光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉測量方法與裝置屬于激光應用技術領域；本發明專利技術采用了空間分離的參考光和測量光，并進行測量光路平衡性設計，同時該方法產生了兩個具有相反多普勒頻移的干涉測量信號，并根據被測目標的運動方向和速度，選擇性使用兩測量信號來進行干涉測量；本發明專利技術不僅減小了溫度變化對測量的影響，而且消除了干涉儀中的頻率混疊現象，提高了外差干涉測量的測量精度；同時解決了激光光源頻差對測量速度限制的問題。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于激光應用
，主要涉及一種光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉測量方法與裝置。
技術介紹
激光外差干涉測量因其具有抗干擾能力強、測量范圍大、信噪比高和易于實現高精度等特點而被廣泛應用于超精密加工、光刻機以及三坐標測量機等領域。隨著超精密工程的不斷發展，對加工精度和生產效率提出越來越高的要求；同時也對外差干涉測量的測量精度、分辨率和速度都提出了新的挑戰。在激光外差干涉測量中，非線性誤差嚴重限制了測量精度和分辨率的進一步提高，國內外學者對激光外差干涉非線性誤差進行了大量的研究。非線性誤差源于干涉光路 中的光學混疊，傳統的干涉測量系統無法避免干涉測量中的光學混疊，限制了其測量精度和分辨率的提高。T. L. Schmitz 和 J. F. Beckwith 提出了一種干涉儀改造的方法(Ascousto-opticdisplacement—measureing interferometer a new heterodyne interferometer withAnstromlevel periodic error. Journal of Modern Optics 49, pages 2105-2114)。相較于傳統的測量方法，該方法將聲光移頻器作為分光鏡，將測量光束和參考光束進行分離。該方法可以減小參考光和測量光的頻率混疊，有利于減小測量的非線性誤差，從而提高測量精度和分辨率。但是，該裝置結構復雜且特殊，無法廣泛應用于超精密加工與測量中。Ki-Nam Joo等研制了一種新型激光干涉測量結構(Simple heterodyne laserinterferometer with subnanometer periodic errors. Optics Letters/Vol. 34,No. 3/February 1,2009) 0該結構是參考光束與測量光束在空間上分離，消除了干涉測量中的頻率混疊，完全消除非線性誤差，從而提高測量精度以及測量分辨率。此外，該裝置結構簡單，成本低，相較于前一種測量方法，更有利于在超精密測量領域的應用。但是該方法測量速度依舊受光源頻差的制約，限制了其在高速測量領域的廣泛使用。以上幾種干涉測量方法及裝置均存在測量速度受光源頻差制約的問題。隨著超精密加工對測量速度要求的不斷提高，干涉儀光源的頻差也不斷地增大，從而導致激光光源的結構越來越復雜，成本越來越昂貴，嚴重限制了激光干涉測量的廣泛應用。而且測量分辨率與測量速度存在沖突。為了同時提高干涉儀的測量速度與分辨率，國內外學者對信號處理系統進行了大量的研究并提出了相應的解決方案，但現有信號處理系統一般都結構復雜、成本昂貴且需要很多特殊設計的芯片；并且受現有半導體芯片水平的限制，干涉測量性能提升困難。綜上所述，現有激光外差干涉測量方法均無法同時滿足超精密加工測量對干涉儀的高精度和高測量速度的要求，嚴重限制了超精密加工測量領域的發展。
技術實現思路
針對上述現有激光外差干涉儀的不足，本專利技術提出了一種光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉測量方法與裝置，提高激光外差干涉的測量精度，解決激光光源頻差對測量速度限制的問題。本專利技術的目的通過以下技術方案實現一種光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉測量方法，該方法步驟如下(I)穩頻激光器輸出兩束頻率分別為f\、f2的平行光束； (2)兩平行光束的小部分直接經探測后轉換為激光外差干涉測量的參考信號，其頻差值為 fb = ，表示為 Ir 00 COS (2 31 fbt)；(3)剩余的兩平行光束均被分光鏡分成兩部分，反射部分作為參考光束，透射部分作為測量光束；(4)參考光束含有頻率分別為f\、f2的兩平行光束，參考光束首先被第一個偏振分光鏡透射，然后經四分之一波片和平面鏡作用后返回第一個偏振分光鏡，此時參考光束偏振方向旋轉了 90° ,被第一個偏振分光鏡反射,然后再被參考棱鏡反射回第一個偏振分光鏡，且被第一個偏振分光鏡反射，經四分之一波片和平面鏡作用后再次返回第一個偏振分光鏡，此時參考光束偏振方向又旋轉了 90° ,然后經第一個偏振分光鏡透射返回分光鏡；(5)測量光束含有頻率分別為f\、f2的兩平行光束，測量光束進入第二個偏振分光鏡后被透射，然后經四分之一波片和平面鏡作用后返回第二個偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向旋轉了 90°，被反射進測量棱鏡，然后被測量棱鏡和第二個偏振分光鏡反射，該反射光再次經四分之一波片和平面鏡作用后再次返回第二個偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向又旋轉了 90° ,被第二個偏振分光鏡透射返回分光鏡；(6)通過調節參考棱鏡和測量棱鏡使得頻率為的測量光束與頻率為f2的參考光束進行干涉，產生一路測量信號，表示為Iml~cos ;頻率為f2的測量光束與頻率為的參考光束進行干涉，產生另一路測量信號，表示為Im2 - cos ,兩測量信號具有大小相同、符號相反的多普勒頻移，其頻率分別為fb+Af和fb-Af ;(7)兩測量信號經光電探測器探測后分別送入兩個相同的相位計A和相位計B，其中，相位計A用于處理頻率為fb+Af的測量信號，相位計B用于處理頻率為fb_Af的測量信號;(8)根據被測目標端平面鏡的運動方向和運動速度，使用開關電路在相位計A和相位計B之間進行選擇；(9)根據所選擇的相位計A或者相位計B對被測目標的位移進行計算。所述的穩頻激光器輸出的兩平行光束為水平線偏振光或垂直線偏振光。所述的相位計使用開關電路進行選擇時，當被測量目標端平面鏡正向運動速度高于設定值V1時，選擇相位計B ;當被測量目標端平面鏡負向運動速度高于設定值V2時，選擇相位計A ;其中，設被測量目標端平面鏡遠離第二個偏振分光鏡的方向為正方向。一種光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉測量裝置，該裝置包括穩頻激光器、分光鏡、偏振分光鏡B、測量棱鏡、四分之一波片B、平面鏡B、光電探測器A、光電探測器B,該裝置還包括偏振分光鏡A、四分之一波片A、平面鏡A、參考棱鏡、相位計A、相位計B、開關電路、測量電路；其中，分光鏡位于穩頻激光器的輸出端；偏振分光鏡A、四分之一波片A和平面鏡A依次放置在分光鏡的反射方向上,參考棱鏡位于偏振分光鏡A的反射方向上；偏振分光鏡B、四分之一波片B和平面鏡B依次放置在分光鏡的透射方向上,測量棱鏡位于偏振分光鏡B的反射方向；分光鏡輸出兩路干涉測量光束，其中一路接光電探測器A，另一路接光電探測器B ;光電探測器A的輸出端接相位計A輸入端，光電探測器B輸出端接相位計B輸入端；穩頻激光器的參考信號輸出端分別與相位計A和相位計B的輸入端連接，相位計A與相位計B的輸出端同時接開關電路輸入端；開關電路的輸出端接測量電路輸入端；所述的參考棱鏡為角錐棱鏡，同時測量棱鏡為直角棱鏡。所述的參考棱鏡為直角棱鏡，同時測量棱鏡為角錐棱鏡。所述的參考棱鏡由兩個角錐棱鏡組成，同時測量棱鏡為角錐棱鏡。所述的參考棱鏡為角錐棱鏡，同時測量棱鏡由兩個角錐棱鏡組成。本專利技術具有以下特點及良好效果 (I)本專利技術中，參考光與測量光在空間上是分離的，在到達探測器之前沒出現過重疊，消除了干涉儀的非線性誤差產生的根源。(2)傳統干涉儀中采用偏振分光棱鏡進行光束分離，干涉鏡組調節難度高且成本高；本專利技術中改用普通非偏振分光棱鏡代替偏振分光棱鏡，本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉測量方法，其特征在于該方法步驟如下：(1)穩頻激光器輸出兩束頻率分別為f1、f2的平行光束；(2)兩平行光束的小部分直接經探測后轉換為激光外差干涉測量的參考信號，其頻差值為fb＝f1？f2，表示為Ir∝cos(2πfbt)；(3)剩余的兩平行光束均被分光鏡分成兩部分，反射部分作為參考光束，透射部分作為測量光束；(4)參考光束含有頻率分別為f1、f2的兩平行光束，參考光束首先被第一個偏振分光鏡透射，然后經四分之一波片和平面鏡作用后返回第一個偏振分光鏡，此時參考光束偏振方向旋轉了90°，被第一個偏振分光鏡反射，然后再被參考棱鏡反射回第一個偏振分光鏡，且被第一個偏振分光鏡反射，經四分之一波片和平面鏡作用后再次返回第一個偏振分光鏡，此時參考光束偏振方向又旋轉了90°，然后經第一個偏振分光鏡透射返回分光鏡；(5)測量光束含有頻率分別為f1、f2的兩平行光束，測量光束進入第二個偏振分光鏡后被透射，然后經四分之一波片和平面鏡作用后返回第二個偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向旋轉了90°，被反射進測量棱鏡，然后被測量棱鏡和第二個偏振分光鏡反射，該反射光再次經四分之一波片和平面鏡作用后再次返回第二個偏振分光鏡，此時測量光束的偏振方向又旋轉了90°，被第二個偏振分光鏡透射返回分光鏡；(6)通過調節參考棱鏡和測量棱鏡使得頻率為f1的測量光束與頻率為f2的參考光束進行干涉，產生一路測量信號，表示為Im1∝cos[2π(fb+Δf)t]；頻率為f2的測量光束與頻率為f1的參考光束進行干涉，產生另一路測量信號，表示為Im2∝cos[2π(fb？Δf)t]，兩測量信號具有大小相同、符號相反的多普勒頻移，其頻率分別為fb+Δf和fb？Δf；(7)兩測量信號經光電探測器探測后分別送入兩個相同的相位計A和相位？計B，其中，相位計A用于處理頻率為fb+Δf的測量信號，相位計B用于處理頻率為fb？Δf的測量信號；(8)根據被測目標端平面鏡的運動方向和運動速度，使用開關電路在相位計A和相位計B之間進行選擇；(9)根據所選擇的相位計A或者相位計B對被測目標的位移進行計算。...
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：譚久彬，刁曉飛，胡鵬程，白洋，楊千惠，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：
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