CN204064237U - 一种激光干涉探头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光测量领域，公开了一种激光干涉探头，包括耦合单元、两路干涉光探测器和干涉单元；干涉单元包括一具有NPBS膜的双斜方棱镜和探测反射面；双斜方棱镜的粘合面镀NPBS膜面，与该NPBS膜面平行的两侧面均为高反射面，两高反射面之间的侧面分别为入射面和出射面；耦合单元包括至少三个端口，端口一为入射端，端口二通过一准直器与双斜方棱镜的入射面连接；端口三与第二干涉光探测器连接；第一干涉光探测器设于双斜方棱镜入射面下方的干涉光出射面上。通过采用具有NPBS膜的双斜方棱镜和球关节结构，减少光学元件的使用，降低了调试难度，且结构简单紧凑，尺寸小巧、成本低廉；可实现单波长或双波长的位移测量和角度抖动状态检测，测量精度高。

Description

一种激光干涉探头

技术领域

本实用新型涉及激光测量领域，尤其涉及一种激光干涉探头。

背景技术

激光干涉测量近年来已成为公认的高精度测量手段，可用于平面位移测量、垂向测量、角度测量等，具有高速精密测量的特点，主要应用于光刻机系统的位置和旋转测量、生物医学领域的干涉信号测量等。

部分激光干涉测量装置已实现商业化，可以是单波长的或双频甚至多通道的激光干涉仪。目前，激光干涉仪的国外供应商主要是英国的Renishaw、美国的Agilent、ZYGO公司。 Renishaw的激光干涉仪，可同时提供长度和角度的测量功能，被广泛应用于车床上的位置偏差测量。尽管功能多样，但两干涉光束的光程似乎并不相等，而且温度补偿也没有被考虑，价格在￥150K左右。Agilent的10706A平面镜干涉仪采用角锥棱镜使光束按原路返回，降低了反射壁的装调精度要求，从而降低非线性误差，但测量光束与参考光束光程不等，存在很大的热漂移误差；10706B高稳定平面镜干涉仪则采用背面镀反射膜的四分之一波片，使得光程相等来降低热漂移误差，但是反射壁的装调精度要求大大提高，导致非线性误差难以控制，而且价格高达一、二十万人民币。ZYGO公司的Verifire TM激光干涉仪消除了长期困扰着人们的“牛眼环”，测量精度又上了一个新台阶，性能得到增强，是一次新的干涉测量技术的革命，价格自然更加昂贵。中国发明专利《一种一体式双频激光干涉仪》（申请号：201010022988.3）公开的激光干涉仪结构，参考光路和测量光路完全相等，理论上非线性误差和温度漂移误差都可为零且抗环境干扰能力极强，但使用了较多偏振光学元件，对这些元件的偏振分光性能要求高，而且一体式安装调试精度要求较高。

发明内容

本实用新型的目的在于，提出一种激光干涉探头，可实现单波长或双波长的位移测量和角度抖动状态检测，测量精度高，而且结构简单、尺寸小巧、成本低廉。

为达到上述目的，本实用新型提供的技术方案为：一种激光干涉探头，包括耦合单元、两路干涉光探测器和干涉单元，所述干涉单元包括一具有NPBS膜的双斜方棱镜和探测反射面；所述双斜方棱镜的粘合面镀NPBS膜面，与该NPBS膜面平行的两侧面均为高反射面，两高反射面之间的侧面分别为入射面和出射面；所述耦合单元包括至少三个端口，端口一为入射端，端口二通过一准直器与双斜方棱镜的入射面连接；端口三与第二干涉光探测器连接；所述第一干涉光探测器设于双斜方棱镜入射面下方的干涉光出射面上；入射光经耦合单元的的端口一入射之后，由端口二输出并经准直器准直入射到双斜方棱镜的NPBS膜面，经NPBS膜面分成透射光和反射光,分别入射到探测反射面后反射回NPBS膜面分成两路干涉光，一路沿准直器返回耦合单元并经端口三入射到第二干涉光探测器，一路直接入射到第一干涉光探测器。

进一步的，所述探测反射面为一平面反射镜或一角锥棱镜，或者是一平面反射镜与一角锥棱镜的组合。

进一步的，所述平面反射镜和角锥棱镜位置固定或可移动。

进一步的，所述准直器通过一球关节结构与双斜方棱镜连接。

进一步的，所述准直器、双斜方棱镜和第一干涉光探测器粘接于一平板上，通过平板的固定孔锁定安装。

进一步的，所述耦合单元为一三端口环行器。

进一步的，所述耦合单元为一四端口耦合器，该四端口耦合器包括一对具有光分束片的双光纤准直器，端口一为入射端，端口二通过一准直器与双斜方棱镜的入射面连接；端口三与第二干涉光探测器连接，端口四与一入射光监视器连接。

进一步的，所述入射光监视器、第一干涉光探测器和第二干涉光探测器均为PD。

本实用新型的有益效果为：通过采用具有NPBS膜的双斜方棱镜和球关节结构，减少光学元件的使用，降低了调试难度，而且结构紧凑，加工简单，尺寸小巧、成本低廉；可实现单波长或双波长的位移测量和角度抖动状态检测，测量精度高。

附图说明

图1为本实用新型激光干涉探头实施例一结构示意图；

图2为本实用新型激光干涉探头实施例二结构示意图；

图3为本实用新型激光干涉探头实施例三结构示意图；

图4为本实用新型激光干涉探头实施例四结构示意图；

图5为本实用新型干涉单元安装结构示意图。

附图标示：10、耦合单元；11、端口一；12、端口二；13、端口三；14、端口四；20、干涉单元；21、双斜方棱镜；211、NPBS膜面；212、高反射面；22、准直器；23、球关节结构；24、平板；241、固定孔；25、平面反射镜；26、角锥棱镜；31、第一干涉光探测器；32、第二干涉光探测器；40、入射光监视器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型做进一步说明。

本实用新型的激光干涉探头采用具有NPBS膜的双斜方棱镜和球关节结构，减少光学元件的使用，降低了调试难度，而且结构紧凑，加工简单，尺寸小巧、成本低廉；可实现单波长或双波长的位移测量和角度抖动状态检测，测量精度高。具体的，本实用新型的激光干涉探头，包括耦合单元10、两路干涉光探测器31、32和干涉单元20。其中，干涉单元20包括一具有NPBS膜面211的双斜方棱镜21和探测反射面；该双斜方棱镜21的粘合面镀NPBS膜面211，与该NPBS膜面211平行的两侧面均为高反射面212，两高反射面212之间的侧面分别为入射面和出射面。耦合单元10包括至少三个端口，端口一11为入射端，端口二12通过一准直器22与双斜方棱镜21的入射面连接；端口三13与第二干涉光探测器32连接；第一干涉光探测器31设于双斜方棱镜21入射面下方的干涉光出射面上。

如图1所示的实施例一，本实施例中耦合单元10采用的是一三端口环行器，探测反射面为一平面反射镜25，准直器22通过一球关节结构23与双斜方棱镜21连接，使得组装调试更加简便。其中，准直器22、双斜方棱镜21和第一干涉光探测器31粘接于一平板24上，通过平板24的固定孔241锁定安装于探测反射面前面，如图5所示。探测激光器发出的单波长或双波长激光由环行器的端口一11入射后，经端口二12入射到准直器22上，由准直器22准直后入射到双斜方棱镜21的NPBS膜面211上，被半透半反射分成第一透射光束T1和第一反射光束R1。第一透射光束T1垂直入射到平面反射镜25上，经平面反射镜25反射后沿原路返回到NPBS膜面211上，又分为第二透射光束T112和第二反射光束T111；而第一反射光R1束则经双斜方棱镜21的高反射面212反射后也垂直入射到平面反射镜25上，经平面反射镜25反射后沿原路返回到NPBS膜面211上，再次分为第三透射光束R111和第三反射光束R112。其中，第二反射光束T111和第三透射光束R111合为一路光经双斜方棱镜21的高反射面212反射后直接入射到第一干涉光探测器31上；而第二透射光束T112和第三反射光束R112则合为一路光入射到准直器22内，并返回到环行器经其端口三13出射后入射到第二干涉光探测器32上，避免返回光返回光源部而对设备造成损坏。通过分析第一干涉光探测器31和第二干涉光探测器32测量到的两路干涉光信号，即可反映出探测反射面平面反射镜25的位移和角抖动情况。该激光干涉探头结构简单，尺寸小巧，测量精度高。

如图2所示的实施例二，与实施例一不同的是，在耦合单元10处增加了一入射光监视器40，用于监测入射光功率的稳定性，使得测量更加精准。该耦合单元10采用的是一四端口耦合器，该四端口耦合器包括一对具有光分束片的双光纤准直器，端口一11为入射端，端口二12通过一准直器22与双斜方棱镜21的入射面连接；端口三13与第二干涉光探测器32连接，端口四14与入射光监视器40连接。探测激光器发出的单波长或双波长激光由四端口耦合器的端口一11入射后，一小部分光被光分束片反射后经端口四14入射到入射光监视器40上，其余的大部分光则透射过光分束片经端口二12入射到准直器22上，由准直器22准直后入射到双斜方棱镜21的NPBS膜面211上，在双斜方棱镜21和平面反射镜25上的光路与实施例一相同，最终分为两束干涉光输出，一路入射到第一干涉光探测器31上，一路经准直器22返回到四端口耦合器上，大部分光被光分束片反射后经端口三13出射后入射到第二干涉光探测器32上，避免返回光返回光源部而对设备造成损坏。同样，通过分析第一干涉光探测器31和第二干涉光探测器32测量到的两路干涉光信号，即可反映出探测反射面平面反射镜25的位移和角抖动情况。

如图3所示的实施例三，与实施例二不同的是其中探测反射面采用的是一个角锥棱镜26，可实现光路的共路径，用于位移测量，可提高对环境的抗干扰能力和测量精度及分辨率，实现探测设备的高性能特征。经NPBS膜面211半透半反射后的第一透射光束T1入射到角锥棱镜26上，经角锥棱镜26反射后沿第一反射光束R1的路径逆向传输回到NPBS膜面211；而第一反射光束R1经双斜方棱镜21的高反射面212反射后入射到角锥棱镜26内，经角锥棱镜26反射后沿第一透射光束T1的路径逆向传输回到NPBS膜面211上。同样，返回的第一透射光束经NPBS膜面211分为透射光束和反射光束，第一反射光束也分为透射光束和反射光束，并分别再合为两路干涉光输出，一路经双斜方棱镜21的高反射面212反射后入射到第一干涉光探测器31上，一路经准直器22返回到四端口耦合器上，经端口三13出射后入射到第二干涉光探测器32上。同样，通过分析第一干涉光探测器31和第二干涉光探测器32测量到的两路干涉光信号，即可反映出探测反射面平面反射镜的位移和角抖动情况。

如图4所示的实施例四，与实施例二不同的是，其中探测反射面采用的是一个平面反射镜25和一个角锥棱镜26的组合。经NPBS膜面211半透半反射后的第一透射光束T1入射到角锥棱镜26正中心，被角锥棱镜26反射后沿原路返回；而第一反射光束R1经双斜方棱镜21的高反射面212反射后垂直入射到平面反射镜25上，被平面反射镜25反射后也沿原路返回。两路返回光在NPBS膜面211处各自再被分为两束光，沿准直器22方向的两束光发生干涉，并经准直器22返回到四端口耦合器上，经端口三13出射后入射到第二干涉光探测器32上；另一方向的两束光发生干涉，经双斜方棱镜21的高反射面212反射后入射到第一干涉光探测器31上。同样，通过分析第一干涉光探测器31和第二干涉光探测器32测量到的两路干涉光信号，即可反映出探测反射面平面反射镜的位移和角抖动情况。

上述各实施例中，平面反射镜25和角锥棱镜26的位置可以是固定或可移动的。上述的入射光监视器40、第一干涉光探测器31和第二干涉光探测器32均可采用PD。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上对本实用新型做出的各种变化，均为本实用新型的保护范围。 

Claims (8)

1.一种激光干涉探头，包括耦合单元、两路干涉光探测器和干涉单元，其特征在于：所述干涉单元包括一具有NPBS膜的双斜方棱镜和探测反射面；所述双斜方棱镜的粘合面镀NPBS膜，与该NPBS膜面平行的两侧面均为高反射面，两高反射面之间的侧面分别为入射面和出射面；所述耦合单元包括至少三个端口，端口一为入射端，端口二通过一准直器与双斜方棱镜的入射面连接；端口三与第二干涉光探测器连接；所述第一干涉光探测器设于双斜方棱镜入射面下方的干涉光出射面上；入射光经耦合单元的端口一入射之后，由端口二输出并经准直器准直入射到双斜方棱镜的NPBS膜面，经NPBS膜面分成透射光和反射光,分别入射到探测反射面后反射回NPBS膜面分成两路干涉光，一路沿准直器返回耦合单元并经端口三入射到第二干涉光探测器，一路直接入射到第一干涉光探测器。

2.如权利要求1所述激光干涉探头，其特征在于：所述探测反射面为一平面反射镜或一角锥棱镜，或者是一平面反射镜与一角锥棱镜的组合。

3.如权利要求2所述激光干涉探头，其特征在于：所述平面反射镜和角锥棱镜位置固定或可移动。

4.如权利要求1所述激光干涉探头，其特征在于：所述准直器通过一球关节结构与双斜方棱镜连接。

5.如权利要求1所述激光干涉探头，其特征在于：所述准直器、双斜方棱镜和第一干涉光探测器粘接于一平板上，通过平板的固定孔锁定安装。

6.如权利要求1所述激光干涉探头，其特征在于：所述耦合单元为一三端口环行器。

7.如权利要求1所述激光干涉探头，其特征在于：所述耦合单元为一四端口耦合器，该四端口耦合器包括一对具有光分束片的双光纤准直器，端口一为入射端，端口二通过一准直器与双斜方棱镜的入射面连接；端口三与第二干涉光探测器连接，端口四与一入射光监视器连接。

8.如权利要求7所述激光干涉探头，其特征在于：所述入射光监视器、第一干涉光探测器和第二干涉光探测器均为PD。