一种用于测量直线位移的差分平面反射镜激光干涉系统

摘要

一种用于测量直线位移的差分平面反射镜激光干涉系统，由激光源、五面偏振分光棱镜、四分之一波片b、四分之一波片c、角隅棱镜、参考镜、测量镜、起偏器、光电检测器和相位计构成；激光源产生频率稳定的入射光束，同时给出一个稳定的参考信号源；入射光束在五面偏振分光棱镜、四分之一波片和角隅棱镜作用下，分别被参考镜和测量镜反射两次，由五面偏振分光棱镜出射；通过起偏器的干涉，由光电检测器接收并产生电测量信号，通过相位计与电参考信号进行比相，即可测出与被测件固定连接的测量镜的线位移。本发明的优点是：结构简单、成本较低、光程死区小、测量精度高，可广泛用于军工、航天及数控机床等领域的几何量精密测量和计量基准的建立。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及激光精密测量技术，特别是一种用于测量直线位移的差分平面反射镜激光干涉系统。

(二)背景技术

差分平面反射镜干涉仪是80年代中期研制的一种新型激光干涉仪，其主要特点是光学分辨率高且能使光程死区达到最小，具有较高的稳定性和测量精度，可完成各项参数的标准测量，如线性位置精度、重复定位精度、角度、直线度、垂直度、平行度等，所以适应于各种几何量精密计量的测量和基准的建立，包括军工、航天等精密基准计量，可以用来校准各种数控机床和三坐标测量机，并且可以用以控制光栅刻划工作台、高性能精密数控机床的定位及其它定位装置，例如纳米测量定位工作台和扫描探针显微镜等。传统的差分平面反射镜干涉仪的缺点是结构比较复杂，由于辅助光学元件较多，因此使得测量光束须经过多次反射，光束能量的减弱和偏振态的泄漏使得测量信号信噪比低，同时也影响了测量的精度。

(三)发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种结构简单、测量精度高、成本低且便于生产的用于测量直线位移的差分平面反射镜激光干涉系统。

本发明的技术方案：

一种用于测量直线位移的差分平面反射镜激光干涉系统，其特征在于：由激光源、五面偏振分光棱镜、四分之一波片b、四分之一波片c、角隅棱镜、参考镜、测量镜、起偏器、光电检测器和相位计构成；所述激光源一方面对五面偏振分光棱镜产生稳定频率的入射光束，该光束含有两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量，同时也对相位计给出一个稳定的正弦电参考信号，该参考信号的频率等于激光源两个分量的频率差；五面偏振分光棱镜由两块直角棱镜粘合而成，在胶合面镀有一层偏振分光膜，光的入射面和出射面镀有增透膜，胶合面等效于偏振分光镜故称为偏振分光面，与偏振分光面对称的棱镜面a和棱镜面b镀有抗反射膜，其作用是通过偏振分光面把偏振方向相互正交的从棱镜面a入射的两束光束分开并经棱镜面a和棱镜面b的反射后从棱镜面c出射，最后又将反射回棱镜面c的光束通过偏振分光面合成一道从棱镜面a出射；四分之一波片b和四分之一波片c分别位于棱镜面b和棱镜面c的两侧且与其平行，其作用是将通过四分之一波片的线偏振光转化成圆偏振光或者将通过四分之一波片的圆偏振光转化成线偏振光；角隅棱镜设置在四分之一波片b的后面且其轴线与棱镜面b垂直，角隅棱镜将从棱镜面b出射并经四分之一波片b后入射的光束反射回去，而且入射光束与反射光束相互平行且不在一个高度上；参考镜和测量镜依次设置在四分之一波片c的后面且均与棱镜面c平行，其作用是分别反射来自四分之一波片c的光束，参考镜固定设置，测量镜与工作台相连且随被测件作直线位移并引起参考光路和测量光路之间光程差的变化；起偏器与棱镜面a平行设置，其作用是混合从棱镜面a出射光束中的两正交分量；光电检测器接收来自起偏器的光束并产生正弦电测量信号输入相位计；相位计用来测量上述正弦电测量信号和前述正弦电参考信号之间的相位差，该相位差与测量镜直线位移引起的光程差变化成正比。

所述激光源为双频激光或单频偏振激光。

所述角隅棱镜、四分之一波片b和棱镜面b的中心位于同一轴线上。

所述棱镜面c、四分之一波片c、参考镜和测量镜的中心位于同一轴线上。

所述参考镜上设有两个孔使从四分之一波片c出射到测量镜以及从测量镜反射回四分之一波片c的测量光穿过该孔。

本发明的工作原理：

进出五面偏振分光棱镜偏振分光面的入射光束和出射光束，都有两个偏振方向正交的频率分量，每个频率的分量在五面偏振分光棱镜中都经过了相同的光程(空气和玻璃)，但往返测量镜和参考镜的光路不一定相同，它们之间的光程差nl会随测量镜的位移产生变化(n是测量光路和参考光路的介质折射率，假如测量光路和参考光路的介质折射率不相同时，则取两介质折射率差；l是测量光路和参考光路的几何距离差)。光程差nl的变化，致使经过整个系统最后从五面偏振分光棱镜出射的光束中的两个频率分量之间产生相位差的变化。测量信号和参考信号之间的相位变化通过相位计测得，其直接正比于测量光路和参考光路之间的光程差nl的变化。如果n保持不变，则相位差的变化直接正比于测量镜直线移动的距离L。可以看出该光路的特性是对外来干扰非常不敏感，因为其他光学元件的变化，如机械或温度引起的误差，都共同作用于两个频率分量，因此对所测的相位变化没有影响。

本发明的优点是：该仪器所需光学器件少，结构简单，便于生产和加工，因此成本较低；由于光路结构对两个频率分量对称，当温度或者机械变化对光学元件产生各种影响时，都将同时作用于两个光频率分量，不会引起它们之间相位差的变化，从而降低了产生误差的可能性，所以系统稳定，完全可以达到高精度的测量指标；特别适用于几何量精密测量和计量基准的建立，其中包括军工、航天等精密基准计量、各种数控机床和三坐标测量仪的定位或校准、光栅刻划工作台及各种测量定位工作台的定位测量等。

(四)附图说明

图1为该激光干涉系统的结构示意图。

图2为该激光干涉系统的光路平面展开示意图。

图中：1.激光源    2.五面偏振分光棱镜    3.偏振分光面4.棱镜面a    5.棱镜面b    6.棱镜面c    7.四分之一波片b8.角隅棱镜    9.四分之一波片c    10.参考镜    11.测量镜12.起偏器    13.光电检测器    14.相位计

图中其余编号均为光束。

(五)具体实施方式

实施例：

一种用于测量直线位移的差分平面反射镜激光干涉系统，如图1所示，由激光源1、五面偏振分光棱镜2、四分之一波片b 7、四分之一波片c 9、角隅棱镜8、参考镜10、测量镜11、偏振器12、光电检测器13和相位计14构成；所述激光源1采用双频激光，激光源1一方面对五面偏振分光棱镜2产生频率稳定的入射光束，该光束含有两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量，同时也对相位计14给出一个稳定的正弦电参考信号，该参考信号的频率等于激光源1两个分量的频率差；五面偏振分光棱镜2由两块直角棱镜粘合而成，在胶合面镀有一层偏振分光膜，光的入射面和出射面即棱镜面a 4和棱镜面c 6均镀有增透膜，胶合面等效于偏振分光镜故称为偏振分光面3，相对偏振分光面3对称的棱镜面a 4和棱镜面b 5镀有抗反射膜，其作用是通过偏振分光面3把偏振方向相互正交的从棱镜面a 4入射的两束光束分开并经棱镜面a 4和棱镜面b 5的反射后从棱镜面c 6经四分之一波片c 9出射到参考镜10与测量镜11，参考镜10上设有两个小孔，使得测量光可以穿过参考镜10，到达测量镜11，然后将反射回棱镜面c 6的光束通过偏振分光面3合成一道从棱镜面b 5出射到角隅棱镜8，并且通过偏振分光面3把由角隅棱镜8反射回来的偏振方向相互正交的两束光束分开，并经棱镜面a 4和棱镜面b 5的反射后从棱镜面c 6经四分之一波片c 9再次出射到参考镜10与测量镜11，最后，又将反射回棱镜面c 6的光束通过偏振分光面3合成一道从棱镜面a 4出射；四分之一波片b 7和四分之一波片c 9分别位于棱镜面b 5和棱镜面c 6的两侧且与其平行，其作用是将通过四分之一波片b 7和四分之一波片c 9的线偏振光转化成圆偏振光，或者反过来将圆偏振光转化成线偏振光；角隅棱镜8设置在四分之一波片b 7的后面且其轴线与棱镜面b 5垂直，角隅棱镜8、四分之一波片b 7和棱镜面b 5的中心位于同一轴线上，角隅棱镜8将从棱镜面b 5出射并经四分之一波片b 7后入射的光束反射回去，而且入射光束与反射光束相互平行且不在一个高度上；参考镜10和测量镜11依次设置在四分之一波片c 9的后面且均与棱镜面c6平行，棱镜面c 6、四分之一波片c9、参考镜10和测量镜11的中心位于同一轴线上，参考镜10和测量镜11的作用是反射来自四分之一波片c 9的光束，参考镜10固定设置，测量镜11与工作台相连且随被测件作直线位移并引起参考光路和测量光路之间光程差的变化；起偏器12与棱镜面a 4平行设置，其作用是混合从棱镜面a 4出射光束中的两正交分量；光电检测器13接收来自起偏器12的光束并产生正弦电测量信号输入相位计14；相位计14用来测量上述正弦电测量信号和前述正弦电参考信号之间的相位差，该相位差的变化与测量镜11直线位移引起的光程差变化成正比。

本发明的光路特性：

参见图2，该系统中的所有光束(用括号内的序号表示)都展开在同一平面内。激光器1发出入射光束(15)，该光束具有两个稳定的频率分量，偏振方向互相正交，用两个箭头表示；该光源同时提供了一个参考信号，它等于两稳定光频率的差。光束(15)入射到五面偏振分光棱镜2，其中棱镜面a 4和棱镜面b 5表面镀有抗反射膜，偏振分光面3镀有偏振分光膜，将两线偏振方向相互正交的平行入射面的p光(16)和垂直入射面的s光(17)分开。两光束经过棱镜面a 4和棱镜面b 5反射后，射出五面偏振分光棱镜2，即光束(20)和(21)。

光束(20)和(21)经过四分之一波片c 9后分别转化成圆偏振光束(22)和(23)，光束(22)被参考镜10反射成为光束(22A)，与此同时，光束(23)被与工作台相连的测量镜11反射成为光束(23A)，该工作台的线性位移量可以通过两个频率分量之间产生的相位差变化测得；光束(22A)和(23A)再次经过四分之一波片c 9后转化成偏振方向与原入射光束(20)和(21)相互正交的线偏振光(24)和(25)，光束(24)和(25)进入五面偏振分光棱镜2，经棱镜面a4和棱镜面b 5反射后，在偏振分光面3合并成光束(28)。光束(28)射出五面偏振分光棱镜2后经过四分之一波片b 7成为光束(29)，被角隅棱镜8反射后成为光束(30)，然后经过四分之一波片b 7转化成为光束(31)，由于角隅棱镜8的特性，光束(29)和光束(30)相互平行。

光束(31)再次入射五面偏振分光棱镜2，在偏振分光面3上分成两束偏振方向相互垂直的光(50)和(51)；光(50)和(51)经过棱镜面a 4和棱镜面b 5反射后成为光束(52)和(53)出射五面偏振分光棱镜2，然后经过四分之一波片c 9成为光束(54)和(55)。光束(54)被参考镜10反射后形成光束(54A)，同时，光束(55)被测量镜11反射后形成光束(55A)。光束(54A)和(55A)又一次经过四分之一波片c 9形成光束(56)和(57)，此时光束(56)和(57)的偏振方向与原光束(21)和(20)的偏振方向一致；光束(56)和(57)进入五面偏振分光棱镜2，经过棱镜面a 4和棱镜面b 5反射后形成光束(58)和(59)，在偏振分光面3合并成光束(60)出射五面偏振分光棱镜2。光束(60)通过起偏器12和光电检测器13后，与光束(15)一同进入相位计14，以便测量正弦电测量信号和正弦电参考信号之间的相位差。