双频激光准直测量方法及其准直测量干涉仪

本发明属于精密测量技术领域，特别涉及采用双频激光干涉技术在大尺寸、大范围内的精密测量方法及其测量仪器。

目前，随着测量技术的不断改进与提高，对测量仪在大尺寸，高精度测量方面的应用能力要求越来越高。塞曼双频激光干涉仪，采用外差测量技术，避免了直流测量易受到的干扰，在使用中具有量程大、精度高、稳定性好，抗干扰能力强的特点。利用双频激光干涉仪，配以合适的测量附件组成测量系统，可实现对长度、直线度、平面度、角度、等进行精密测量。但在实际应用中，特别是长距离大范围的测量中，对于准直光束的抖动和漂移，空气拢动的影响，等问题还未很好地解决，另外，这类测量仪器一般只能用作连续测量，不适应于间断测量的场合。例如，美国HP公司采用塞曼干涉仪配以适当附件可进行直线度的测量。其直线度测量附件如图1所示，由1/4波片，中性分光棱镜2，渥拉斯顿棱镜3，平面反射镜4构成。其中，渥拉斯顿棱镜或平面反射镜与被测物固定在一起。其测量原理如下：由塞曼激光产生一束左右旋两种偏振光，经1/4波片变为一束含正交的二种线偏振光，经过中性分光棱镜1，到达渥拉斯顿棱镜2被分成有一定夹角的两束，其频率分别为f₁和f₂，射向平面反射镜3。平面反射镜3由连接在一起构成一定夹角的两块平面镜组成，其夹角与渥拉斯顿棱镜分开光束的夹角相配，两束光分别正入射到两块平面镜上，并按原方向返回渥拉斯顿镜，由于渥拉斯顿棱镜与平面镜之间有垂向移动，使两光束形成光程差，产生拍频信号的频率变化，并经分光棱镜由光电接收器接收。由于上述方案要求从渥拉斯顿棱镜分开的两束光射向两块不同的反射体上，只有这样，光束才能按要求的方向返回，因此，两束光的中心分离开的距离必须大于光斑直径，使两束光完全分开，否则会造成测量信号的噪声，甚至无法工作。在实际使用中，当测量达到3米远的距离时，两束光间距大约为80mm远。然而根据理论和实践证明，当两束光的距离超过10mm时，它们受到的扰动的特点是统计独立的，不能相互抵消，其光程差就会随大气扰动而变化。大气扰动问题是这种测量方案难于克服的问题。另外，该测量方法采用数字减法器解调双频信号，即采用频率计数得出位移量。当测量信号由于某种原因消失时（如将渥拉斯顿棱镜移出光路，测同轴度时将棱镜从一个孔移到另一个孔，测量表面不连续等）计数器出现误计，不能复现原计数。因而这种技术方案只能进行连续测量，不能进行断续测量。这是该方案的又一不足之处，这也是当前实际应用中未能解决的重要问题。

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足之处，提出一种新的双频激光准直测量方法及其装置，消除空气扰动对测量的影响，提高测量精度及测量稳定性。不但能进行连续测量，也能进行断续测量。

本发明的基本组成包括双频激光器，分光镜，两组双折射分光元件，反射体，光电接收器，信号检测单元各部分，其准直测量方法包括以下各步骤：

1、由所说的双频激光器发出含有两种频率、两种偏振方向的一束光;

2、该光束经所说的分光镜后分成两部分光，第一部分光由第一个光电接收器接收;成为参考信号;

3、第二部分光射入第一组双折射分光元件后，这有两种频率、两种偏振方向的光分成夹有一小角度的两束光;再经过第二组双折射分光元件后变成平行的两束偏振光;

4、第三步骤中的两束光同时射向一反射体，并按原路返回，再经所说的两组双折射分光元件后，由第二个光电接收器接收，成为测量信号;

5、所说的信号检测单元由检偏器与相位计构成，所说的参考信号与测量信号经过检偏器送入相位计进行相位比较，得到被测物的位移量。

上述方案中，两组双折射分光元件可采用双组旋光光楔，或双组渥拉斯顿棱镜，选用渥拉斯顿棱镜时，双频激光束为线偏振光束。单反射体可选用直角棱镜，直角四面体或猫眼透镜系统，被测物可与其中一组双折射分光元件固定在一起，也可与单反射体固定。

本发明采用比相方法测出横移量，可以在小分束角的条件下，保持已有技术的分辨率。在50米测量范围内，两相干光束的中心距离不超过光斑直经（例如光斑8mm-10mm，而两光束间距为4mm，实际上两光束并没分开），这样较好的解决了已有技术中空气干扰的问题。（两束光可认为处于相同的大气环境中，空气干扰可相互抵消）另外，采用比相原理，使本发明可进行连续测量，也可进行断续测量，解决了工程中对多组轴、孔的同轴度测量以及不连续表面的平面度测量问题。

附图简要说明

图1、为已有技术的一种双频激光干涉仪直线度测量附件组成示意图。

图2、为本发明的实施例一结构示意图。

图3、为本发明的实施例二结构示意图。

本发明提供实施上述方法的两种准直测量仪实施例，结合附图分别详细描述如下：实施例一如图2所示，主要由下列各部件组成，11为纵向塞曼双频激光器，12为分光镜，12’为反射镜，13为扩束器，14，15为相互到置的分束角一致的二块渥拉斯顿棱镜，16为直角棱镜，17，17’为检偏器，18，18’为光电接收器，QP为四分之一波片，PH为相位计，其测量原理为：塞曼激光器11发出一束含有一定频差的左右旋偏振光，经过QP变为正交的线偏振光（若用横向塞曼激光器或双折射调谐激光器时，输出是线偏振光则不需用QP），再经分光镜12后分成二部分，其中一部分光束，经检偏器17后由光电接收器18接收作为参考信号。另一部分作为准直测量光束，经扩束器13扩束后，射入第一块渥拉斯顿棱镜14，被分成夹一小角度的两束光，再经第二块渥拉斯顿棱镜15出射，成为相互靠得很近的平行的正交偏振光束，两束光分离量可以不超过4mm。本实施例中两块渥拉斯顿棱镜是专门设计的，小分束型式且夹角相等，其中一块棱镜与被测物固定在一起。两束光再经直角棱镜平移反射后又回到棱镜组14，15后，重新合并为一束光，经检偏器17’由第二个光电接收器接收得到测量信号。将上述参考信号和测量信号送入相位计PH比相，这时相位计的输出与棱镜14或15沿Y向的位移成比例，经数据处理，即可得到被测物在垂直激光束方向上的位移量。如果棱镜被移出光路，再重新复位，只要棱镜位置恢复原位，相位计的输出不变，因此可用于断续测量。该实施例在量程范围内产生的光程差变化不超过一个波长，即相位差不超过360°，因此可用相位计得到单值的测量结果。本实施例采用高精度的棱镜比大平面反射镜容易加工，保证了直线基准可以达到更高的精度。

本发明的实施例（二）如图3所示，主要包括纵向塞曼激光器21，分光镜22，反射镜22’，扩束器23，分离放置的二块旋光石英光楔组件24、25，每块光楔由角度相同的左旋和右旋石英晶体楔制成，其排列次序为右左;左右;或左右，右左（图中R代表右，L代表左），1/4波片QP，直角棱镜26，检偏器27，27’，光电接收器28，28’，相位计PH。本实施例与实施1的不同之处在于用二块旋光石英楔组件24，25取代上例中的二块渥拉斯顿棱镜，这样从纵向塞曼激光器21出射的左右旋偏振光，可不需经1/4波片QP变成线振光而直接进入旋光石英光楔组件，左、右旋光在左右旋石英光楔中的折射率不同，因而也被分开一个很小的角度，但经第二个光楔组以后又变为平行光束，在直角棱镜26前放置一1/4波片QP，其作用是保证光束经直角棱镜反回时原左旋光仍为左旋光，原右旋光仍为右旋光，本实施例其他部件及工作原理均与实施例一相同。