專利名稱：一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光學儀器領(lǐng)域，尤其是一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
大行程和高精度往往是位移傳感器設計中面臨的矛盾，傳統(tǒng)的磁柵、容柵具有大 行程測量能力，但是精度往往局限于柵距；電感、壓阻式傳感器的靈敏度和精度都較高，但 是測量范圍有限；激光干涉儀是一種常用的大行程高精度傳感器，但是價格較高，而且對環(huán) 境要求苛刻，因為激光波長極易受到溫度，空氣擾動等環(huán)境因素影響。光柵式干涉測量的原理是利用運動的光柵產(chǎn)生兩路衍射光束，衍射光由于多普勒 效應的作用，會產(chǎn)生符號相反的頻移，重新會合產(chǎn)生干涉，即可獲得頻率和運動速度成正比 的干涉條紋信號，經(jīng)過信號處理和計數(shù)細分，可作位移測量。光柵干涉儀即為一種基于光柵 干涉原理的位移傳感器，其使用光柵的柵距作為位移標準，而非激光波長，從而大大提高了 讀數(shù)的穩(wěn)定性。而當激光入射光柵時，由于光點尺寸遠大于光柵柵距，所以刻線誤差也在平 均效應的作用下變得微乎其微?，F(xiàn)有技術(shù)中已存有的光柵干涉儀，均使用廉價半導體激光器管作為光源，并且采 用士 1級衍射光進行干涉，通過結(jié)構(gòu)設計或補償消除光程差，通過偏極防止激光回射半導 體激光器，其光路中左旋右旋光進入相移模塊，產(chǎn)生四路相位相差90°的干涉信號，并且使 用差動輸入以便消除直流漂移，放大有用信號，其光路結(jié)構(gòu)可分為光路疊加模塊和干涉相 移模塊。但現(xiàn)有技術(shù)的光柵干涉儀均存在有不足之處，如英國的海德漢公司設計的光柵干 涉儀，其用來改變偏振方向的波片和用來分光的非偏振分光片都有一定的厚度，引入了光 程差，使得幾何上對稱的光路在光程上并不對稱，從而導致干涉對比度降低；非偏振分光片 具有一定厚度，由于折射的存在，左右兩側(cè)光束不可能完全重合；此外，這種設計基于一個 假設，即半導體激光器的發(fā)出的光束有接近理想狀態(tài)的偏振性，而實際市場上絕大多數(shù)半 導體激光器的出射光束均為部分偏振光，并不滿足這樣的理想假設。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，使用較少的光學儀 器，能夠獲得較高的光信號品質(zhì)，以解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題。為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案為—種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，包括有半導體激光器、反射式光柵，其特征在 于還包括有立方體狀的第一偏振分光棱鏡及角度可調(diào)的二個反射鏡，所述第一偏振分光 棱鏡的一面正對所述半導體激光器的出光口，為入光面，所述第一偏振分光棱鏡入光面的 對稱面，及與入光面相鄰的兩個相互對稱的面的位置分別設置有1/4波片，所述1/4波片其 快軸方向為45°，所述兩個反射鏡相互對稱，分別設置于所述第一偏振分光棱鏡入光面的 對稱面的一側(cè)，及入光面的一個設置有1/4波片的相鄰面的一側(cè)，所述半導體激光器發(fā)出 的光入射至所述第一偏振分光棱鏡的分光面上，一部分光透射過分光面，經(jīng)過一個1/4波片后，被其中一個反射鏡反射至所述反射式光柵，另一部分光被分光面反射，再經(jīng)過另一個 1/4波片后，被另一個發(fā)射鏡反射至所述反射式光柵，所述反射鏡分別使兩束光以特定角度 入射至所述反射式光柵，在反射光柵中形成衍射，調(diào)整反射鏡角度使士 1級衍射光的反射 光沿原光路入射至所述第一偏振分光棱鏡，再分別被分光面反射和透射過分光面后光路重 合，所述重合光經(jīng)過第三個1/4波片后出射；還包括立方體狀的消偏振分光棱鏡、多個光電探測器，所述消偏振分光棱鏡一面 為入光面，所述消偏振分光棱鏡的入光面正對所述第三個1/4波片以接收經(jīng)過所述第三個 1/4波片的出射光，對應所述消偏振分光棱鏡上與入光面相對的一面及與入光面鄰近的一 面分別設置有立方體狀的第二、第三偏振分光棱鏡，所述經(jīng)過第三個1/4波片后的出射光 入射至所述消偏振分光棱鏡，被所述消偏振分光棱鏡的分光面分成能量相等的透射光和反 射光，所述透射光及反射光分別穿過所述消偏振分光棱鏡，入射至所述第二、第三偏振分光 棱鏡，所述第二、第三偏振分光棱鏡的分光面分別將入射光分成透射的和被反射的兩部分， 在對應所述第二、第三偏振分光棱鏡中透射光及反射光的鏡面位置分別設置有光電探測器 以接收所述第二、第三偏振分光棱鏡中的成透射光和反射光。所述的一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，其特征在于所述半導體激光器與所 述第一偏振分光棱鏡之間、所述接收第二偏振分光棱鏡透射光的光電探測器后方分別設置 有針孔。所述的一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，其特征在于所述反射式光柵前方設 置有擋板，擋去不需要的級數(shù)的衍射反射光。本實用新型具有的優(yōu)點如下(1)用最少數(shù)量的鏡片實現(xiàn)了衍射光的疊加和干涉。簡化了安裝調(diào)整，減少了光學 元件表面，從而減少了冗余反射光束，改善了信號品質(zhì)。(2)對稱式結(jié)構(gòu)設計，從原理上消除了光程差，增加了干涉條紋對比度，改善信號 品質(zhì)，(3)由于在本實用新型中，衍射光方向為原入射光方向的原路返回，因此光學系 統(tǒng)與光柵之間可以以任意間距安裝；調(diào)整反射鏡角度即可實現(xiàn)衍射光按入射光方向原路返 回，若為獲得更高測量分辨率而使用更小柵距的光柵，只須重新調(diào)整反射鏡角度即可，因此 本設計具有升級空間。(4)位移最優(yōu)光路明確，實現(xiàn)了安裝調(diào)整的確定性。(5)鏡片采用常見尺寸，工藝成熟，價格低廉。(6)激光器采用廉價的半導體激光器。(7)小型化設計。PBS和NPBS為5毫米棱長，1/4波片為4毫米邊長，1毫米厚度。 整體尺寸為50mm*50mm*15mm。(8)高精度，15毫米量程內(nèi)獲得小于10納米的測量重復性。
圖1為本實用新型光路結(jié)構(gòu)圖。
具體實施方式
一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，包括有半導體激光器1、反射式光柵4，還包括有立方體狀的第一偏振分光棱鏡3及角度可調(diào)的二個反射鏡8、9，第一偏振分光棱鏡3的 一面正對半導體激光器的出光口，為入光面，第一偏振分光棱鏡3入光面的對稱面，及與入 光面相鄰的兩個相互對稱的面的位置分別設置有1/4波片6、5、7，1/4波片5、6、7其快軸方 向為45°，兩個反射鏡8、9相互對稱，分別設置于第一偏振分光棱鏡3入光面的對稱面的一 側(cè)，及入光面的一個設置有1/4波片5的相鄰面的一側(cè)，半導體激光器4發(fā)出的光入射至第 一偏振分光棱鏡3的分光面上，一部分光透射過分光面，經(jīng)過一個1/4波片6后，被其中一 個反射鏡9反射至反射式光柵4，另一部分光被分光面反射，再經(jīng)過另一個1/4波片5后，被 另一個發(fā)射鏡8反射至反射式光柵4，反射鏡8、9分別使兩束光以22. 4°特定的入射角入 射至反射式光柵4，由于衍射光角度決定于光柵4柵距，入射角度以及衍射級數(shù)，故調(diào)整反 射鏡8、9角度使士 1級衍射光的反射光沿原光路入射至第一偏振分光棱鏡3，再分別被分光 面反射和透射過分光面后光路重合，重合光經(jīng)過第三個1/4波片7后出射；還包括立方體狀的消偏振分光棱鏡10、四個光電探測器13、14、15、16，消偏振分 光棱鏡10 —面為入光面，消偏振分光棱鏡10的入光面正對第三個1/4波片7以接收經(jīng)過 第三個1/4波片7的出射光，對應消偏振分光棱鏡10上與入光面相對的一面及與入光面鄰 近的一面分別設置有立方體狀的第二、第三偏振分光棱鏡11、12，經(jīng)過第三個1/4波片7后 的出射光入射至消偏振分光棱鏡10，被消偏振分光棱鏡10的分光面分成能量相等的透射 光和反射光，透射光及反射光分別穿過消偏振分光棱鏡10，入射至第二、第三偏振分光棱鏡 11、12，第二、第三偏振分光棱鏡11、12的分光面分別將入射光分成透射的和被反射的兩部 分，在對應第二偏振分光棱鏡11中透射光及反射光的鏡面位置分別設置有光電探測器14、 13以接收第二偏振分光棱鏡11中的成透射光和反射光，在對應第三偏振分光棱鏡12中透 射光及反射光的鏡面位置分別設置有光電探測器15、16以接收第三偏振分光棱鏡12中的 成透射光和反射光，。半導體激光器1與第一偏振分光棱鏡3之間、接收第二偏振分光棱鏡11透射光的 光電探測器14后方分別設置有針孔2、18。反射式光柵4前方設置有擋板17，擋去不需要的級數(shù)的衍射反射光。本實用新型使用反射式光柵，發(fā)生干涉的為士 1級衍射光。當波長為λ的光束以 入射角Qi入射柵距為d的反射式光柵4，產(chǎn)生出多道衍射光，設衍射角為eq，m*衍射級 數(shù)，則以上參數(shù)有如下關(guān)系d(sin θ j+sin θ q) = mA(1)半導體激光器1出射的激光束為部分偏振光，通過適當?shù)恼{(diào)整可以使得偏振橢圓 長軸位于45°方向。第一偏振分光棱鏡3將該光束分為能量相同的兩束線偏振光，偏振方 向分別為水平(P光)和豎直(S光)。P光穿過第一偏振分光棱鏡3斜面，構(gòu)成右光臂。而 S光則被反射，構(gòu)成左光臂。通過(1)式可知，特定的衍射光角度由入射光角度和光柵的柵 距決定，通過調(diào)整反射鏡8、9的角度，可以使得左光臂的-1級衍射光和右光臂的+1級衍射 光循入射光路方向返回。例如使用1毫米1200線的光柵，由式(1)可以計算出入射角度為 22.4°。1/4波片5、6和7的快軸方向為45°方向放置，可以實現(xiàn)線偏振光和圓偏振光的相 互轉(zhuǎn)換。以左光臂為例，S光經(jīng)過1/4波片5，被轉(zhuǎn)換為左旋偏振光，循原路返回的-1級衍 射光被反射鏡8反射，再次經(jīng)過1/4波片5時，被轉(zhuǎn)換為P光，則返回的光線并不會被第一 偏振分光棱鏡3反光面反射回半導體激光器1，而是穿過第一偏振分光棱鏡3，入射1/4波片7 ；類似的過程也發(fā)生在右光臂，+1級衍射光被轉(zhuǎn)換為S光，返回第一偏振分光棱鏡3時 被分光面反射，入射1/4波片7。此時兩路會合的光束偏振方向互相垂直，不會發(fā)生干涉，經(jīng) 1/4波片7的作用分別被轉(zhuǎn)換為左旋和右旋偏振光。經(jīng)消偏振分光棱鏡10被分為能量相同 的兩支，再由第三偏振分光棱鏡12和第二偏振分光棱鏡11的作用，分別形成在0°、45°、 90°和135°方向上的干涉。進而在四個光電探測器13、14、15、16上可獲得相位相差90° 的正交弦波信號Ipdi = A[l-cos (2 Δ ω · t) ] (2)Ipd2 = A[l+cos(2A ω · t) ] (3)IPD3 = A[l+sin(2A ω · t)] (4)Ipd4 = A[l_sin(2A ω · t)] (5)在此基本原理以外，為了便于調(diào)整安裝和改進信號品質(zhì)，本實用新型中新增了一 些優(yōu)化結(jié)構(gòu)的細節(jié)針孔2用于限制光束直徑，使干涉光斑能夠位于光電探測器中心，而不容易落在 光電探測器敏感區(qū)域以外。針孔18和針孔2共同作用，確定了唯一的光路，只有當兩束光 可以穿過針孔18時才能讓干涉光斑落在光電探測器的中心。在靠近光柵的位置設置一擋板17，阻隔左光臂的+1級衍射光和右光臂的-1級衍 射光進入光路。
權(quán)利要求一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，包括有半導體激光器、反射式光柵，其特征在于還包括有立方體狀的第一偏振分光棱鏡及角度可調(diào)的二個反射鏡，所述第一偏振分光棱鏡的一面正對所述半導體激光器的出光口，為入光面，所述第一偏振分光棱鏡入光面的對稱面，及與入光面相鄰的兩個相互對稱的面的位置分別設置有1/4波片，所述1/4波片其快軸方向為45°，所述兩個反射鏡相互對稱，分別設置于所述第一偏振分光棱鏡入光面的對稱面的一側(cè)，及入光面的一個設置有1/4波片的相鄰面的一側(cè)，所述半導體激光器發(fā)出的光入射至所述第一偏振分光棱鏡的分光面上，一部分光透射過分光面，經(jīng)過一個1/4波片后，被其中一個反射鏡反射至所述反射式光柵，另一部分光被分光面反射，再經(jīng)過另一個1/4波片后，被另一個發(fā)射鏡反射至所述反射式光柵，所述反射鏡分別使兩束光以特定角度入射至所述反射式光柵，在反射光柵中形成衍射，調(diào)整反射鏡角度使±1級衍射光的反射光沿原光路入射至所述第一偏振分光棱鏡，再分別被分光面反射和透射過分光面后光路重合，所述重合光經(jīng)過第三個1/4波片后出射；還包括立方體狀的消偏振分光棱鏡、多個光電探測器，所述消偏振分光棱鏡一面為入光面，所述消偏振分光棱鏡的入光面正對所述第三個1/4波片以接收經(jīng)過所述第三個1/4波片的出射光，對應所述消偏振分光棱鏡上與入光面相對的一面及與入光面鄰近的一面分別設置有立方體狀的第二、第三偏振分光棱鏡，所述經(jīng)過第三個1/4波片后的出射光入射至所述消偏振分光棱鏡，被所述消偏振分光棱鏡的分光面分成能量相等的透射光和反射光，所述透射光及反射光分別穿過所述消偏振分光棱鏡，入射至所述第二、第三偏振分光棱鏡，所述第二、第三偏振分光棱鏡的分光面分別將入射光分成透射的和被反射的兩部分，在對應所述第二、第三偏振分光棱鏡中透射光及反射光的鏡面位置分別設置有光電探測器以接收所述第二、第三偏振分光棱鏡中的成透射光和反射光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，其特征在于所述半導 體激光器與所述第一偏振分光棱鏡之間、所述接收第二偏振分光棱鏡透射光的光電探測器 后方分別設置有針孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，其特征在于所述反射 式光柵前方設置有擋板，擋去不需要的級數(shù)的衍射反射光。
專利摘要本實用新型涉及一種新型線性衍射光柵干涉儀結(jié)構(gòu)，包括有半導體激光器、反射式光柵、反射鏡，在半導體激光器與反射鏡之間設置有第一偏振分光棱鏡，在第一偏振分光棱鏡一側(cè)還設置有消偏振棱鏡、第二偏振分光棱鏡、第三偏振分光棱鏡，第二、第三偏振分光棱鏡上分別設置有接收信號光的光電探測器。本實用新型用最少數(shù)量的鏡片實現(xiàn)了衍射光的疊加和干涉。簡化了安裝調(diào)整，減少了光學元件表面，從而減少了冗余反射光束，改善了信號品質(zhì)。本實用新型采用對稱式結(jié)構(gòu)設計，從原理上消除了光程差，增加了干涉條紋對比度，改善信號品質(zhì)。本實用新型位移最優(yōu)光路明確，實現(xiàn)了安裝調(diào)整的確定性。
文檔編號G02B26/08GK201653358SQ20092029979
公開日2010年11月24日 申請日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者程方, 范光照 申請人:范光照;程方