一种基于平面镜反射的激光外差干涉测量装置和方法

技术领域

本发明属于激光干涉测量领域，主要涉及一种基于平面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，但是这种方法的光路结构复杂，易产生光学热漂移，限制了激光外差干涉测量准确度的进一步提高。

例如Hongxing Yang等人提出了一种双光束分离的外差干涉测量优化方法(Nonlinearity of a double-path interferometer qualified with a non-constantmoving speed,Optics Letters,Vol.41,No.23,2016:5478-5481)。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，并利用全光纤机构来减小外界振动对于测量结果的影响。但是该方法光路结构复杂，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。

S.R.Gillmer等人提出了一种紧凑型的光纤耦合式外差干涉测量结构(Compactfiber-coupled three degree-of-freedom displacement interferometry fornanopositioning stage calibration，Measurement Science and Technology,Vol.25,No.7,2014:075205)。该结构不仅利用了空间分离输入光束来抑制光学非线性，而且利用特殊的机械设计方法将光路结构简化，以利于工业现场的测量。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结构复杂，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，出了一种基于平面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结构复杂，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：

一种基于平面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、直角反射镜、光学补偿镜和被测平面镜，其特征在于：在双频激光器与被测平面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、第三偏振分光镜和光学补偿镜，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设置直角反射镜。

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和测量光束A，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和测量光束B；参考光束A经过直角反射镜对角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经光学补偿镜和平面镜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；参考光束B经直角反射镜对角反射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经光学补偿镜和平面镜后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。

一种基于平面镜反射的激光外差干涉测量方法，该方法包括以下步骤：

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的两束参考光束入射到直角反射镜，并被对角反射回第三偏振分光镜；同时频率为f₁和f₂的两束测量光束透射光学补偿镜后入射至被测平面镜，并被原路返回至第三偏振分光镜；

e、调节直角反射镜和被测平面镜，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>1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平面镜的位移值。

双频激光器输出两束平行的p偏振光。

被测平面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，光路结构简单，抑制了光学非线性误差，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。

图中：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、直角反射镜，6、光学补偿镜，7、被测平面镜，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，提出一种基于平面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，第二偏振分光镜9，第三偏振分光镜8，四分之一波片4，直角反射镜5，光学补偿镜6，被测平面镜7，其中，在双频激光器1与被测平面镜7之间顺序设置并列的第一偏振分光镜3、第二偏振分光镜9，四分之一波片4，第三偏振分光镜8，光学补偿镜6，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的反射方向设置直角棱镜5。

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经过直角反射镜5对角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经光学补偿镜5和平面镜6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。

同样的，参考光束B经直角反射镜5对角反射到第三偏振分光镜8并被第三偏振分光镜 8反射，反射方向与测量光束A经光学补偿镜5和平面镜6后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。

通过上述的两个电信号的相位差即可算出被测平面镜的位移。例如S.R.Gillmer等人提出的一种紧凑型的光纤耦合式外差干涉测量方法中，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，提出一种基于平面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1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的两束参考光束入射到直角反射镜5，并被对角反射回第三偏振分光镜>1和f₂的两束测量光束透射光学补偿镜6后入射至被测平面镜7，并被原路返回至第三偏振分光镜8；

e、调节直角反射镜5和被测平面镜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反射3至第一光电接收器2，第一光电接收器2将接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反射至第二光电接收器10，第二光电接收器10将接收到的光干涉信号转换形成干涉信号Im₂；

f、计算电信号Im₁与Im₂之间的相位差得到被测平面镜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，平面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)将平面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的直角反射镜与光学补偿镜，若参考光束在直角反射镜中的光程为L，那么光学补偿镜沿着测量光束方向的厚度为

(3)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；

(4)调整被测平面镜的角度使得测量光束垂直入射到被测平面镜上；

(5)调整第三偏振分光镜和直角反射镜的角度，使得入射到光电接收器上的参考光束与测量光束重合；

(6)光电接收器将光信号转化为相应的电信号；

(7)测量两路电信号的相位差值即可得到相应的位移值。