干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正方法及装置

摘要

干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正方法及装置属于激光测量技术领域，本发明利用光开关实现对参考光和测量光强度的分离测量，进而提取出相关光信号中的非线性误差参数，最终对正交信号的直流偏置误差和幅值不等误差进行矫正；本发明实现了单频激光干涉仪信号中非线性误差参数的开机即提取、对单频激光干涉仪中的非线性误差做出快速实时修正的技术效果。

说明书

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，主要涉及一种单频激光干涉仪非线性误差修正方法与装 置。

背景技术

在超精密测量飞速发展的今天，快速超精密位移测量得到了广泛的关注与研究，其中在 航天领域的应用对测量的精度提出了更高的要求。单频激光干涉仪相比于双频激光干涉仪具 有结构简单、电路处理容易、对环境的要求较低等多种优点，其测量速度在原理上不受限制， 因而是高速长度和位移测量领域的主要手段。然而，非线性误差一直是限制单频激光干涉仪 精度的关键问题。

1981年，Heydemann提出利用最小二乘法的椭圆拟合方法获取干涉信号中的非线性误差 参数进而对非线性误差进行修正(P.L.M.Heydemann，Determination and correction of  quadrature fringe measurement errors in interferometers.Appl.Opt.1981，20：3382-3384)；德国联 邦物理技术研究院的Dai提出利用ADC探测四通道单频激光干涉仪各通道信号的峰谷值实 时提取非线性误差参数并对其做出修正(Dai，G.-L.；Pohlenz，F.；Danzebrink，H.-U.；Hasche，K.； Wilkening，G.Improving the performance of interferometers in metrological scanning probe  microscopes.Meas.Sci.Technol.2004，15：444-450)，称其为实时Heydemann修正方法。然而 上述这些方法一般都需要目标镜位移达到λ/2才可对信号非线性误差参数做出较准确的识别， 当目标镜位移小于λ/2时，测得的数据离散性较高，无法对非线性误差参数做出准确识别， 因而修正的效果不好。

2012年，Rerucha提出通过调制激光光源频率的方法，实现单频激光干涉仪在准静态下 非线性误差参数的识别(Rerucha S，Buchta Z，Sarbort M，et al.Detection of interference phase by  digital computation of quadrature signals in homodyne laser interferometry.Sensors，2012，12(10)： 14095-14112)，然而这种方法需要附加可调制激光光源，而且识别需要一定的时间。

发明内容

针对上述Heydemann修正方法在目标镜位移小于λ/2时无法准确提出非线性误差参数并 修正，以及光源调制法识别非线性误差需要可调制激光光源的问题，本发明提出和研发了一 种干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正方法及装置，达到可以实现单频激光干涉仪开 机即获得非线性误差参数、并在位移测量时做出修正的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正方法，该方法步骤如下：

(1)打开单频激光干涉仪，位于参考光路和测量光路上的光开关S_r、S_m同时切换至打开 状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离为参考光束和测量光束，每路光束先后通 过1/4波片、光开关，再经反射镜反射后原路返回，偏振态被旋转90°后再次入射偏振分光棱 镜；从偏振分光棱镜出射的正交的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依 次相差π/2的相干光；

(2)使S_r切换至打开状态，同时S_m切换至关闭状态；此时测量光束被光开关S_m阻断， 参考光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号I_r1、I_r2、 I_r3、I_r4；

(3)使S_r切换至关闭状态，同时S_m切换至打开状态；此时参考光束被光开关S_r阻断，测 量光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号I_m1、I_m2、 I_m3、I_m4；

(4)重新使两个光开关S_r、S_m同时切换至打开状态，此时参考光束和测量光束皆可正常 通过光开关S_r、S_m，单频激光干涉仪正常工作，完成对目标的测量；此时四路探测器上的信 号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号I₁、I₂、I₃、I₄。

(5)对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算

$I_x=\frac{(I_1-I_{r1}-I_{m1})-(I_3-I_{r3}-I_{m3})}{2(\sqrt{I_{r1}{I}_{m1}}+\sqrt{I_{r3}{I}_{m3}})}$

$I_y=\frac{(I_2-I_{r2}-I_{m2})-(I_4-I_{r4}-I_{m4})}{2(\sqrt{I_{r2}{I}_{m2}}+\sqrt{I_{r4}{I}_{m4}})}$

去除四通道单频激光干涉仪中各通道的直流分量，矫正幅值比，获得无直流偏置误差的等幅 值正交信号。

一种干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正装置，在稳频激光器的出射光路上 依次配置偏振分光棱镜A、1/4波片B和测量反射镜，所述1/4波片B位于x、y 平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/4波片B快轴方向与y轴逆时针成45°； 在所述偏振分光棱镜A的反射光路上依次配置1/4波片A和参考反射镜，所述 1/4波片A位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/4波片A快轴方向 与y轴顺时针成45°；在所述偏振分光棱镜A的位于参考反射镜的相对侧部处 依次配置1/2波片、消偏振分光棱镜和偏振分光棱镜B，所述1/2波片位于y、z 平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/2波片快轴方向与y轴顺时针成22.5°； 所述偏振分光棱镜B与消偏振分光棱镜相互平行且同轴，在所述偏振分光棱镜B 的透射光路和反射光路上分别配置光电探测器A和光电探测器器B；在所述消 偏振分光棱镜的反射光路上一次配置1/4波片C和偏振分光棱镜C，所述1/4波 片C位于x、y平面内，且与消偏振分光棱镜同轴，1/4波片C快轴方向与y轴 逆时针成45°；光电探测器C和光电探测器D分别配置在偏振分光棱镜C透射 光路和反射光路上；所述偏振分光棱镜A、B、C与消偏振分光棱镜的底面均位 于x、z平面内，且共面；其特征在于：光开关A与参考反射镜相互平行且同轴 地配置在1/4波片A和参考反射镜之间；光开关B与测量反射镜相互平行且同 轴地配置在1/4波片B和测量反射镜之间。

本发明具有以下特点及良好效果：

(1)相比于Heydemann修正方法，由于只需切换光开关状态即可获取非线性误差参数， 因而开机即可提取非线性误差参数进而对非线性误差进行修正。

(2)相比于调制光源提取非线性误差参数的误差修正方法，无需对激光光源进行调制， 降低了对光源的要求。

(3)由于可以预先提取非线性误差的参数，进而重建单频激光干涉仪的正交信号，无需 对获得的数据再做复杂数学运行，降低了系统对硬件的要求。

附图说明

图1是干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正装置总体配置结构示意图；

图2是干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正方法流程框图；

图3是本发明的修正效果图

图中件号说明：1、稳频激光器、2、偏振分光棱镜A、3、1/4波片A、4、光开关A、5 参考反射镜、6、1/4波片B、7、光开关B、8测量反射镜、9、1/2波片、10消偏振分光棱镜、 11、偏振分光棱镜B、12、光电探测器A、13、光电探测器B、14、1/4波片C、15、偏振分 光棱镜C、16、光电探测器C、17、光电探测器D。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

一种干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正装置，在稳频激光器1的出射光路 上依次配置偏振分光棱镜A2、1/4波片B6和测量反射镜8，所述1/4波片B6 位于x、y平面内，且与偏振分光棱镜A2同轴，1/4波片B6快轴方向与y轴逆 时针成45°；在所述偏振分光棱镜A2的反射光路上依次配置1/4波片A3和参 考反射镜5，所述1/4波片A3位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A2同轴， 1/4波片A3快轴方向与y轴顺时针成45°；在所述偏振分光棱镜A2的位于参 考反射镜5的相对侧部处依次配置1/2波片9、消偏振分光棱镜10和偏振分光 棱镜B11，所述1/2波片9位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A2同轴，1/2 波片9快轴方向与y轴顺时针成22.5°；所述偏振分光棱镜B11与消偏振分光 棱镜10相互平行且同轴，在所述偏振分光棱镜B11的透射光路和反射光路上分 别配置光电探测器A12和光电探测器器B13；在所述消偏振分光棱镜10的反射 光路上一次配置1/4波片C14和偏振分光棱镜C15，所述1/4波片C14位于x、 y平面内，且与消偏振分光棱镜10同轴，1/4波片C14快轴方向与y轴逆时针 成45°；光电探测器C16和光电探测器D17分别配置在偏振分光棱镜C15透射 光路和反射光路上；所述偏振分光棱镜A2、B11、C15与消偏振分光棱镜10的 底面均位于x、z平面内，且共面；光开关A4与参考反射镜5相互平行且同轴 地配置在1/4波片A3和参考反射镜5之间；光开关B7与测量反射镜8相互平 行且同轴地配置在1/4波片B6和测量反射镜8之间；其中1/2波片9和1/4波 片C14的位置可以互换，快轴方向不变；所述的测量反射镜(8)和参考反射镜(5) 包括平面镜、角锥棱镜。

一种干涉量分离单频激光干涉仪非线性误差修正方法，该方法步骤如下：

(1)打开单频激光干涉仪，使得其可正常工作。干涉时，两束激光的电场分布可以表示如 下：

(2)使得Sr切换至打开状态，同时Sm切换至关闭状态。此时测量光束被光开关Sm阻断， 参考光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，四路探测器上的信号中只有参考光 信号，为：

式中α为探测器光电转换效率；k代表探测器通道，k＝1，2，3，4；余弦的平方在激光光频周期的 平均值为1/2，则最终输出光电流可以表示为

$I_{\mathrm{rk}}=\frac{1}{2}\alpha E_{r0k}^2$

(3)使得S_r切换至关闭状态，同时S_m切换至打开状态。此时参考光束被光开关S_r阻断，测 量光正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，四路探测器上的信号中只有测量光信 号，为：

$I_{\mathrm{mk}}=\frac{1}{2}\alpha E_{m0k}^2$

(4)重新使得两个光开关同时切换至打开状态，此时参考光束和测量光束皆可正常通过光 开关，单频激光干涉仪正常工作，完成对目标的测量。此时四路探测器上的信号参考光 与测量光的相干信号，探测器光敏单元上的总辐射场为：

光检测器件都是平方律检测器，探测器的输出的光电流为：

式中第一、二项相当于检测器输出的直流分量；第三项为参考光与测量光的和 频项，其平均值为零；第四项为差频项，两光频率相等，因而最终输出光电流 可以表示为

式中的第三项为单频激光干涉仪测量所需的交流信号，对比(1)(2)步骤中的探测器光电流 表达式可以看出，通过控制光开关状态可以得到最终相干光信号中的直流分量，最终各路探 测器获得的交流信号为：

归一化后的交流信号为：

(5)最终对正交信号做如下运算

$I_x=\frac{(I_1-I_{r1}-I_{m1})-(I_3-I_{r3}-I_{m3})}{2(\sqrt{I_{r1}{I}_{m1}}+\sqrt{I_{r3}{I}_{m3}})}$

$I_y=\frac{(I_2-I_{r2}-I_{m2})-(I_4-I_{r4}-I_{m4})}{2(\sqrt{I_{r2}{I}_{m2}}+\sqrt{I_{r4}{I}_{m4}})}$

则可去除四通道单频激光干涉仪中各通道的直流分量，获得无直流偏置误差的 等幅值正交信号。如图3所示，修正前单频激光干涉仪输出正交信号的李萨如 曲线中心坐标为(0.1，0.15)，有直流偏置误差，两路正交信号的幅值比为1.06； 修正后的正交信号李萨如曲线中心坐标为(0，0)，消除了直流偏置误差，且两 路正交信号的幅值比为1.02，正交信号幅值差异更小。