专利名称：基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于激光应用技术领域，主要涉及ー种基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法与装置。
背景技术：
激光外差干涉测量因其具有抗干扰能力强、測量范围大、信噪比高和易于实现高精度等特点而被广泛应用于超精密加工、光刻机以及三坐标测量机等领域。随着超精密エ程的不断发展，对加工精度和生产效率提出越来越高的要求；同时也对外差干涉测量的测量精度、分辨率和速度都提出了新的挑战。 在激光外差干涉测量中，非线性误差严重限制了測量精度和分辨率的进ー步提高，国内外学者对激光外差干涉非线性误差进行了大量的研究。非线性误差源于干涉光路中的光学混叠，传统的干涉测量系统无法避免干涉测量中的光学混叠，限制了其測量精度和分辨率的提高。T. L. Schmitz 和 J. F. Beckwith 提出了一种干涉仪改造的方法(Ascousto-opticdisplacement—measureing interferometer a new heterodyne interferometer withAnstromlevel periodic error. Journal of Modem Optics 49, pages 2105-2114)。相较于传统的測量方法，该方法将声光移频器作为分光镜，将测量光束和參考光束进行分离。该方法可以减小參考光和測量光的频率混叠，有利于减小测量的非线性误差，从而提高測量精度和分辨率。但是，该装置结构复杂且特殊，无法广泛应用于超精密加工与測量中。Ki-Nam Joo等研制了一种新型激光干涉测量结构(Simple heterodyne laserinterferometer with subnanometer periodic errors. Optics Letters/Vol. j4,No. 3/February 1,2009) 0该结构是參考光束与測量光束在空间上分离，消除了干涉测量中的频率混叠，完全消除非线性误差，从而提高測量精度以及测量分辨率。此外，该装置结构简单，成本低，相较于前一种测量方法，更有利于在超精密测量领域的应用。但是该方法測量速度依旧受光源频差的制约，限制了其在高速测量领域的广泛使用。以上几种干涉測量方法及装置均存在測量速度受光源频差制约的问题。随着超精密加工对测量速度要求的不断提高，干涉仪光源的频差也不断地増大，从而导致激光光源的结构越来越复杂，成本越来越昂贵，严重限制了激光干涉测量的广泛应用。而且测量分辨率与測量速度存在冲突。为了同时提高干渉仪的测量速度与分辨率，国内外学者对信号处理系统进行了大量的研究并提出了相应的解决方案，但现有信号处理系统一般都结构复杂、成本昂贵且需要很多特殊设计的芯片；并且受现有半导体芯片水平的限制，干涉测量性能提升困难。综上所述，现有激光外差干涉测量方法均无法同时满足超精密加工测量对干涉仪的高精度和高測量速度的要求，严重限制了超精密加工测量领域的发展。
发明内容
针对上述现有激光外差干涉仪的不足，本发明提出了一种基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法与装置，提高激光外差干涉的测量精度，解决激光光源频差对测量速度限制的问题。本发明的目的通过以下技术方案实现1、一种基于小频差与光束分离的高速超精密激光外差干涉测量方法，该方法步骤如下(1)稳频激光器输出两束频率分别为も、f2的平行光束；(2)稳频激光器输出的两束平行光束的一部分直接经探测后转换为激光外差干渉测量的參考信号，其频差值为fb = f^f2，表示为仁COS (2 π fbt)；(3)稳频激光器输出的两束平行光束的另一部分被非偏振分光棱镜分为參考光束和測量光束；(4)參考光束中，频率分别为も、f2的两光束被參考棱镜反射回非偏振分光棱镜；(5)測量光束中，频率分别为も、f2的两光束被被测量目标端的角锥反射镜反射回非偏振分光棱镜，通过调节參考棱镜和角锥反射镜使得频率为的測量光束与频率为f2的參考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为Iml 00 cos[2 π (fb+Af)t]；频率为f2的測量光束与频率为も的參考光束进行干渉，产生另一路測量信号，表示为Im2 00 cos [2 π (fb-Af)t]；(6)两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为fb+Af和fb- Δ f ；(7)两测量信号经光电探测器探測后分别送入两个相同的相位计A和相位计B，其中，相位计A用于处理频率为fb+Af的測量信号，相位计B用于处理频率为fb_Af的測量信号;(8)根据被测目标端角锥反射镜的运动方向和运动速度，使用开关电路在相位计A和相位计B之间进行选择；(9)根据所选择的相位计A或者相位计B，对被测目标的位移进行计算。所述的相位计在使用开关电路进行选择吋，当被测量目标端角锥反射镜正向运动速度高于设定值V1时，选择相位计B ;当被测量目标端角锥反射镜负向运动速度高于设定值' 时，选择相位计A ;其中，设被测量目标端角锥反射镜远离非偏振分光棱镜的方向为正方向。一种基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器、非偏振分光棱镜、角锥反射镜、參考棱镜、光电探测器A、光电探测器B、该装置还包括相位计A、相位计B、开关电路、測量电路，其中，非偏振分光棱镜位于稳频激光器输出端；角锥反射镜位于非偏振分光棱镜的透射光输出端，參考棱镜位于非偏振分光棱镜反射光输出端；非偏振分光棱镜输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A，另一路接光电探测器B ;光电探测器A的输出端接相位计B输入端，光电探测器B输出端接相位计A输入端；稳频激光器的參考信号输出端分别与相位计A和相位计B的输入端连接，相位计A和相位计B输出端同时接开关电路输入端；开关电路与输出端測量电路连接。所述的參考棱镜由两个角锥棱镜组成。本发明具有以下特点及良好效果
(I)本发明中，參考光与測量光在空间上是分离的，在到达探测器之前没出现过重叠，消除了干涉仪的非线性误差产生的根源。(2)传统干渉仪中采用偏振分光棱镜进行光束分离，干涉镜组调节难度高且成本高；本发明中改用普通非偏振分光棱镜代替偏振分光棱镜，因其对激光光源的偏振态变化不敏感，从而大大降低了干涉镜组的调节难度，同时，使用非偏振分光棱镜能够降低干涉仪成本。(3)本发明中，干涉仪产生的两个测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，根据物体运动方向对两测量信号进行选择，可以保证多普勒频移始終使频差增加。相较于传统的干涉仪，本发明中的干渉仪使测量速度不再受激光光源频差的限制，传统的小频差激光器也可以应用于高速測量中。(4)本发明中，由于激光频差较�。藕糯硐低晨梢岳闷胀ㄊ敝有藕呕竦酶叻直媛剩蚧诵藕艤y量系统的设计，降低了系统的成本。
图I为本发明装置结构示意2为图I中采用两个角锥棱镜作为參考棱镜的干涉镜组结构示意中，I稳频激光器、2非偏振分光棱镜、3角锥反射镜、4參考棱镜、5光电探测器A、6光电探测器B、7相位计A、8相位计B、9开关电路、10测量电路、11角锥棱镜A、12角锥棱镜B。
具体实施例方式以下结合附图对本发明实例进行详细的描述。一种基于小频差与光束分离的高速超精密激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器I、非偏振分光棱镜2、角锥反射镜3、參考棱镜4、光电探测器A 5、光电探测器B6、该装置还包括相位计A7、相位计B8、开关电路9、測量电路10，其中，非偏振分光棱镜2位于稳频激光器I输出端；角锥反射镜3位于非偏振分光棱镜2的透射光输出端,參考棱镜4位于非偏振分光棱镜2反射光输出端；非偏振分光棱镜2输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A 5,另一路接光电探测器B6 ;光电探测器A5的输出端接相位计B8输入端,光电探测器B6输出端接相位计A7输入端；稳频激光器I的參考信号输出端分别与相位计A7和相位计B8的输入端连接，相位计A7、相位计B8输出端同时接开关电路9输入端；开关电路9与输出端测量电路10连接。一种基于小频差与光束分离的高速超精密激光外差干涉测量方法，该方法步骤如下(I)稳频激光器I输出两束频率分别为も、f2的平行光束；(2)稳频激光器I输出的两束平行光束的一部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的參考信号，其频差值为fb = f^f2，表示为仁COS (2 π fbt)；(3)稳频激光器I输出的两光束分别被非偏振分光棱镜2分为參考光束和测量光束；(4)參考光束中，频率分别为も、f2的两光束被參考棱镜4反射回非偏振分光棱镜;(5)測量光束中，频率分别为も、f2的两光束被被测量目标端的角锥反射镜3反射回非偏振分光棱镜，通过调节參考棱镜和角锥反射镜使得频率为的測量光束与频率为f2的參考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为Iml 00 cos[2 π (fb+Af)t]；频率为f2的測量光束与频率为も的參考光束进行干渉，产生另一路測量信号，表示为Im2 00 cos [2 π (fb-Af)t]；(6)两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为fb+Af和fb- Δ f ；(7)两测量信号分别被光电探测器A5和光电探测器B6探測；(8)光电探测器A 5输出频率为fb_ Af的測量信号，并将信号送入相位计B8中进行处理；(9)光电探测器B 6输出频率为fb+Af的測量信号，并将信号送入相位计A7中进 行处理；(10)相位计A7和相位计B8的处理信号同时送入开关电路9，根据被测目标端角锥反射镜3的运动方向和运动速度在两相位计之间进行选择；相位计A和相位计B的測量范围存在一部分重叠。将该重叠部分做为相位计切换的“滞回区”，当被测目标端角锥反射镜3运动速度高干“滞回区”的上限V1吋，由相位计A切换为相位计B，相位计B输出被送入相位累加器。同理，当被测目标端角锥反射镜3运动速度低干“滞回区”的下限-V2吋，由相位计B切換回相位计A。当被测目标速度在“滞回区”内吋，不进行相位计切换操作，从而消除了电路噪声和速度噪声对切換操作的影响，其中，设被测量目标端角锥反射镜3远离非偏振分光棱镜2的方向为正方向。(11)将经过开关电路9选择后的信号送入測量电路10中进行处理，从而获得被测目标的运动信息。
权利要求
1.一种基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法，该方法步骤如下 (1)稳频激光器输出两束频率分别为f\、f2的平行光束； (2)稳频激光器输出的两束平行光束的一部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的参考信号，其频差值为fb = ，表示为Ir cos (2 π fbt)； (3)稳频激光器输出的两束平行光束的另一部分被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束； (4)参考光束中，频率分别为f\、f2的两光束被参考棱镜反射回非偏振分光棱镜； (5)测量光束中，频率分别为f\、f2的两光束被被测量目标端的角锥反射镜反射回非偏振分光棱镜，通过调节参考棱镜和角锥反射镜使得频率为的测量光束与频率为f2的参考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为Iml~cos [2 π (fb+Af)t];频率为f2的测量光束 与频率为4的参考光束进行干涉，产生另一路测量信号，表示为Im2 ~ cos[2 π (fb-Af)t]； (6)两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为fb+Af和fb-Af ; 其特征在于 (7)两测量信号经光电探测器探测后分别送入两个相同的相位计A和相位计B，其中，相位计A用于处理频率为fb+Af的测量信号，相位计B用于处理频率为fb_ Af的测量信号; (8)根据被测目标端角锥反射镜的运动方向和运动速度，使用开关电路在相位计A和相位计B之间进行选择； (9)根据所选择的相位计A或者相位计B对被测目标的位移进行计算。
2.根据权利要求I所述的基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法，其特征在于使用开关电路进行选择时，当被测量目标端角锥反射镜正向运动速度高于设定值'时，选择相位计B ;当被测量目标端角锥反射镜负向运动速度高于设定值V2时，选择相位计A ;其中，设被测量目标端角锥反射镜远离非偏振分光棱镜的方向为正方向。
3.一种基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器(I)、非偏振分光棱镜(2)、角锥反射镜(3)、参考棱镜(4)、光电探测器A(5)、光电探测器B(6),其中，非偏振分光棱镜(2)位于稳频激光器(I)输出端；角锥反射镜(3)位于非偏振分光棱镜(2)的透射光输出端，参考棱镜(4)位于非偏振分光棱镜(2)反射光输出端；非偏振分光棱镜(2)输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A(5)，另一路接光电探测器B(6);其特征在于该装置还包括相位计A(7)、相位计B(8)、开关电路(9)、测量电路(10);其中，光电探测器A(5)的输出端接相位计B(8)输入端，光电探测器B(6)输出端接相位计A (7)输入端，稳频激光器⑴的参考信号输出端分别与相位计A (7)和相位计B (8)的输入端连接，相位计A(7)和相位计B(8)输出端同时接开关电路(9)输入端；开关电路(9)与输出端测量电路(10)连接。
4.根据权利要求3所述的基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量装置，其特征为参考棱镜(4)由角锥棱镜A(Il)和角锥棱镜B(12)组成。
全文摘要
基于小频差与光束分离的激光外差干涉测量方法与装置属于激光应用技术领域；发明方法采用了空间分离的参考光和测量光，同时，该方法产生了两个具有相反多普勒频移的干涉测量信号，并根据被测目标的运动方向和速度，选择性使用两测量信号来进行干涉测量；发明装置中，采用非偏振分光棱镜代替传统偏振分光棱镜，并在装置中加入两个光电探测器、两个相位计以及开关电路；本发明方法及装置消除了干涉仪中的频率混叠现象，提高了外差干涉测量的测量精度；同时解决了激光光源频差对测量速度限制的问题。
文档编号G01B11/04GK102853770SQ20121034706
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月19日 优先权日2012年9月19日
发明者谭久彬, 刁晓飞, 胡鹏程, 杨千惠, 白洋 申请人:哈尔滨工业大学
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