CN1920620A - 基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量的干涉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量的干涉系统。双频激光器发出的正交线偏振光经第一分束镜分成参考和测量光束两路，参考光束经第一检偏器拍频后接第一探测器；测量光束再次被第二分束镜分成透射和反射光束两路，透射光束经一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置后入射置于被测物体上的测量平面镜，反射光束经平面反射镜反射后入射同样结构的另一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置，出射后入射置于被测物体上的同一测量平面镜；入射和出射两个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置中的两路光束相互平行。它实现了高精度、大范围的位移和角度同时测量，适用于纳米、微光机电、集成电路芯片制造和生物技术领域的测量。

Description

基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量的干涉系统

技术领域

本发明涉及以采用光学方法为特征的计量装置，尤其是涉及一种基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量的干涉系统。

背景技术

测量的高精度，大范围，多自由度始终是计量领域一贯追求的目标。随着现代科学技术的发展，对空间物体的多自由度测量越来越显示出迫切性和重要性，它在航空航天、生物细胞工程、机器人、柔性制造、自动装配、数控机床检测、光纤对接耦合及多自由度平台等领域有着非常重要的作用。常见的多自由度测量手段包括三坐标测量机、立体视觉六自由度测量、基于全息透镜的六自由度测量，激光跟踪测量技术，基于干涉技术的多自由度测量等等，这些测量技术虽可以达到一定的测量范围，但测量精度普遍不高。基于干涉技术的多自由度测量采用成熟先进的激光干涉测量技术进行定位和测量，测量步骤相对简单，精度较高。但是该方法单参数测量的特性就决定了其只能进行多自由度分时测量，无法满足多自由度动态实时测量。一般三轴数控类加工设备总共需要检测21项误差分量，安装一次仅测量一项误差分量，其检测过程烦琐而漫长。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量的干涉系统。利用激光干涉原理，即实现了其他多自由度测量方法不能实现的纳米级精度和大范围测量特性，又克服了基于干涉技术的多自由度测量的单参数特性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

双频激光器发出的正交线偏振光经第一分束镜分成参考光束和测量光束两路，参考光束经第一检偏器拍频后接第一探测器；测量光束再次被第二分束镜分成透射光束和反射光束两路，透射光束经一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置后入射置于被测物体上的测量平面镜，反射光束经平面反射镜反射后入射同样结构的另一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置，出射后入射置于被测物体上的同一测量平面镜；入射和出射两个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置中的两路光束相互平行。

所述的两路同样结构的基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置之一路，包括两个偏振分光镜、第二检偏器、第二探测器、两个1/4波晶片、参考平面镜、法拉第旋光器、固定平面镜和角锥棱镜；每一路光束上依次放置第一偏振分光镜、法拉第旋光器、第二偏振分光镜和第二1/4波晶片，在测量平面镜反射光一侧设置角锥棱镜，在与入射光束垂直的第一偏振分光镜的一侧依次设置第二检偏器和第二探测器，另一侧依次设置第一1/4波晶片和参考平面镜；在与入射光束垂直的第二偏振分光镜的一侧设置固定平面镜，其反射面与第二偏振分光镜的透振方向平行。

把测量镜放置在空间微运动平台上，在离开微运动平台不远处放置一个角锥棱镜，这样无论空间微运动平台如何运动，只要反射光线被角锥棱镜捕捉，利用角锥棱镜的逆反射特性保证了入射到测量镜的光束与经测量镜反射回来的光束严格平行，通过第二偏振分光镜反射后垂直入射到固定平面镜，根据光路的可逆原理和元件的偏振特性，光束将按原路返回。但这样只能导致测量光束返回激光器的激光出射孔，因此中间加个法拉第旋光器，改变光束的偏振态，使得测量光束与参考光束拍频进入探测器，实现激光干涉测量。

在微运动平台的x方向放置基于法拉第旋光器的位移角度实时测量系统，实现微运动平台x方向的位移测量和绕z轴的角度测量；在运动平台y方向放置基于法拉第旋光器的位移角度实时测量系统之一路干涉仪，测量微运动平台在y方向的位移。

本发明具有的有益效果是：

1)基于法拉第旋光器的位移角度实时测量系统采用了激光干涉测量，所以有纳米级测量精度；

2)采用角锥棱镜作为激光逆反射器件，微运动平台的角度偏转，仍能够保证光路按原路返回，构成激光干涉。因此有较大的位移和角度测量范围；

3)克服了多自由度测量系统中普通激光干涉仪单参数测量的缺点，可以进行位移角度同时实时测量；

4)光路结构简单，安装方便。

本发明主要适用于纳米技术、微光机电技术、集成电路芯片制造技术、生物技术等领域所涉及的磁悬浮式、气浮式纳米级运动平台领域。

附图说明

图1是基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量干涉系统框图。

图2是法拉第旋光效应的位移和角度同时测量原理图。

图1中：1、双频激光器，2、第一分束镜，3、第一检偏器，4、第一探测器，5、第二分束镜，6、平面反射镜，7、第一偏振分光镜，8、第二检偏器，9、第二探测器，10、第一1/4波晶片，11、参考平面镜，12、法拉第旋光器，13、第二偏振分光镜，14、固定平面镜，15、第二1/4波晶片，16、角锥棱镜，17、测量平面镜。

具体实施方式

如图1所示，双频激光器1发出的正交线偏振光经第一分束镜2分成参考光束和测量光束两路，参考光束经第一检偏器3拍频后接第一探测器4；测量光束再次被第二分束镜5分成透射光束和反射光束两路，透射光束经一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置后入射置于被测物体上的测量平面镜17，反射光束经平面反射镜6反射后入射同样结构的另一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置，出射后入射置于被测物体上的同一测量平面镜17；入射和出射两个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置中的两路光束相互平行。

以透射光束接入基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置为例，透过第二分束镜5的光束被第一偏振分光镜7分成频率不同的两束线偏振光，被第一偏振分光镜7反射的光束，其偏振态平行于纸面，它透过第一1/4波晶片10后，被参考平面镜11垂直反射后，再次透过第一1/4波晶片10，由于两次透过第一1/4波晶片10，其偏振态改变90°，透过第一偏振分光镜7后成为参考光，其偏振态与纸面垂直；透过第一偏振分光镜7的光束，其偏振态垂直于纸面，经过能够旋光45°的法拉第旋光器12，从入射方向看，偏振方向顺时针方向改变了45°，入射至第二偏振分光镜13，偏振分光镜13与x-y平面呈45°放置，因此其透振方向与入射光的透振方向一致，它透过偏振分光镜13，经第二1/4波晶片15被装在被测物体上的测量平面镜17反射至角锥棱镜16，由角锥棱镜16的逆反射特性，平行出射后重新入射至测量平面镜17，经测量平面镜17反射后再次透过第二1/4波晶片15，由于两次透过第二1/4波晶片15，其偏振态又改变了90°，与偏振分光镜13的透振方向垂直，经偏振分光镜13反射后垂直入射到固定平面镜14，固定平面镜14的反射面与偏振分光镜13的透振方向平行放置。由光路的可逆原理和器件的偏振特性，被参考平面镜垂直反射后将按原路返回：经偏振分光镜13反射，第二1/4波晶片15-测量平面镜17-角锥棱镜16-测量平面镜17-第二1/4波晶片15，重新射至偏振分光镜13，由于在返回过程中，再次两次透过于1/4波晶片，其偏振态在原来基础上又改变了90°，与偏振分光镜13的透振方向一致，使得其按原路透过偏振分光镜13，最后经法拉第旋光器顺时针旋光45°后，成为按原路返回的振动方向平行于纸面的线偏振光，经第一偏振分光镜7反射，透过第二检偏器8后，与参考光拍频进入第二探测器9。

从中可以看出，无论测量镜怎样运动，其反射光线只要被角锥棱镜16捕捉，就能保证激光按原路返回。若测量镜作绕z方向的平面运动，x为其沿X轴的平动位移，θ为其绕Z轴旋转的角位移，则系统的光程差可表示为：

OPD(x，θ)＝f(θ，α)x+g₁(θ)Ls+g₂(θ；n)Dr        (1)

$f(\mathrm{\θ},\mathrm{\α})=\frac{8{\cos }^2(\mathrm{\α}-\mathrm{\θ})}{\cos \mathrm{\α}}---\left(2\right)$

g₁(θ)＝-8sin²θ                                   (3)

$g_2(\mathrm{\θ};n)=\sqrt{{2n}^2-1+\cos 4\mathrm{\θ}}-\sqrt{2}n---\left(4\right)$

其中Dr为角锥棱镜的直径，Ls为起始时刻测量镜的反射点到角锥棱镜的垂直距离，n为角锥棱镜的折射率，α为初始时刻测量镜与入射激光的夹角。

在图2中，L1、L2两束相互平行的光束的距离为H，两束激光与测量镜起始夹角为α，当运动平台作平面运动时，17’为测量平面镜的运动后的位置，其旋转角度为θ，x1，x2为需要测量的位移。此时两路干涉仪的光程差可以由式(1)式得到：

OPD(x₁，θ)＝f(θ，α)x₁+g₁(θ)Ls+g₂(θ；n)Dr+g₃(θ)cd    (5)

OPD(x₂，θ)＝f(θ，α)x₂+g₁(θ)Ls+g₂(θ；n)Dr+g₃(θ)cd    (6)

由式(6)-(5)可以得到

ΔOPD＝OPD(x₂，θ)-OPD(x₁，θ)＝f(θ；α)(x₂-x₁)          (7)

由图2可以得到

$x_2-x_1=\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})}H---\left(8\right)$

把式(7)式代入(8)式得

$\mathrm{\ΔOPD}=\frac{8H}{\cos \mathrm{\α}}\cos (\mathrm{\α}+\mathrm{\θ})\sin \mathrm{\θ}---\left(9\right)$

由(9)式可以得到旋转角度θ

$\mathrm{\θ}=\frac{1}{2}[s{\mathrm{in}}^{-1}(\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{OPD}\cos \mathrm{\α}}{4H}+\sin \mathrm{\α})-\mathrm{\α}]$

得到运动平台旋转角度θ以后，就可以根据式(5)、式(6)得到位移x₁，x₂。在微运动平台的y轴方向放置基于法拉第旋光效应的位移角度同时测量之一路激光干涉仪，就可以同时测量y轴方向的位移。这样就实现了微运动平台的位移角度的同时实时测量。

Claims (2)

1.一种基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量的干涉系统，其特征在于：双频激光器(1)发出的正交线偏振光经第一分束镜(2)分成参考光束和测量光束两路，参考光束经第一检偏器(3)拍频后接第一探测器(4)；测量光束再次被第二分束镜(5)分成透射光束和反射光束两路，透射光束经一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置后入射置于被测物体上的测量平面镜(17)，反射光束经平面反射镜(6)反射后入射同样结构的另一个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置，出射后入射置于被测物体上的同一测量平面镜(17)；入射和出射两个基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置中的两路光束相互平行。

2.根据权利要求1所述的一种基于法拉第旋光效应的位移和角度同时测量的干涉系统，其特征在于：所述的两路同样结构的基于法拉第旋光效应的入射光原路返回装置之一路，包括两个偏振分光镜(7、13)、第二检偏器(8)、第二探测器(9)、两个1/4波晶片(10、15)、参考平面镜(11)、法拉第旋光器(12)、固定平面镜(14)和角锥棱镜(16)；每一路光束上依次放置第一偏振分光镜(7)、法拉第旋光器(12)、第二偏振分光镜(13)和第二1/4波晶片(15)，在测量平面镜(17)反射光一侧设置角锥棱镜(16)，在与入射光束垂直的第一偏振分光镜(7)的一侧依次设置第二检偏器(8)和第二探测器(9)，另一侧依次设置第一1/4波晶片(10)和参考平面镜(11)；在与入射光束垂直的第二偏振分光镜(13)的一侧设置固定平面镜(14)，其反射面与第二偏振分光镜(13)的透振方向平行。

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