CN205138419U - 一种激光波长修正式角反射镜激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种激光波长修正式角反射镜激光干涉仪，所述激光波长修正式角反射镜激光干涉仪，包括激光源、固定角反射镜、光电探测器、测量角反射镜装置和分光镜，所述测量角反射镜装置包括测量角反射镜和精密位移装置，所述精密位移装置为所述测量角反射镜提供与被测物体位移同向或反向的位移。本申请中，将被测物体实际位移中超出半个激光波长的小数部分△L也测量出来补充到位移检测结果中，进而使得本申请的激光干涉仪所测量得到的位移结果更加精确，同时在激光波长修正过程中，精密位移装置进行若干整数波长精确位移，通过精确的距离反求环境等效激光波长，进一步提高本实用新型激光干涉仪的测量精度。

Description

一种激光波长修正式角反射镜激光干涉仪

技术领域

本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种激光波长修正式角反射镜激光干涉仪。

背景技术

激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛：精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等。目前，在大多数激光干涉测长系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构，比如，目前常用的单频激光干涉仪。

单频激光干涉仪是从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接收器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数N，再由电子计算机按计算式L＝N×λ/2，式中λ为激光波长，算出可动反射镜的位移量L。

在实际使用中，本申请的发明人发现，目前的单频激光干涉仪仅对激光干涉波的整数部分进行计数，即，只能在最强干涉时，即最强相长干涉时进行计数，而对于激光干涉过程中，非最强相长干涉时则难以计数，如此使得，其测量精度受限于激光的波长，其精度只能为半个激光波长的整数倍，但是在实际测量中，被测物体产生的位移值通常都是随机的，不可能刚好是半个激光波长的整数倍，即，还存在有超出半个激光波长的小数部分，该部分距离并不能够通过上述的接收器反应出来，所以也无法计算出来。同时由于大气环境的变化，如温度、湿度以及气压的变化，激光波长在环境中发生变化，这直接造成激光干涉测距的精度降低。

虽然，在常规技术领域中，激光的半个波长已具有极高的精度，但是，随着科学技术的进步，在精密测量技术领域中，精密测量的精度要求越来越高，这种半个激光波长的精度，已日渐不能再满足人们的要求。

所以，基于上述不足，目前亟需一种能够提供更高测量精度的激光干涉仪。

发明内容

本发明的目的在于针对目前激光干涉仪精度受限于激光波长，且测量环境对激光波长有直接影响的不足，提供一种具有更高测量精度的激光干涉仪。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种激光波长修正式角反射镜激光干涉仪，包括激光源、固定角反射镜、光电探测器、测量角反射镜装置和分光镜，所述测量角反射镜装置包括测量角反射镜与精密位移装置，所述激光源射出的激光束经所述分光镜后分为第一激光束和第二激光束，第一激光束射向所述固定角反射镜，经所述固定角反射镜反射后再次射向所述分光镜，再经分光镜后射向所述光电探测器，第二激光束射向所述测量角反射镜，经所述测量角反射镜反射后再次射向所述分光镜，经分光镜后射向所述光电探测器，第一激光束与第二激光束在射向所述光电探测器时发生干涉，所述测量角反射镜设置在所述精密位移装置上，所述精密位移装置设置在被测物体上，所述精密位移装置为所述测量角反射镜提供与被测物体位移同向或反向的位移。

本申请的上述方案中，由于将测量角反射镜设置在精密位移装置上，而精密位移装置设置在被测物体上，当被测物体发生位移时，被测物体带动精密位移装置，进而带动测量角反射镜，如此，当被测物体发生位移时，在位移过程中，由于第二激光束光程的变化，使得，第一激光束与第二激光束的干涉状态也随之变化，开始测量工作前，启动精密位移装置，使测量角反射镜产生位移，所述测量角反射镜的位移方向与被测物体的位移方向在同一直线上，当光电探测器检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置，并将光电探测器计数清零，然后再开始测量被测物体的位移，在第一激光束与第二激光束干涉状态变化过程中，光电探测器记录最强相长干涉的次数N，当被测物体移动结束，处于静止状态时，光电探测器停止计数；此时，通过精密位移装置使测量角反射镜在被测物体的位移方向上移动，并观测光电探测器，当光电探测器检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置，并读取精密位移装置为测量角反射镜提供的位移值△L。

若位移△L与被测物体的位移方向相同，则，被测物体实际产生的位移值L＝N×λ/2+(λ/2-△L)，其中△L＜λ/2，式中λ为激光波长；

若位移△L与被测物体的位移方向相反，则，被测物体实际产生的位移值L＝N×λ/2+△L，其中△L＜λ/2，式中λ为激光波长。

如此，通过上述结构，将被测物体实际位移中超出半个激光波长的小数部分△L也测量出来并补充到位移检测结果中，进而使得本申请的激光干涉仪所测量得到的位移结果更加精确，其精确度高于半个激光波长，具体取决于精密位移装置所能提供的位移精度。

作为本申请的优选方案，所述精密位移装置包括支撑平台和设置在所述支撑平台上的驱动装置，所述支撑平台与所述被测物体相配合，所述驱动装置为所述测量角反射镜提供在被测物体位移方向同向或反向上的位移。

作为本申请的优选方案，所述驱动装置为压电陶瓷型驱动装置。

在本方案中，采用压电陶瓷型驱动装置能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，其在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一的微小位移，具有良好的往复形变恢复能力，稳定性好、精度高，进一步提高了本申请精密位移装置的精确性和可靠性。

作为本申请的优选方案，所述精密位移装置还包括设置在所述支撑平台上的第一位移件和设置在所述第一位移件上的第二位移件，所述驱动装置与所述第一位移件相配合，为所述第一位移件提供沿所述支撑平台的位移，所述第一位移件具有一相对于其位移方向倾斜的斜面，所述第二位移件滑动设置在所述第一位移件的斜面上，使所述第二位移件可沿所述第一位移件的斜面滑动，所述第一位移件与第二位移件之间贴紧配合，所述测量角反射镜设置在所述第二位移件上，所述支撑平台上还设置有约束装置，所述约束装置限制所述第二位移件沿所述第一位移件位移方向上的运动，使得当第一位移件被所述驱动装置带动而产生位移时，所述第二位移件被所述第一位移件带动而产生位移，并且，所述第二位移件的位移方向与所述第一位移件的位移方向相垂直，所述第一位移件的斜面与其位移方向的夹角为A度，0<A<45。

在本申请的上述方案中，驱动装置与第一位移件相配合，为第一位移件提供沿支撑平台的位移，第一位移件具有一相对于其位移方向倾斜的斜面，第二位移件滑动设置在第一位移件的斜面上，使第二位移件可沿第一位移件的斜面滑动，在精密位移装置工作时，驱动装置提供一定的位移量推动第一位移件，此时，由于约束装置限制第二位移件沿第一位移件位移方向上的运动，使第二位移件的位移方向与第一位移件的位移方向相垂直，如此，第二位移件的位移量与驱动装置为第一位移件提供的位移量相关，还与第一位移件的斜面与其位移方向的夹角相关。

即，设第一位移件的斜面与其位移方向的夹角为A度，当驱动装置提供的位移量为X时，第二位移件在垂直于驱动装置运动方向上产生的位移量即为Y＝Xtan(A)，如此，当夹角A小于45度时，将得到一个小于X值的位移量，当进一步的减小夹角A时，位移量Y也随之减小，如此，使得在本申请的方案中，精密位移装置通过以行程换精度的方式，直接提高了本申请精密位移装置的精度，也就进一步的提高了本申请激光干涉仪的测量精度。

作为本申请的优选方案，所述第一位移件与所述支撑平台之间还设置有具有磁性的磁性件，所述第二位移件具有磁性，所述第二位移件与所述磁性件为异性相吸状态。使得第一位移件在被推动时，能够保持与第二位移件紧密贴合，保证本申请精密位移装置的精度，进而保证本申请激光干涉仪的测量精度。

作为本申请的优选方案，所述第二位移件上还设置有弹性元件。使得第一位移件在被推动时，能够保持与第二位移件处于接触状态，保证本申请精密位移装置的精度，进而保证本申请激光干涉仪的测量精度。

作为本申请的优选方案，所述第二位移件与所述测量角反射镜为一体式结构。

在上述方案中，第二位移件与测量角反射镜为一体式结构，也就是说，直接在第二位移件上设置一反射面，使其本身形成测量角反射镜，如此，简化了本申请激光干涉仪的结构，方便调试和使用。

在实际测量环境中，激光干涉仪的测量精度还受实际测量环境的影响，由于在实际测量环境中，空气的温度、湿度以及气压的变化，都会导致空气介质的变化，进而使得激光的波长也会发生变化，使得最终的计算结果存在误差；

虽然目前，也存在测量空气折射率的装置，对单点位置的大气温度、湿度以及气压进行测量，通过波长补偿公式对激光波长进行修正，但是其只能够对局部空气进行检测，而在本申请的位移测量领域中，由于其位移是在一个区域内进行，该区域内各个位置的空气各参数都存在有差异，特别是存在较大温度梯度、湿度梯度以及气压梯度等情况，以单点参数修正激光波长将存在较大误差。

所以，基于上述原因，在本申请中，发明人提供了一种激光干涉仪的激光波长修正方法，检测当前测量环境下，激光的环境等效波长λ’，而该λ’值为当前测量环境的等效波长，所以直接避免了不同区域空气折射率不同而带来的问题，如此，减小环境因素带来的误差，进而进一步的提高了本申请激光干涉仪的测量精度。

本申请还公开了一种采用上述激光干涉仪的激光波长修正方法，包括下述步骤：

步骤A：在需要采用激光干涉仪进行位移测量的环境中，安装本发明所述角反射镜激光干涉仪；

步骤B：将测量角反射镜装置设置在被测物体上；

步骤C：调试本发明所述角反射镜激光干涉仪，使形成符合要求的光路，并且，使第一激光束与第二激光束处于干涉状态；

步骤D:启动精密位移装置，使测量角反射镜移动，当光电探测器检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置，并将光电探测器计数清零；

步骤E：再次启动精密位移装置，移动测量角反射镜，使光电探测器记录最强相长干涉的次数M(M为正整数)，并读取M次最强相长干涉对应的测量角反射镜位移值Z；

步骤F：根据Z＝M×λ’/2，得出当前测量环境下，激光的等效波长λ’＝2Z/M。

作为本申请的优选方案，所述步骤D和E中，所述最强相长干涉还可以是最弱相消干涉。在本方案中，在激光波长修正过程中，光电探测器是记录第一激光束与第二激光束最弱相消干涉的次数，如此依然可以实现的激光波长的修正。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、将被测物体实际位移中超出半个激光波长小数部分△L也测量出来补充到位移检测结果中，进而使得本申请的激光干涉仪所测量得到的位移结果更加精确，其精度高于半个激光波长，具体取决于精密位移装置所能提供的位移精度；

2、检测测量环境中激光的等效波长λ’，对激光波长进行修正，如此，减小环境因素带来的误差，进而进一步的提高了本申请激光干涉仪的测量精度。

附图说明：

图1为本发明激光干涉仪结构的光路示意图；

图2为本发明中测量角反射镜与第二位移件为一体式结构的示意图；

图中标记：

1-激光源，2-固定角反射镜，3-光电探测器，4-测量角反射镜装置，5-分光镜，6-测量角反射镜，7-精密位移装置，8-第一激光束，9-第二激光束，10-被测物体，11-支撑平台，12-驱动装置，13-第一位移件，14-第二位移件，15-斜面，16-约束装置，17-磁性件，18-弹性元件。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1、2所示，一种激光波长修正式角反射镜激光干涉仪，包括激光源1、固定角反射镜2、光电探测器3、测量角反射镜装置4和分光镜5，所述测量角反射镜装置4包括测量角反射镜6和精密位移装置7，所述激光源1射出的激光束经所述分光镜5后分为第一激光束8和第二激光束9，第一激光束8射向所述固定角反射镜2，经所述固定角反射镜2反射后再次射向所述分光镜5，再经分光镜5后射向所述光电探测器3，第二激光束9射向所述测量角反射镜6，经所述测量角反射镜6反射后再次射向所述分光镜5，经分光镜5后射向所述光电探测器3，第一激光束8与第二激光束9在射向所述光电探测器3时发生干涉，所述测量角反射镜6设置在所述精密位移装置7上，所述精密位移装置7设置在被测物体10上，所述精密位移装置7为所述测量角反射镜6提供与被测物体10位移同向或反向的位移。

本实施例中，由于将测量角反射镜6设置在精密位移装置7上，而精密位移装置7设置在被测物体10上，当被测物体10发生位移时，被测物体10带动精密位移装置7，进而带动测量角反射镜6，如此，当被测物体10发生位移时，在位移过程中，由于第二激光束9光程的变化，使得第一激光束8与第二激光束9的干涉状态也随之变化，开始测量工作前，启动精密位移装置7，使测量角反射镜6产生位移，所述测量角反射镜6的位移方向与被测物体10的位移方向在同一直线上，当光电探测器3检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置7，并将光电探测器3计数清零，然后再开始测量被测物体10的位移，在第一激光束8与第二激光束9干涉状态变化过程中，光电探测器3记录最强相长干涉的次数N，当被测物体10移动结束，处于静止状态时，光电探测器3停止计数；此时，通过精密位移装置7使测量角反射镜6在被测物体10的位移方向上移动，并观测光电探测器3，当光电探测器3检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置7，并读取精密位移装置7为测量角反射镜6提供的位移值△L。

若位移△L与被测物体10的位移方向相同，则，被测物体10实际产生的位移值L＝N×λ/2+(λ/2-△L)，其中△L＜λ/2，式中λ为激光波长；

而，若位移△L与被测物体10的位移方向相反，则，被测物体10实际产生的位移值L＝N×λ/2+△L，其中△L＜λ/2，式中λ为激光波长。

如此，通过上述结构，将被测物体10实际位移中超出半个激光波长的小数部分△L也测量出来并补充到位移检测结果中，进而使得本申请的激光干涉仪所测量得到的位移结果更加精确，其精度高于半个激光波长，具体取决于精密位移装置7所能提供的位移精度。

实施例2

如图1、2所示，如实施例1所述的激光干涉仪，所述精密位移装置7包括支撑平台11和设置在所述支撑平台11上的驱动装置12，所述支撑平台11与所述被测物体10相配合，所述驱动装置12为所述测量角反射镜6提供在被测物体10位移方向上的位移，所述驱动装置12为压电陶瓷型驱动装置。

在本实施例中，采用的压电陶瓷型驱动装置12为能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，其在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一的微小位移，具有良好的往复形变恢复能力，稳定性好、精度高，进一步提高了本实施例中精密位移装置7的精度。

实施例3

如图1、2所示，如实施例2所述的激光干涉仪，所述精密位移装置7还包括设置在所述支撑平台11上的第一位移件13和设置在所述第一位移件13上的第二位移件14，所述驱动装置12与所述第一位移件13相配合，为所述第一位移件13提供沿所述支撑平台11的位移，所述第一位移件13具有一相对于其位移方向倾斜的斜面15，所述第二位移件14滑动设置在所述第一位移件13的斜面15上，使所述第二位移件14可沿所述第一位移件13的斜面15滑动，所述第一位移件13与第二位移件14之间贴紧配合，所述测量角反射镜6设置在所述第二位移件14上，所述支撑平台11上还设置有约束装置16，所述约束装置16限制所述第二位移件14沿所述第一位移件13位移方向上的运动，使得当第一位移件13被所述驱动装置12带动而产生位移时，所述第二位移件14被所述第一位移件13带动而产生位移，并且，所述第二位移件14的位移方向与所述第一位移件13的位移方向相垂直，所述第一位移件13的斜面15与其位移方向的夹角为A度，优选0<A<45。

在实施例中，驱动装置12与第一位移件13相配合，为第一位移件13提供沿支撑平台11的位移，第一位移件13具有一相对于其位移方向倾斜的斜面15，第二位移件14滑动设置在第一位移件13的斜面15上，使第二位移件14可沿第一位移件13的斜面15滑动，在精密位移装置7工作时，驱动装置12提供一定的位移量推动第一位移件13，此时，由于约束装置16限制第二位移件14沿第一位移件13位移方向上的运动，使第二位移件14的位移方向与第一位移件13的位移方向相垂直，如此，第二位移件14的位移量与驱动装置12为第一位移件13提供的位移量相关，还与第一位移件13的斜面15与其位移方向的夹角相关。

即，设第一位移件13的斜面15与其位移方向的夹角为A度，当驱动装置12提供的位移量为X时，第二位移件14在垂直于驱动装置12运动方向上产生的位移量即为Y＝Xtan(A)。优选地是，当夹角A小于45度时，将得到一个小于X值的位移量，当进一步的减小夹角A时，位移量Y也随之减小，如此，使得在本实施例中，精密位移装置7通过以行程换精度的方式，直接提高了本实施例精密位移装置7的精度，也就进一步的提高了本实施例激光干涉仪的测量精度。

实施例4

如图2所示，如实施例3所述的激光干涉仪，所述第一位移件13与所述支撑平台11之间还设置有具有磁性的磁性件17，所述第二位移件14具有磁性，所述第二位移件14与所述磁性件17为异性相吸状态，所述第二位移件14与所述测量角反射镜6为一体式结构。使得第一位移件13在被推动时，测量角反射镜6能够保持与第二位移件14紧密贴合，保证本申请精密位移装置7的精度，进而保证本申请激光干涉仪的测量精度，第二位移件14与测量角反射镜6为一体式结构，也就是说，直接在第二位移件14上设置一反射面，使其本身形成测量角反射镜6，如此，简化了本实施例激光干涉仪的结构，方便调试和使用。

实施例5

如图1、2所示，如实施例3所述的激光干涉仪，所述第二位移件14还设置有具有弹性元件18，使得第一位移件13在被推动时，能够保持与第二位移件14处于接触状态，保证本申请精密位移装置的精度，进而保证本申请激光干涉仪的测量精度。

实施例6

如图1-2所示，一种采用实施例1-5任意一项激光干涉仪的激光波长修正方法，包括下述步骤：

步骤A：在需要采用激光干涉仪进行位移测量的环境中，安装本发明所述角反射镜激光干涉仪；

步骤B：将测量角反射镜装置4设置在被测物体10上；

步骤C：调试本发明所述角反射镜激光干涉仪，使形成符合要求的光路，并且，使第一激光束8与第二激光束9处于干涉状态；

步骤D:启动精密位移装置7，使测量角反射镜6移动，当光电探测器3检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置7，并将光电探测器3计数清零；

步骤E：再次启动精密位移装置7，移动测量角反射镜6，使光电探测器3记录最强相长干涉的次数M(M为正整数)，并读取M次最强相长干涉对应的测量角反射镜6位移值Z；

步骤F：根据Z＝M×λ’/2，得出当前测量环境下，激光的等效波长λ’＝2Z/M。

在实际测量环境中，激光干涉仪的测量精度还受实际测量环境的影响，由于在实际测量环境中，空气的温度、湿度以及气压的变化，都会导致空气介质的变化，进而使得激光的波长也会发生变化，使得最终的计算结果存在误差；

虽然目前，也存在测量空气折射率的装置，对单点位置的大气温度、湿度以及气压进行测量，通过波长补偿公式对激光波长进行修正，但是其只能够对局部空气进行检测，而在本申请的位移测量领域中，由于其位移是在一个区域内进行，该区域内各个位置的空气各参数都存在有差异，特别是存在较大温度梯度、湿度梯度以及气压梯度等情况，则以单点参数修正激光波长将存在较大误差。

所以，基于上述原因，在本实施例中，发明人提供了一种激光干涉仪的激光波长修正方法，检测当前测量环境下，激光的环境等效波长λ’，而该λ’值为当前测量环境的等效波长，所以直接避免了不同区域空气折射率不同而带来的问题，如此，减小环境因素带来的误差，进而进一步的提高了本申请激光干涉仪的测量精度。

实施例7

如图1-2所示，如实施例6所述的激光波长修正方法，所述步骤D至步骤E中，所述最强相长干涉为最弱相消干涉。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种激光波长修正式角反射镜激光干涉仪，其特征在于，包括激光源、固定角反射镜、光电探测器、测量角反射镜装置和分光镜，所述测量角反射镜装置包括测量角反射镜与精密位移装置，所述激光源射出的激光束经所述分光镜后分为第一激光束和第二激光束，第一激光束射向所述固定角反射镜，经所述固定角反射镜反射后再次射向所述分光镜，再经分光镜后射向所述光电探测器，第二激光束射向所述测量角反射镜，经所述测量角反射镜反射后再次射向所述分光镜，经分光镜后射向所述光电探测器，第一激光束与第二激光束在射向所述光电探测器时发生干涉，所述测量角反射镜设置在所述精密位移装置上，所述精密位移装置设置在被测物体上，所述精密位移装置为所述测量角反射镜提供与被测物体位移同向或反向的位移，所述精密位移装置包括支撑平台和设置在所述支撑平台上的驱动装置，所述支撑平台与所述被测物体相配合，所述驱动装置为所述测量角反射镜提供在被测物体位移方向上的位移，所述驱动装置为压电陶瓷型驱动装置，还包括设置在所述支撑平台上的第一位移件和设置在所述第一位移件上的第二位移件，所述驱动装置与所述第一位移件相配合，为所述第一位移件提供沿所述支撑平台的位移，所述第一位移件具有一相对于其位移方向倾斜的斜面，所述第二位移件滑动设置在所述第一位移件的斜面上，使所述第二位移件可沿所述第一位移件的斜面滑动，所述第一位移件与第二位移件之间贴紧配合，所述测量角反射镜设置在所述第二位移件上，所述支撑平台上还设置有约束装置，所述约束装置限制所述第二位移件沿所述第一位移件位移方向上的运动，使得当第一位移件被所述驱动装置带动而产生位移时，所述第二位移件被所述第一位移件带动而产生位移，并且，所述第二位移件的位移方向与所述第一位移件的位移方向相垂直，所述第一位移件的斜面与其位移方向的夹角为A度，0<A<45，所述第二位移件上设置有弹性元件，使得第二位移件与第一位移件保持接触状态。

2.如权利要求1所述的激光波长修正式角反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述第一位移件与所述支撑平台之间还设置有具有磁性的磁性件，所述第二位移件具有磁性，所述第二位移件与所述磁性件为异性相吸状态。

3.如权利要求2所述的激光波长修正式角反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述第二位移件与所述测量角反射镜为一体式结构。