一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪及使用方法

摘要

本发明公开了一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪及使用方法，其中激光干涉仪包括激光源、分光镜、微动角反射镜、测量角反射镜、光电探测器，还包括可移动微动平台，微动角反射镜与测量角反射镜包括一个向内凹陷的直角反射面，微动角反射镜连接在微动平台上；该微动平台优选为压电陶瓷。该改进型角反射镜激光干涉仪通过设置一个可移动微动平台，使微动角反射镜发生位移，配合测量角反射镜、激光源、分光镜、光电探测器，能够获得激光干涉过程中难以测量的干涉波的小数部分，可以进一步提高该激光干涉仪的测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种移动补偿式角反 射镜激光干涉仪及使用方法。

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。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。

单频激光干涉仪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受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， 再由电子计算机按计算式L＝N×λ/2，式中λ为激光波长(N为电脉冲总数)，算出 可动反射镜的位移量L。

单频激光干涉仪的弱点之一是仅对激光干涉波的整数部分进行计数，而对 于激光干涉过程中存在的不足一个波长的干涉情况难以测量，测量精度有限。

单频激光干涉仪由于测量结构的问题，其测量精度受限于激光的波长，其 精度一般只能为其波长的整数倍，很难再进行提升。随着工业生产对精密测量 的要求越来越高，对测量仪器的测量精度提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有激光干涉仪测量精度仅可测量获取激光干涉中 整数倍波长，测量精度难以提升的弊端，提供一种移动补偿式角反射镜激光干 涉仪，同时还提供了一种使用方法，该激光干涉仪在现有迈克尔逊激光干涉仪 的基础上，采用压电陶瓷这种微位移结构，除了能够获得测量角反射镜整数倍 于激光波长的移动距离部分外，还能测量得到小于激光波长的移动距离部分， 因此该激光干涉仪大大提高传统激光干涉测量仪的测量精度。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、微动角反射 镜、测量角反射镜，还包括可移动的微动平台，所述微动角反射镜与所述测量 角反射镜包括有一个向内凹陷的直角反射面，所述微动角反射镜连接在微动平 台上。

该激光源发出的激光到分光镜时分成两束激光，其中一束激光经分光镜反 射后射入微动角反射镜，经微动角反射镜反射后入射到光电探测器；另一束激 光经分光镜透射后入射到测量角反射镜，经测量角反射镜反射到光电探测器， 光电探测器即能检测两束激光的干涉情况。

由于微动角反射镜连接在微动平台上，微动平台是指其能够发生非常小的 位移，精度达到纳米精度。当微动平台保持不动，测量角反射镜发生一定位移 时，光电探测器能够测得波长为λ的激光干涉波的数量，由于光电探测器此时测 量到的是整数个激光干涉波，并不包含小于激光波长的距离部分Δd，该部分也 并未而且也并不可能以激光干涉波的干涉数量来体现，因此该测量的激光干涉 波数量对应的距离d大小反应的其实是测量角反射镜发生位移的真实距离中整 数倍于激光波长的部分；当测量角反射镜保持不动，微动平台发生位移，相应 的微动角反射镜也会发生位移，发生位移后的微动角反射镜能够改变该束激光 的光程，由此光电探测器所接收到的两束激光光程差发生改变，会产生激光干 涉，直到光电探测器探测到产生了一个激光干涉波时，即最强干涉状态或最弱 干涉状态，微动平台停止位移，此时根据微动平台发生位移的距离即能计算得 到测量角反射镜位移部分的小于激光波长的移动距离Δd。

因此，该激光干涉测量仪可以精确得到测量角反射镜移动距离的更为准确 的长度，能够测得小于激光干涉波长的移动距离部分，从而提高了测量精度。

优选地，所述微动平台为压电陶瓷。

压电陶瓷是一种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位移，具有 往复形变恢复能力，稳定性好、精度高。

优选地，连接所述微动角反射镜的所述压电陶瓷表面产生的位移最大值等 于所述激光源的激光波长，其位移精度可以达到纳米。

本发明还公开了一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪的使用方法，包括以 下步骤：

步骤一、将所述微动角反射镜固定在所述微动平台上，调整好所述激光源、 分光镜、微动角反射镜、测量角反射镜、光电探测器的位置；

步骤二、启动所述激光源，所述激光源发出的激光到所述分光镜，经所述 分光镜反射后的激光入射至所述微动角反射镜，经所述微动角反射镜反射到所 述光电探测器；所述激光源发出的激光到所述分光镜，经所述分光镜透射后入 射到所述测量角反射镜，经所述测量角反射镜反射到所述光电探测器，光电探 测器可以检测出激光干涉状态，干涉光路调整完成；

步骤三、首先将测量角反射镜固定在被测对象的相对距离测量的起始位置， 此时控制所述微动平台移动，使微动角反射镜沿激光入射方向移动，当所述光 电探测器测得一个激光干涉波时，最强干涉状态或最弱干涉状态，固定所述微 动平台。将所述测量角反射镜在干涉光路方向移动距离d，对应所述光电探测器 测得波长为λ的激光干涉波的数量为N，此时根据激光波长λ计算获得所述测量角 反射镜的移动距离

步骤四、固定所述测量角反射镜，控制所述微动平台移动，使所述微动角 反射镜沿所述激光入射的方向移动，当所述光电探测器再次测得一个激光干涉 波时，此时微动平台移动距离为l，则可获得所述测量角反射镜在干涉光路方向 移动距离中小于激光波长部分的未被检测到的距离Δd为l，由此，可获得步骤三 中所述测量角反射镜的移动距离更为精确的值为

由于步骤四中微动平台的移动方向是沿着激光入射的方向，那么其微动平 台的移动距离l相当于增加了该光束激光的光程2l，若该光束激光的光程增加量 正好等于测量角反射镜移动距离中小于激光波长的部分距离Δd带来的另一个光 束光程量2Δd，即2Δd＝2l，那么Δd＝l，因此可获得测量角反射镜的移动距离更 为精确的值为$d^{\prime }=d+\mathrm{\Delta d}=\frac{\lambda \times N}{2}+l.$

优选地，所述步骤四中的所述微动角反射镜的位移方向是沿着所述激光反 射的方向，那么最后获得的所述测量角反射镜的移动距离更为精确的值为 $d^{\prime }=\frac{\lambda \times (N+1)}{2}-l.$

当微动角反射镜的位移方向是沿着激光反射的方向，其微动平台的移动距 离l相当于减少了该光束激光的光程2l，若该光束激光的光程减少量加上测量角 反射镜移动距离中小于激光波长的部分距离Δd带来的另一个光束光程量，正好 等于一个干涉波长2Δd+2l＝λ，即因此，可以通过该方法获得的测量角 反射镜的移动距离更为精确的值为

与现有技术相比，本发明的有益效果：该改进型角反射镜激光干涉仪通过 设置一个可移动微动平台，将具有直角反射平面的微动角反射镜设置在微动平 台上，配合测量角反射镜、激光源、分光镜、光电探测器，除了可以获得测量 角反射镜移动距离中整数倍于激光波长的长度部分，还能测量得到激光干涉过 程中难以测量的小于激光波长的部分距离长度，提高该激光干涉仪的测量精度， 操作方便、计算简单，可靠性好。

附图说明：

图1为本发明所述一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪使用时的激光光路 示意图。

图中标记：

1、激光源，2、分光镜，3、微动角反射镜，4、测量角反射镜，5、光电探 测器，6、微动平台。

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。

如图1所示，一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪，包括激光源1、分光镜 2、微动角反射镜3、测量角反射镜4、光电探测器5、微动平台6，其中微动角 反射镜3与测量角反射镜4包括有一个向内凹陷的直角反射面，微动角反射镜3 连接在微动平台6上，该微动角反射镜3是可以发生位移的角反射镜，其微动 的位移量是通过微动平台6的移动产生的。

该激光源1发出的激光到分光镜2时分成两束激光，其中一束激光经分光 镜2反射后射入微动角反射镜3，经微动角反射镜3反射后入射到光电探测器5； 另一束激光经分光镜2透射后入射到测量角反射镜4，经测量角反射镜4反射到 光电探测器5，光电探测器5即能检测两束激光的干涉情况。

本发明所指的微动平台6是指其能够发生非常小的位移的装置，其移动精 度可小至纳米范围。由于微动角反射镜3连接在微动平台6上，当测量角反射 镜4保持不动，微动平台6发生位移，相应的微动角反射镜3也会发生位移， 发生位移后的微动角反射镜3会增加或减少了对应该束激光的光程，由此光电 探测器5所接收到的两束激光光程差发生改变，发生干涉变化。

具体的，当微动平台6保持不动，测量角反射镜4发生一定位移时，设该 待测位移量实际值为d′。通过光电探测器5能够测得波长为λ的激光干涉波的数 量，由于光电探测器5测量到的是整数个激光干涉波数量，该测量的激光干涉 波数量对应的距离大小反应的其实是测量角反射镜4发生位移的真实距离中整 数倍于激光波长的部分长度d，并不包含实际值中小于激光波长的部分距离Δd。 当测量角反射镜4保持不动，微动平台6发生位移，相应的微动角反射镜3也 会发生位移l，发生位移后的微动角反射镜3能够改变该束激光的光程，由此光 电探测器5所接收到的两束激光光程差发生改变，会产生激光干涉的改变，当 光电探测器5探测到产生了一个激光干涉波时，微动平台6停止移动，此时假 设微动平台6发生的位量为l，根据微动平台6发生的位移量即能计算得到测量 角反射镜4位移部分的小于激光波长的移动距离Δd。所以该激光干涉测量仪可 以精确得到测量角反射镜4移动距离的更为准确的长度，能够测得小于激光干 涉波长的移动距离部分，从而提高了测量精度。

优选该微动平台6为压电陶瓷，压电陶瓷是一种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位移，具有往复形变恢复能力，稳定性好、精度高。

本发明还公开了一种移动补偿式角反射镜激光干涉仪的使用方法，包括以 下步骤：

步骤一、将微动角反射镜3固定在所述微动平台6上，调整好激光源1、分光镜 2、微动角反射镜3、测量角反射镜4、光电探测器5的位置；

步骤二、启动激光源1，激光源1发出的激光到所述分光镜2反射，经所述分光 镜2反射至所述微动角反射镜3，经所述微动角反射镜3反射到所述光电探测器 5；激光源1发出的激光到分光镜2，经所述分光镜2透射后入射到测量角反射 镜4，经测量角反射镜4反射到光电探测器5，光电探测器5可以检测出激光干 涉状态，干涉光路调整完成；

步骤三、首先将测量角反射镜4固定在被测对象的相对距离测量的起始位置， 此时控制微动平台6移动，使微动角反射镜3沿激光入射方向移动，当光电探 测器5测得一个激光干涉波时，即最强干涉状态或最弱干涉状态，固定所述微 动平台6。将所述测量角反射镜4在干涉光路方向移动距离d，对应光电探测器 5测得波长为λ的激光干涉波的数量为N，此时根据激光波长λ计算获得所述测量 角反射镜4的移动距离

步骤四、固定测量角反射镜4，控制微动平台6移动，使微动角反射镜3在激光 入射方向移动，当光电探测器5再次测得一个干涉波时，此时微动平台移动距 离设为距离l，则可以获得被测的测量角反射镜4移动距离中未能被光电探测器 5测得的小于激光波长的部分长度，因此可获得步骤三所测移动距离的精确值为 $d^{\prime }=\frac{\lambda \times N}{2}-l.$

上述步骤四中，当微动平台6的移动方向是沿着激光入射的方向，那么其 微动平台6的移动距离l相当于增加了该光束激光的光程2l，若该光束激光的光 程增加量正好等于测量角反射镜4移动距离中小于激光波长的部分距离Δd带来 的另一个光束光程量2Δd，即2Δd＝2l，那么Δd＝l，因此可获得测量角反射镜4 的移动距离更为精确的值为当微动角反射镜3的位移方向 是沿着激光反射的方向，其微动平台6的移动距离l相当于减少了该光束激光的 光程2l，若该光束激光的光程减少量加上测量角反射镜4移动距离中小于激光 波长的部分距离Δd带来的另一个光束光程量，正好等于一个干涉波长 2Δd+2l＝λ，即因此，可以通过该方法获得的测量角反射镜4的移动距 离更为精确的值为$d^{\prime }=d+\mathrm{\Delta d}=\frac{\lambda \times (N+1)}{2}-l.$

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。