钉，18-第二精密调节螺钉，19-反射光线，20-直角棱镜。

具体实施方式

实施例1：

如图2、图3所示，一种激光干涉测量装置，它包括激光器、半反镜2、光程调整装置、光电探测器7、频移分析系统(如频谱分析仪)8和计算机，半反镜2与激光器的光源光路1成45度夹角，参考光路3与光源光路1相互垂直并位于半反镜2的同一侧，光程调整装置的反光镜位于参考光路3的入射线上，测量光路5与光源光路1相互垂直并位于半反镜2的两侧，光电探测器7位于测量光路5的入射线上，光电探测器7由信号线与频移分析系统8的输入端相连，频移分析系统8的输出端由信号线经I/O接口与计算机相连；光程调整装置包括第一反光镜12、第二反光镜13、第三反光镜14、旋转台15，第一反光镜12与第二反光镜13的反光面相对，第一反光镜12的反光面一端位于参考光路3的入射线上，参考光路3的入射线与第一反光镜12的反光面的法线成α角，0°＜α＜90°，一般取较小值；第三反光镜14的反光面一端位于经第一反光镜12和第二反光镜13反射后的反射光线19的CB段上，第三反光镜14的反光面与反射光线19的CB段垂直；第一反光镜12至少由1个第一精密调节螺钉16与第一反光镜架固定连接，第二反光镜13至少由1个第二精密调节螺钉18与第二反光镜架固定连接，第三反光镜14至少由1个第三精密调节螺钉17与第三反光镜架固定连接，第一反光镜架、第二反光镜架、第三反光镜架分别与旋转台15固定连接。

所述的半反镜2与第一反光镜12之间的参考光路3的入射线上设有准直扩束器11。所述的光电探测器7与半反镜2之间的测量光路5上设有透镜及光阑组6。

本发明通过调整第一反光镜12、第二反光镜13的平行度以及入射光的角度来调整光线的反射次数使参考光的光程大致等于目标光程，也就是使两路光的光程差控制在相当短的范围内(例如＜500mm)，使不对称光路转变为对称光路。这时分析远距离目标与分析近距离目标光程情况相同，干涉分析可以同样进行。

光程调整方法：如图3所示，第一反光镜12、第二反光镜13、第三反光镜14是高平面度高反镜，通过旋转台15旋转可以调整参考光入射角度α，每个反射镜都可以由1至4个(或多个)精密调节螺钉调整其方向，调整第一反光镜12、第二反光镜13后的精密调节螺钉可以调整β角度(β角为反射光线与第二反光镜13的垂直面之间的夹角)，即精密调节两镜间的平行度。调节第三反光镜14的角度使反射光线19的CB段垂直于第三反光镜14的镜面，并在第三反光镜14的边沿反射，这样从半反镜入射的光线OE将会经第一反光镜12、第二反光镜13多次反射后再由第三反光镜14反射并沿原路线返回，最后再沿EO方向回到半反镜方向。调节角度α、或/和β都可以调节光的反射次数，即都可以有效地调节参考光程。为计算方便一般可以将第一反光镜12、第二反光镜13严格调节为α＝β，即严格平行(不是必需只是计算方便)，若第一反光镜12、第二反光镜13的有效长度为l，两镜间距为h如图3所示，参考光路的光程将延长s米，可以计算：

反射点间距：Δ＝2h·tgα

反射镜1有效反射点数： $N=\frac{l}{2h\·\mathrm{tg\α}}+1$

每点对应双程光程为： $s^{\′}=\frac{4h}{\cos \mathrm{\α}}$

总光程为： $s=N\·s^{\′}=(\frac{l}{2h\·\mathrm{tg\α}}+1)\·\frac{4h}{\cos \mathrm{\α}}$

若α角度很小，则： $s\≈$ $\frac{2l}{\mathrm{th\α}}$

反射镜1有效反射点数取整数。若反射镜长度l＝0.3m，α调整为0.05度，则可以延长光程s＝687m。若在保证平面度的前提下反射镜可以加工的更长，或通过扩大两反射镜间距h等方法可以使α角度更小，或采用多级反射镜组串联使用，或采用类似原理的组合使用，还有可能使光程成倍度延长。

关于具体以何标准调整并增加参考光程，可以采用其它方法先估算出测量光路5的测量光路的长度，再按上述推导的公式调整α或/和β角度使s基本等于测量光路的长度，还可以采用一般的迈克尔逊干涉测量零光程差的判别方法在调整α、β和h的同时观测零光程差特征，再选择调整恰当的α、β角度，使干涉测量容易进行(一般需要偏离零光程差位置)。

如图5，是采用发明的方案，用迈克尔逊干涉测量法测量到的远目标物10缓慢移动的多普勒频移信号。

同样道理，发明还可以解决其它干涉测量中，如全息照相、干涉测量等等长光程差干涉的问题。

实施例2：

与实施例1其本相同，不同之处在于：所述的第一反光镜12与第二反光镜13的反射光线处设有1-10个直角棱镜20，直角棱镜20的斜面面向反射光线。直角棱镜20可由两个相互垂直的反光镜代替。

一个稍加改进(只需要增加直角棱镜)便可仅用第一反光镜12、第二反光镜13而成倍延长光程的方法是：采用至少一个直角棱镜(或起类似作用的光学元件，如两个互相垂直的平面镜等)反射光线，使光在第一反光镜12、第二反光镜13上重复排列至少多一次，即光程再延长至少一倍，如图4所示。图4中光线CB仍应垂直于反射镜3的镜面且照射在反射镜3的边沿。如果采用一个直角棱镜，可使光程相对实施例1再延长1倍。

若第一反光镜12、第二反光镜13的宽度足够，依照同样的方法，只需增加n个直角棱镜便可使光程再增加n倍。

Claims (3)

1.一种激光干涉测量装置，它包括激光器、半反镜(2)、光程调整装置、光电探测器(7)、频移分析系统(8)和计算机，半反镜(2)与激光器的光源光路(1)成45度夹角，参考光路(3)与光源光路(1)相互垂直并位于半反镜(2)的同一侧，光程调整装置的反光镜位于参考光路(3)的入射线上，测量光路(5)与光源光路(1)相互垂直并位于半反镜(2)的两侧，光电探测器(7)位于测量光路(5)的入射线上，光电探测器(7)由信号线与频移分析系统(8)的输入端相连，频移分析系统(8)的输出端由信号线经I/O接口与计算机相连；其特征在于：光程调整装置包括第一反光镜(12)、第二反光镜(13)、第三反光镜(14)、旋转台(15)，第一反光镜(12)与第二反光镜(13)的反光面相对，第一反光镜(12)的反光面一端位于参考光路(3)的入射线上，参考光路(3)的入射线与第一反光镜(12)的反光面的法线成α角，0°＜α＜90°；第三反光镜(14)的反光面一端位于经第一反光镜(12)和第二反光镜(13)反射后的反射光线(19)的CB段上，第三反光镜(14)的反光面与反射光线(19)的CB段垂直；第一反光镜(12)至少由1个第一精密调节螺钉(16)与第一反光镜架固定连接，第二反光镜(13)至少由1个第二精密调节螺钉(18)与第二反光镜架固定连接，第三反光镜(14)至少由1个第三精密调节螺钉(17)与第三反光镜架固定连接，第一反光镜架、第二反光镜架、第三反光镜架分别与旋转台(15)固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光干涉测量装置，其特征在于：所述的第一反光镜(12)与第二反光镜(13)的反射光线处设有1-10个直角棱镜(20)，直角棱镜(20)的斜面面向反射光线。

3.根据权利要求1所述的一种激光干涉测量装置，其特征在于：所述的半反镜(2)与第一反光镜(12)之间的参考光路(3)的入射线上设有准直扩束器(11)。

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