一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置和方法

摘要

本发明涉及一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置与方法，包括双频激光器，第一光电接收器，第二光电接收器，第一偏振分光镜，第三偏振分光镜，第二偏振分光镜，四分之一波片，光学补偿镜，平面镜，被测角锥棱镜。该方法利用两束频率不同的空间分离入射光进行外差干涉测量，并利用光学补偿镜来平衡测量光束和参考光束的光程。在该方法中，被测角锥棱镜沿着入射光束的传播方向往复运动。本发明抑制了激光外差干涉测量中的光学非线性误差和光学热漂移误差，降低了光路准直调节的难度，提高了激光外差干涉测量的准确度。

说明书

技术领域

本发明属于激光干涉测量领域，主要涉及一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置与方法。

背景技术

激光外差干涉测量方法被广泛应用于超精密几何参数测量，快速超精密定位，超精密加工等领域，其在量值溯源以及科学研究等领域起到的重要作用也日益凸显。但传统激光外差干涉测量方法难以避免双频光束之间的交叉混叠，进而引入纳米量级的非线性误差，该误差的存在使其测量准确度难以进一步提高。虽然目前基于输入光束空间分离的外差干涉测量方法可以对非线性误差进行抑制，但是该方法的光路准直调整困难，容易引入几何误差，非对称的光路结构容易引入光学热漂移误差。上述问题的存在限制了激光外差干涉测量准确度的进一步提高。

例如Shuai Mao等人提出了一种基于角锥反射镜和平面反射镜联动的外差干涉测量方法 (A fiber-coupled displacement measuring interferometer fordetermination of the posture of a reflective surface，Review of ScientificInstruments,Vol.87, No.8,2016:083108)。该方法利用空间分离的入射光束来减小双频光束的混叠，从而抑制光学非线性误差，并利用角锥反射棱镜和平面反射镜联动的方式来消除余弦误差。但是该方法的光路对准调节困难，无法广泛应用在超精密几何量测量与超精密加工制造中。

Arjan Mesker等人提出了一种对入射光束偏振态不敏感的外差干涉测量方法(Heterodyne displacement interferometer,insensitive for input polarization，Optics Letters,Vol.39,No.7,2014:1949-1952)。该方法利用非偏振光学元件与偏振光学元件相互组合，使得外差干涉测量结果对输入光束的偏振态不敏感，从而抑制光学非线性误差的幅值。但是在该结构中，参考光束与测量光束的光程不平衡，当环境温度变化时，会引入光学热漂移误差，从而降低了外差干涉测量的准确性。

综上所述，现有的基于空间分离光束的激光外差干涉测量方法存在光路对准调节困难，容易产生光学热漂移的问题，限制了激光外差干涉测量的准确度提升，及其在超精密加工领域的广泛应用。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，出了一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置与方法，解决激光外差干涉测量中光路准直困难，易产生光学热漂移的问题，提高激光外差干涉测量的准确度。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置，包括双频激光器，第一光电接收器，第二光电接收器，第一偏振分光镜，第二偏振分光镜，第三偏振分光镜，四分之一波片，光学补偿镜，平面镜，被测角锥棱镜，其中，在双频激光器与被测角锥棱镜之间顺序设置并列的第一偏振分光镜和第二偏振分光镜，四分之一波片，第三偏振分光镜，在第一偏振分光镜的反射方向设置第一光电接收器，在第二偏振分光镜的反射方向设置第二光电接收器，在第三偏振分光镜的反射方向依次设置光学补偿镜和平面镜。

进一步的，双频激光器输出两束平行的p偏振光，分别穿过第一偏振分光镜和第二偏振分光镜。

进一步的，双频激光器输出的一束出射光经过第一偏振分光镜、四分之一波片、第三偏振分光镜后分为参考光束A(反射形成)和测量光束A(穿透形成)；双频激光器输出的另一束出射光经过第二偏振分光镜、四分之一波片、第三偏振分光镜后分为参考光束B(反射形成)和测量光束B(穿透形成)。参考光束A经过光学补偿镜和平面镜反射回到第三偏振分光镜并被第三偏振分光镜反射，反射方向与测量光束B经被测角锥棱镜对角反射并透过第三偏振分光镜后的方向重合，重合的两束光通过第一偏振分光镜反射到第一光电接收器上，第一光电接收器会将所接收的光干涉信号转为电信号。同样的，参考光束B经光学补偿镜和平面镜后返回到第三偏振分光镜并被第三偏振分光镜反射，反射方向与测量光束A经被测角锥棱镜对角反射并透过第三偏振分光镜后的方向重合，重合的两束光通过第二偏振分光镜反射到第二光电接收器上，第二光电接收器会将所接收的光干涉信号转为电信号。

一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置的测量方法，包括以下步骤：

a、双频激光器输出频率分别为f₁和f₂的平行线偏振光束；

b、频率为f₁的线偏振光透射第一偏振分光镜，频率为f₂的线偏振光透射第二偏振分光镜，两束透射光束经四分之一波片作用后转化为两束圆偏振光；

c、频率为f₁的圆偏振光束被第三偏振分光镜分为参考光束和测量光束两个部分，同时频率为f₂的圆偏振光束也被第三偏振分光镜分为参考光束和测量光束两个部分；

d、频率为f₁和f₂的两束参考光束透射光学补偿镜，并被平面镜反射后再次透射光学补偿镜，而后返回第三偏振分光镜；同时频率为f₁和f₂的两束测量光束入射到被测角锥棱镜，并被对角反射回第三偏振分光镜；

e、调节平面镜和被测角锥棱镜，使频率为f₁的测量光束与频率为f₂的参考光束重合并被第一偏振分光镜反射至第一光电接收器形成电信号Im₁；使频率为f₂的测量光束与频率为f₁的参考光束重合并被第二偏振分光镜反射至第二光电接收器形成电信号Im₂；

f、计算电信号Im₁与Im₂之间的相位差得到被测角锥棱镜的位移值。

其中，双频激光器输出两束平行的p偏振光。

进一步的，被测角锥棱镜设置在被测物体上，调整测量装置，使双频激光器的出射光束传播方向与被测物体的运动方向平行。

本发明的有益效果是，光路准直调整简单，抑制了非线性误差，不易产生光学热漂移。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例的测量装置及光路的示意图；

其中：1、双频激光器，2、第一光电接收器，3、第一偏振分光镜，4、四分之一玻片，5、直角棱镜，6、平面镜，7、被测角锥棱镜，8、第三偏振分光镜，9、第二偏振分光镜，10、第二光电接收器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置与方法进行详细描述。然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。

根据本发明的一个方面，提出一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置，包括双频激光器1，第一光电接收器2，第二光电接收器10，第一偏振分光镜3，第三偏振分光镜8，第二偏振分光镜9，四分之一波片4，光学补偿镜5，平面镜6，被测角锥棱镜7，其中，在双频激光器1与被测角锥棱镜7之间顺序设置并列的第一偏振分光镜3和第二偏振分光镜9，四分之一波片4，第三偏振分光镜8，在第一偏振分光镜3的反射方向设置第一光电接收器2，在第二偏振分光镜9的反射方向设置第二光电接收器10，在第三偏振分光镜8的反射方向设置依次光学补偿镜5和平面镜6。

其中，双频激光器1输出两束平行的p偏振光。光电接收器可以将接收的光信号转换为电信号。

双频激光器1输出的一束出射光经过第一偏振分光镜3、四分之一波片4、第三偏振分光镜8后分为参考光束A(反射形成)和测量光束A(穿透形成)；双频激光器1输出的另一束出射光经过第二偏振分光镜9、四分之一波片4、第三偏振分光镜8后分为参考光束B(反射形成)和测量光束B(穿透形成)。

参考光束A经过光学补偿镜5和平面镜6反射回到第三偏振分光镜8并被第三偏振分光镜8反射，反射方向与测量光束B经被测角锥棱镜7对角反射并透过第三偏振分光镜8后的方向重合，重合的两束光通过第一偏振分光镜3反射到第一光电接收器2上，第一光电接收器2会将所接收的光干涉信号转为电信号。

同样的，参考光束B经光学补偿镜5和平面镜6后返回到第三偏振分光镜8并被第三偏振分光镜8反射，反射方向与测量光束A经被测角锥棱镜7对角反射并透过第三偏振分光镜 8后的方向重合，重合的两束光通过第二偏振分光镜9反射到第二光电接收器10上，第二光电接收器10会将所接收的光干涉信号转为电信号。

通过上述的两个电信号的相位差即可算出被测角锥棱镜的位移。例如Shuai Mao等人提出的基于角锥反射镜和平面反射镜联动的外差干涉测量系统中，就利用两路干涉信号之间的相位差来得到被测目标的位移值。

光学补偿镜用于补偿测量光束与参考光束在光学元件内的光程差。

根据本发明的另一方面，提出一种基于角锥棱镜反射的激光外差干涉测量装置的测量方法，包括以下步骤：

a、双频激光器输出频率分别为f₁和f₂的平行线偏振光束；

b、频率为f₁的线偏振光透射第一偏振分光镜3，频率为f₂的线偏振光透射第二偏振分光镜9，两束透射光束经四分之一波片4作用后转化为两束圆偏振光；

c、频率为f₁的圆偏振光束被第三偏振分光镜8分为参考光束和测量光束两个部分，同时频率为f₂的圆偏振光束也被第三偏振分光镜8分为参考光束和测量光束两个部分；

d、频率为f₁和f₂的两束参考光束透射光学补偿镜5，并被平面镜6反射后再次透射光学补偿镜5，而后返回第三偏振分光镜8；同时频率为f₁和f₂的两束测量光束入射到被测角锥棱镜7，并被对角反射回第三偏振分光镜8；

e、调节平面镜6和被测角锥棱镜7，使频率为f₁的测量光束与频率为f₂的参考光束重合并被第一偏振分光镜3反射至第一光电接收器2，第一光电接收器2将收到的光干涉信号转换形成电信号Im₁；使频率为f₂的测量光束与频率为f₁的参考光束重合并被第二偏振分光镜9>2；

f、计算电信号Im₁与Im₂之间的相位差得到被测角锥棱镜7的位移值。

所述双频激光器输出两束平行的p偏振光。

在测量时，角锥棱镜要放置在被测物体上，并且被测物体的移动要与双频激光器的出射光束传播方向平行；或者说，要调节测量装置，使双频激光器的出射光方向与物体的移动方向平行。

实施例1：测量线性导轨载物台的位移

(1)将角锥棱镜固定在线性导轨的载物台上，并随着线性导轨移动；

(2)搭建本发明所述的干涉测量光路，选取材质相同且折射率为n的被测角锥棱镜与光学补偿镜，若测量光束在被测角锥棱镜中的光程为L，那么光学补偿镜沿着参考光束方向的厚度为

(2)调整激光器两束出射光的方向，使得该方向与载物台的运动方向平行；

(3)调整角锥棱镜的位置及姿态使两束测量光入射到角锥棱镜内；

(4)调整第三偏振分光镜、平面镜和被测角锥棱镜的角度，使得入射到光电接收器上的参考光束与测量光束重合；

(5)光电接收器将光信号转化为相应的电信号；

(6)测量两路电信号的相位差值即可得到相应的位移值。