專利名稱：高精度單f－p板角位移測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種高精度單F-P板角位移測量儀。特別是涉及到單F-P板正弦相位調(diào)制半導(dǎo)體激光干涉儀。
背景技術(shù)：
全內(nèi)反射差動(dòng)探測角位移測量法是近年發(fā)展起來的高精度角位移測量方法(參見在先技術(shù)[1]Weidong Zhou and Lilong Cai，“An angular displacement interferometerbased on total internal reflection，”Meas.Sci.Technol.9，1647-1652(1998))，此方法的測量原理如下，激光束從玻璃介質(zhì)平面入射到空氣中，當(dāng)入射角接近全反射臨界角時(shí)，兩介質(zhì)界面上的反射激光束的光強(qiáng)將隨入射角的增大而迅速增大。根據(jù)菲涅耳公式得出反射光強(qiáng)度的變化量與入射角改變量即角位移之間的線性關(guān)系式，通過探測兩介質(zhì)界面上反射光強(qiáng)度的變化量來得到角位移。由于此儀器直接利用探測到的光強(qiáng)來計(jì)算角位移，因此測量過程中任何雜散光的存在都會對測量結(jié)果造成影響，帶入較大的測量誤差。
F-P板結(jié)構(gòu)簡單，透射光束之間的光程差與光束到F-P板的入射角有明確的函數(shù)關(guān)系。但利用F-P板干涉來實(shí)現(xiàn)高精度角位移測量存在困難。這種方法需要精確確定入射光的初始角，需要高精度測量干涉光的相位差變化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的困難，提供一種高精度單F-P板角位移測量儀。
本發(fā)明的基本思想是利用CCD探測F-P板兩透射光束光斑的中心距來求取光線入射到F-P板的初始入射角，利用正弦相位調(diào)制(SPM)干涉求取干涉信號的相位變化。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種高精度單F-P板角位移測量儀，它包含有帶驅(qū)動(dòng)電源的調(diào)制光源，沿著該調(diào)制光源發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上置有光束準(zhǔn)直物鏡和起反射鏡，在反射鏡的反射光束的前進(jìn)方向上置有待測物體，在該待測物體反射光的前進(jìn)方向上置有F-P板和分束鏡，該分束鏡的端口b透射光束方向上置有透鏡和光電轉(zhuǎn)換元件，該光電轉(zhuǎn)換元件與連接計(jì)算機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件相連，在該分束鏡的端口c反射光束方向上置有CCD圖像探測器，該CCD圖像探測器與連接計(jì)算機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件相連。
所述的調(diào)制光源是半導(dǎo)體激光器。
所述的驅(qū)動(dòng)電源提供直流、正弦交流信號給調(diào)制光源。
所述的光電轉(zhuǎn)換元件是光電二極管，或是光電池。
所述的分束鏡是分光棱鏡，或兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板。
所述的待測物體是指產(chǎn)生角位移的光學(xué)表面，如鏡面、硅片表面、或金屬表面。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用CCD探測F-P板兩透射光束光斑的中心距，通過簡單運(yùn)算即得到了入射光的初始角。解決了采用F-P板干涉法測量角位移的難題之一，即入射光初始角的確定問題。
2、本發(fā)明單F-P板正弦相位調(diào)制激光干涉儀結(jié)構(gòu)簡單，能進(jìn)行高精度的角位移測量。
3、本發(fā)明與在先技術(shù)[1]相比，采用正弦相位調(diào)制干涉術(shù)通過測干涉信號的相位來測量物體的角位移，增強(qiáng)了儀器對雜散光的抗干擾能力，減少了儀器的測量誤差，提高了儀器的測量精度。


圖1為本發(fā)明高精度單F-P板角位移測量儀。
圖2為被測物體5將激光束反射到F-P板6。
具體實(shí)施例方式
請參閱圖1，圖1是本發(fā)明高精度單F-P板角位移測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明高精度單F-P板角位移測量儀包括帶有驅(qū)動(dòng)電源1的調(diào)制光源2，沿著調(diào)制光源2發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上置有光束準(zhǔn)直物鏡3和起反射鏡4，在反射鏡4的反射光束的前進(jìn)方向上置有被測物體5。被測物體5反射光的前進(jìn)方向上置有F-P板6和分束鏡7。分束鏡7端口b透射光束方向上置有透鏡8和光電轉(zhuǎn)換元件9，光電轉(zhuǎn)換元件9與連接計(jì)算機(jī)13的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件10相連。分束鏡7端口c反射光束方向上置有光電轉(zhuǎn)換元件11，光電轉(zhuǎn)換元件11與連接計(jì)算機(jī)13的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件12相連。
上面所說的調(diào)制光源2是半導(dǎo)體激光器(也稱激光二極管，簡稱為LD)。
所說的驅(qū)動(dòng)電源1提供直流、正弦交流信號給調(diào)制光源2。
所說的光電轉(zhuǎn)換元件9是光電二極管，或是光電池等。
所說的光電轉(zhuǎn)換元件11是CCD圖像探測器。
所說的分束鏡7是指能夠?qū)⑷肷涔獍唇咏?∶1的光強(qiáng)比分成兩束光的元件。如分光棱鏡、兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板等。
所說的F-P板6是兩面平行的透明平板。
所說的被測物體5是指產(chǎn)生角位移的光學(xué)表面，如鏡面、硅片表面、金屬表面等。
本發(fā)明高精度單F-P板角位移測量儀具體工作過程是帶有驅(qū)動(dòng)電源1的調(diào)制光源2發(fā)出的光通過準(zhǔn)直物鏡3后由反射鏡4反射到被測物體5，被測物體5反射的光束通過F-P板6照射到分束鏡7上。分束鏡7把入射光分成反射光和透射光兩路。其中反射光由分束鏡7端口c出射照射到光電轉(zhuǎn)換元件11上，光電轉(zhuǎn)換元件11輸出的電信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換元件12轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)入計(jì)算機(jī)13；分束鏡7端口b出射的透射光則由透鏡8匯聚到光電轉(zhuǎn)換元件9上，光電轉(zhuǎn)換元件9輸出的電信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換元件10轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)13。
當(dāng)光電轉(zhuǎn)換元件9檢測到干涉信號s(t)＝cos(zcos(ωt+θ)+α)， (1)其中s(t)為光束透過F-P板6所形成的兩束光產(chǎn)生的干涉信號。z為干涉信號s(t)的相位調(diào)制振幅，ω為驅(qū)動(dòng)電源1的正弦相位調(diào)制信號頻率，t為時(shí)間，α為被測物體5轉(zhuǎn)動(dòng)使干涉信號s(t)產(chǎn)生的相位變化。取α的初始相位為零有α=4πnhλ[cosi1-cos(i1+2iΔ′)].------(2)]]>其中λ為光源2的中心波長。n和h分別為F-P板6的折射率和上下表面間距。i1為對應(yīng)于初始入射角i在F-P板內(nèi)的折射角，i1+Δi′為對應(yīng)于入射角i+Δi在F-P板內(nèi)的折射角。見圖2。由(2)式有Δi′=α(4πnh/λ)sini1.--------(3)]]>被測物體5的角位移δ可以由下式得到
δ=Δi′21-sin2i11-n2sin2i1=α(8πh/λ)sini11-sin2i11-n2sin2i1.-------(4)]]>(4)式中的sini1與從F-P板6透射出來的兩束光之間的水平距離d存在如下關(guān)系sini1={[(1+d24h2)+(1+d24h2)2-4n2d24h2]/(22)}1/2.-------(5)]]>帶有驅(qū)動(dòng)電源1的調(diào)制光源2發(fā)出的光通過準(zhǔn)直物鏡3后由反射鏡4反射到被測物體5，被測物體5反射的光束通過F-P板6分成兩束產(chǎn)生干涉。干涉光照射到分束鏡7上被分成透射光和反射光兩路。其中透射光被透鏡8會聚到光電轉(zhuǎn)換元件9上，模數(shù)轉(zhuǎn)換元件10把光電轉(zhuǎn)換元件9檢測到的干涉信號s(t)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過對s(t)作頻譜分析可以得到α。從分束鏡7出來的反射光照射到光電轉(zhuǎn)換元件11上，模數(shù)轉(zhuǎn)換元件12把光電轉(zhuǎn)換元件11檢測到的光強(qiáng)分布信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入計(jì)算機(jī)信息處理后得到d值。n和h為F-P板6的參數(shù)，與d一起代入(5)式得到sini。再將α和sini及儀器參數(shù)λ、n和h代入(4)式便可得出被測物體5的角位移。
若選擇調(diào)制光源2的波長為661nm，F(xiàn)-P板6的折射率和厚度分別為1.5163和12mm。由于使用正弦相位調(diào)制法測量干涉信號的相位變化α，其測量分辨率在0.01rad以上。將上述數(shù)據(jù)代入(4)式便可以得出角位移δ的測量分辨率在10-8rad數(shù)量級。
本發(fā)明的高精度單F-P板角位移測量儀可以用來測量轉(zhuǎn)動(dòng)物體的角位移。
圖1為本發(fā)明高精度單F-P板角位移測量儀的結(jié)構(gòu)。其中，調(diào)制光源2采用中心波長為661nm的單模半導(dǎo)體激光器。在驅(qū)動(dòng)電源1提供的直流和交流信號的驅(qū)動(dòng)下，其出射光通過準(zhǔn)直物鏡3后由反射鏡4反射到被測物體5，被測物體5反射的光束通過F-P板6分成兩束產(chǎn)生干涉。F-P板6為兩面高度平行的玻璃平板，其表面在波長661nm處鍍90％的增反膜，其折射率和厚度分別為1.5163和12mm。干涉光照射到分束鏡7上被分成透射光和反射光兩路。分束鏡7采用兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板。其中透射光被透鏡8會聚到光電轉(zhuǎn)換元件9上，光電轉(zhuǎn)換元件9為光電二極管。模數(shù)轉(zhuǎn)換元件10把光電轉(zhuǎn)換元件9檢測到的干涉信號s(t)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過對s(t)作頻譜分析可以得到α。從分束鏡7出來的反射光照射到光電轉(zhuǎn)換元件11上，光電轉(zhuǎn)換元件11為CCD圖像探測器。模數(shù)轉(zhuǎn)換元件12把光電轉(zhuǎn)換元件11檢測到的光強(qiáng)分布信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)13進(jìn)行處理我們可以得到d。n和h為F-P板6的參數(shù)，與d一起代入(5)式得到sini。再將α和sini及參數(shù)λ、n和h代入(4)式便可得出被測物體5的角位移。其測量分辨率在10-8rad數(shù)量級。
經(jīng)試用表明本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn)1、發(fā)明采用CCD探測F-P板兩透射光束光斑的中心距，通過簡單運(yùn)算即得到了入射光的初始角。解決了采用F-P板干涉法測量角位移的難題之一，即入射光初始角的確定問題。
2、本發(fā)明單F-P板正弦相位調(diào)制激光干涉儀結(jié)構(gòu)簡單，能進(jìn)行高精度的角位移測量。
3、本發(fā)明與在先技術(shù)[1]相比，采用正弦相位調(diào)制干涉術(shù)通過測干涉信號的相位來測量物體的角位移，增強(qiáng)了儀器對雜散光的抗干擾能力，減少了儀器的測量誤差，提高了儀器的測量精度。
權(quán)利要求
1.一種高精度單F-P板角位移測量儀，其特征在于它包含有帶驅(qū)動(dòng)電源(1)的調(diào)制光源(2)，沿著該調(diào)制光源(2)發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上置有光束準(zhǔn)直物鏡(3)和起反射鏡(4)，在反射鏡(4)的反射光束的前進(jìn)方向上置有待測物體(5)，在被測物體(5)反射光的前進(jìn)方向上置有F-P板(6)和分束鏡(7)，分束鏡(7)的端口b透射光束方向上置有透鏡(8)和光電轉(zhuǎn)換元件(9)，該光電轉(zhuǎn)換元件(9)與連接計(jì)算機(jī)(13)的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件(10)相連，分束鏡(7)的端口c反射光束方向上置有光電轉(zhuǎn)換元件(11)，光電轉(zhuǎn)換元件(11)與連接計(jì)算機(jī)(13)的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件(12)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度單F-P板角位移測量儀，其特征在于所述的調(diào)制光源(2)是半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度單F-P板角位移測量儀，其特征在于所述的驅(qū)動(dòng)電源1提供直流、正弦交流信號給調(diào)制光源(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度單F-P板角位移測量儀，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換元件(9)是光電二極管，或是光電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度單F-P板角位移測量儀，其特征在于所述的光電轉(zhuǎn)換元件(11)是CCD圖像探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度單F-P板角位移測量儀，其特征在于所述的分束鏡(7)是分光棱鏡，或兩面分別鍍析光膜和增透膜的平行平板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的高精度單F-P板角位移測量儀，其特征在于所述的待測物體(5)是指產(chǎn)生角位移的光學(xué)表面，如鏡面、硅片表面、或金屬表面。
全文摘要
一種高精度單F－P板角位移測量儀，它包含有帶驅(qū)動(dòng)電源的調(diào)制光源，沿著該調(diào)制光源發(fā)出的光束的前進(jìn)方向上置有光束準(zhǔn)直物鏡和起反射鏡，在反射鏡的反射光束的前進(jìn)方向上置有待測物體，在該待測物體反射光的前進(jìn)方向上置有F－P板和分束鏡，該分束鏡的端口b透射光束方向上置有透鏡和光電轉(zhuǎn)換元件，該光電轉(zhuǎn)換元件與連接計(jì)算機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件相連，在該分束鏡的端口c反射光束方向上置有CCD圖像探測器，該CCD圖像探測器與連接計(jì)算機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換元件相連。
文檔編號G02B27/28GK1515872SQ0315050
公開日2004年7月28日 申請日期2003年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月22日
發(fā)明者張彩妮, 王向朝 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所