微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有波長穩(wěn)定、補(bǔ)償功能的高精度微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，將微型邁克爾遜干涉儀、自動(dòng)恒功率電路及波長補(bǔ)償系統(tǒng)整合在一起，作為一整體測量系統(tǒng)來感測測量反射鏡的位移，并通過自動(dòng)恒功率電路及波長補(bǔ)償系統(tǒng)對激光器波長值進(jìn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)修正，保證了位移測量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明采用激光二極管作為光源的設(shè)計(jì)，不僅使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本、高精度的特點(diǎn)，而且整體尺寸大大縮小，適于作為短行程納米級(jí)精度定位平臺(tái)的傳感器系統(tǒng)使用。
【專利說明】微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及干涉儀領(lǐng)域，具體是一種微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，激光干涉儀的應(yīng)用范圍越來越大，在長度測量方面，以安捷倫、Renishaw、 SI0S等品牌的商用激光干涉儀作為我們的測量標(biāo)準(zhǔn)，這些激光干涉儀都具有高分辨率、高 波長穩(wěn)定性及各種溫濕度補(bǔ)償系統(tǒng)，這就大大拓寬了激光干涉儀的使用范圍，可以在工廠 車間，也可以在有恒溫環(huán)境的實(shí)驗(yàn)室里，但由于這些激光干涉儀都采用對激光進(jìn)行穩(wěn)頻的 技術(shù)，這就造成了激光干涉儀成本高、售價(jià)高及體積大的問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種可以達(dá)到納米級(jí)精度 的微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，以達(dá)到結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、低成本及高精度的目的。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
[0005] 微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，其特征在于：包括微型邁克爾遜干涉儀部分、波長補(bǔ)償 部分、自動(dòng)恒功率部分，其中 ：
[0006] 所述微型邁克爾遜干涉儀包括半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器前方激光出射光路上 設(shè)置有第一分光鏡，第一分光鏡左側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第一 1/4波片，第一分光鏡前側(cè)鏡 面處緊設(shè)置有第二1/4波片，第一分光鏡右側(cè)設(shè)置有第二分光鏡，且第一、第二分光鏡之間 設(shè)置有第三1/4波片，第二分光鏡右側(cè)緊貼設(shè)置有第三分光鏡，第二分光鏡后側(cè)緊貼設(shè)置 有第四分光鏡，所述第三分光鏡的前側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第一光電感測器，第三分光鏡的 右側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第二光電感測器，所述第四分光鏡的右側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第三光 電感測器，第四分光鏡的后側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第四光電感測器，所述第一分光鏡左側(cè)間 隔一定距離設(shè)置有第五分光鏡，第五分光鏡正后方設(shè)置有參考反射鏡，第一分光鏡前方設(shè) 置有測量反射鏡；半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的準(zhǔn)直光經(jīng)過第一分光鏡后分成被第一分光鏡反射 和透射的兩路準(zhǔn)直光，其中一路由第一分光鏡反射的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一 1/4波片、部分 被第五分光鏡反射后入射至參考反射鏡，經(jīng)過參考反射鏡反射后再被第五分光鏡反射并沿 原路返回至第一分光鏡，另一路由第一分光鏡透射的準(zhǔn)直光經(jīng)過第二1/4波片后入射至測 量反射鏡，經(jīng)過測量反射鏡反射后沿原路返回至第一分光鏡，參考反射鏡返回的光束經(jīng)過 第一分光鏡透射后、測量反射鏡返回的光束經(jīng)過第一分光鏡反射后再分別經(jīng)過第三1/4波 片并入射至第二分光鏡，部分返回光束被第二分光鏡透射至第三分光鏡，經(jīng)第三分光鏡反 射、透射后分別入射至第一光電感測器、第二光電感測器，其余部分返回光束被第二分光鏡 反射至第四分光鏡，經(jīng)第四分光鏡反射、透射后分別入射至第三光電感測器、第四光電感測 器；
[0007] 所述波長補(bǔ)償部分包括間隔一定距離設(shè)置在第五分光鏡左側(cè)的透射式光柵，透射 式光柵左前方設(shè)置有轉(zhuǎn)折光路反射鏡，轉(zhuǎn)折光路反射鏡前方依次設(shè)置有聚焦透鏡、四象限 光電探測器；半導(dǎo)體激光器出射的由第一分光鏡反射的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一 1/4波片、部 分透射過第五分光鏡后入射至透射式光柵，經(jīng)過透射式光柵形成的一級(jí)衍射光經(jīng)過轉(zhuǎn)折光 路反射鏡轉(zhuǎn)折反射后，再經(jīng)過聚焦透鏡入射至四象限光電探測器；
[0008] 所述自動(dòng)恒功率部分包括間隔一定距離設(shè)置在透射式光柵左側(cè)的第五光電探測 器，經(jīng)過透射式光柵形成的零級(jí)光柵入射至第五光電探測器。
[0009] 所述的微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，其特征在于：設(shè)置可以進(jìn)行左右偏擺角和前后 俯仰角調(diào)節(jié)的第一參考反射鏡微調(diào)座和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座，所述參考反射鏡、轉(zhuǎn)折光 路反射鏡分別固定設(shè)置在第一參考反射鏡微調(diào)座和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座上，調(diào)節(jié)所述第 一參考反射鏡微調(diào)座，以使參考反射鏡的反射光束和測量反射鏡的反射光束分別在第一光 電感測器，第二光電感測器、第三光電感測器和第四光電感測器上重合；調(diào)節(jié)所述第二轉(zhuǎn)折 反射鏡微調(diào)座使經(jīng)過第五分光鏡分出的部分光通過投射光柵、轉(zhuǎn)折光路反射鏡及聚焦透鏡 照射在四象限光電探測器上。
[0010] 所述的微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，其特征在于：各光學(xué)器件的裝夾固定設(shè)置為： 半導(dǎo)體激光器、透射光柵及第五光電探測器由固定底座固定，第一分光鏡、第一 1/4波片、 第二1/4波片、第三1/4波片、第二分光鏡、第三分光鏡和第四分光鏡由夾具所夾持，第五分 光鏡由C型固定座固定，聚焦透鏡、四象限光電探測器由U型固定座固定，參考反射鏡、轉(zhuǎn)折 光路反射鏡分別由第一參考反射鏡微調(diào)座和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座固定并進(jìn)行調(diào)節(jié)。
[0011] 本發(fā)明涉及一種具有對激光波長進(jìn)行實(shí)時(shí)穩(wěn)定及補(bǔ)償功能的高精度微型邁克爾 遜干涉儀，真正實(shí)現(xiàn)了激光干涉儀的低成本、小型化和高精度，可以在線性測長上廣泛應(yīng) 用。
[0012] 與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在：
[0013] 1、本發(fā)明的高精度微型邁克爾遜干涉儀采用自動(dòng)恒功率電路，可以在不同溫度下 都可以使半導(dǎo)體激光器波長保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)，廉價(jià)但很實(shí)用。
[0014] 2、本發(fā)明中的高精度微型邁克爾遜干涉儀采用波長補(bǔ)償系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)修正半導(dǎo) 體激光器的波長值，使價(jià)格低廉的半導(dǎo)體激光器也可以獲得很高的波長穩(wěn)定性。
[0015] 3、本發(fā)明的高精度微型邁克爾遜干涉儀具有高分辨力、高精度及很好的波長穩(wěn)定 性，目前可以達(dá)到的技術(shù)效果是：微型邁克爾遜激光干涉儀分辨力：小于1納米；重復(fù)性： 小于20納米；波長穩(wěn)定性：10-6。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明光路結(jié)構(gòu)圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明系統(tǒng)整體裝配圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 參見圖1所示，微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，包括微型邁克爾遜干涉儀部分、波長補(bǔ) 償部分、自動(dòng)恒功率部分，其中：
[0019] 所述微型邁克爾遜干涉儀用于感測測量反射鏡20的位移和二維角度，通過感測 位移引起0-90-180-270度不同相位的干涉信號(hào)的光強(qiáng)變化，測得測量反射鏡20的位移值， 包括半導(dǎo)體激光器1，半導(dǎo)體激光器1前方激光出射光路上設(shè)置有第一分光鏡2,第一分光 鏡2左側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第一 1/4波片3,第一分光鏡2前側(cè)鏡面處緊設(shè)置有第二1/4波 片4,第一分光鏡2右側(cè)設(shè)置有第二分光鏡6,且第一、第二分光鏡2、6之間設(shè)置有第三1/4 波片5,第二分光鏡6右側(cè)緊貼設(shè)置有第三分光鏡7,第二分光鏡6后側(cè)緊貼設(shè)置有第四分 光鏡8,第三分光鏡7的前側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第一光電感測器9,第三分光鏡7的右側(cè)鏡 面處緊貼設(shè)置有第二光電感測器10,第四分光鏡8的右側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第三光電感測 器11，第四分光鏡8的后側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第四光電感測器12,第一分光鏡2左側(cè)間隔 一定距離設(shè)置有第五分光鏡13,第五分光鏡13正后方設(shè)置有參考反射鏡14,第一分光鏡2 前方設(shè)置有測量反射鏡20 ;半導(dǎo)體激光器1發(fā)射出的準(zhǔn)直光經(jīng)過第一分光鏡2后分成被第 一分光鏡2反射和透射的兩路準(zhǔn)直光，其中一路由第一分光鏡2反射的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第 一 1/4波片3、部分被第五分光鏡13反射后入射至參考反射鏡14,經(jīng)過參考反射鏡14反射 后再被第五分光鏡13反射并沿原路返回至第一分光鏡2,另一路由第一分光鏡2透射的準(zhǔn) 直光經(jīng)過第二1/4波片4后入射至測量反射鏡20,經(jīng)過測量反射鏡20反射后沿原路返回 至第一分光鏡2,參考反射鏡14返回的光束經(jīng)過第一分光鏡2透射后、測量反射鏡20返回 的光束經(jīng)過第一分光鏡2反射后再分別經(jīng)過第三1/4波片5并入射至第二分光鏡6,部分 返回光束被第二分光鏡6透射至第三分光鏡7,經(jīng)第三分光鏡7反射、透射后分別入射至第 一光電感測器9、第二光電感測器10,其余部分返回光束被第二分光鏡6反射至第四分光鏡 8,經(jīng)第四分光鏡8反射、透射后分別入射至第三光電感測器11、第四光電感測器12 ;
[0020] 波長補(bǔ)償部分用于感測由于波長變化導(dǎo)致的激光束通過透射光柵15后的一級(jí)衍 射光角度變化，波長引起的微小角度變化會(huì)使聚焦在第一四象限光電探測器19上的光點(diǎn) 發(fā)生相應(yīng)的變化，從而通過感測到的角度變化反推出波長的變化，包括間隔一定距離設(shè)置 在第五分光鏡13左側(cè)的透射式光柵15,透射式光柵15左前方設(shè)置有轉(zhuǎn)折光路反射鏡17， 轉(zhuǎn)折光路反射鏡17前方依次設(shè)置有聚焦透鏡18、四象限光電探測器19 ;半導(dǎo)體激光器1出 射的由第一分光鏡反射2的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一 1/4波片3、部分透射過第五分光鏡13后 入射至透射式光柵15,經(jīng)過透射式光柵15形成的一級(jí)衍射光經(jīng)過轉(zhuǎn)折光路反射鏡17轉(zhuǎn)折 反射后，再經(jīng)過聚焦透鏡18入射至四象限光電探測器19 ;
[0021] 自動(dòng)恒功率部分用于感測半導(dǎo)體激光器1光強(qiáng)的變化，當(dāng)激光器光強(qiáng)變化時(shí)，第 五光電探測器的輸出電流也會(huì)相應(yīng)變化，從而通過自動(dòng)恒功率電路對半導(dǎo)體激光器1進(jìn)行 調(diào)節(jié)，包括間隔一定距離設(shè)置在透射式光柵15左側(cè)的第五光電探測器16,經(jīng)過透射式光柵 15形成的零級(jí)光柵入射至第五光電探測器16。
[0022] 具體實(shí)施中，設(shè)置可以進(jìn)行左右偏擺角和前后俯仰角調(diào)節(jié)的第一參考反射鏡微調(diào) 座21和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座22,所述參考反射鏡14、轉(zhuǎn)折光路反射鏡17分別固定設(shè)置 在第一參考反射鏡微調(diào)座21和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座22上，調(diào)節(jié)所述第一參考反射鏡微 調(diào)座21，以使參考反射鏡14的反射光束和測量反射鏡20的反射光束分別在第一光電感測 器9,第二光電感測器10、第三光電感測器11和第四光電感測器12上重合，形成干涉，并記 錄測量反射鏡（20)的位移值；調(diào)節(jié)所述第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座22使經(jīng)過第五分光鏡13分 出的部分光通過投射光柵15、轉(zhuǎn)折光路反射鏡17及聚焦透鏡18照射在四象限光電探測器 19上，以使光點(diǎn)可以落在第一四象限光電探測器（19)的中心位置。
[0023] 如圖2所示。各光學(xué)器件的裝夾固定設(shè)置為：半導(dǎo)體激光器1、透射光柵15及第五 光電探測器16由固定底座固定，第一分光鏡2、第一 1/4波片3、第二1/4波片4、第三1/4 波片5、第二分光鏡6、第三分光鏡7和第四分光鏡8由夾具所夾持，第五分光鏡13由C型 固定座固定，聚焦透鏡18、四象限光電探測器19由U型固定座固定，參考反射鏡14、轉(zhuǎn)折光 路反射鏡17分別由第一參考反射鏡微調(diào)座21和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座22固定并進(jìn)行調(diào) 節(jié)。
[0024] 本發(fā)明中的高精度微型邁克爾遜干涉儀，突破了常規(guī)的激光干涉儀體積龐大、價(jià) 格昂貴及無法實(shí)現(xiàn)位移角度同時(shí)測量的限制，測量精度較高，重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)差均小于20nm; 采用廉價(jià)但體積微小的半導(dǎo)體激光器作為光源，經(jīng)過自動(dòng)恒功率調(diào)節(jié)電路和波長補(bǔ)償系統(tǒng) 后可以使波長的穩(wěn)定性達(dá)到10-6,，使位移測量值更加精確可信。以下使實(shí)驗(yàn)獲得相關(guān)的實(shí) 驗(yàn)數(shù)據(jù)：
[0025] 1、自動(dòng)恒功率電路控制實(shí)驗(yàn)：
[0026] 此實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)自動(dòng)恒功率電路在環(huán)境溫度變化較大時(shí)對波長穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)。 方法是：搭建一維微動(dòng)平臺(tái)，將多自由度測量系統(tǒng)和商用SI0S激光干涉儀分別放置在微 動(dòng)平臺(tái)兩側(cè)，分別對多自由度測量系統(tǒng)、商用SI0S激光干涉儀的光軸與微動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn) 行準(zhǔn)直，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，兩側(cè)同時(shí)讀取位移值，先假定多自由度測量系統(tǒng)波長 值，通過不斷的位移比對后即可得到即時(shí)準(zhǔn)確的波長值，然后變化環(huán)境溫度，在不同溫度值 下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同溫度下的波長值。通過處理后得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示：
[0027] 表1自動(dòng)恒功率電路控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
[0028]

【權(quán)利要求】
1. 微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，其特征在于：包括微型邁克爾遜干涉儀部分、波長補(bǔ)償 部分、自動(dòng)恒功率部分，其中： 所述微型邁克爾遜干涉儀包括半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器前方激光出射光路上設(shè)置 有第一分光鏡，第一分光鏡左側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第一 1/4波片，第一分光鏡前側(cè)鏡面處 緊設(shè)置有第二1/4波片，第一分光鏡右側(cè)設(shè)置有第二分光鏡，且第一、第二分光鏡之間設(shè)置 有第三1/4波片，第二分光鏡右側(cè)緊貼設(shè)置有第三分光鏡，第二分光鏡后側(cè)緊貼設(shè)置有第 四分光鏡，所述第三分光鏡的前側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第一光電感測器，第三分光鏡的右側(cè) 鏡面處緊貼設(shè)置有第二光電感測器，所述第四分光鏡的右側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第三光電感 測器，第四分光鏡的后側(cè)鏡面處緊貼設(shè)置有第四光電感測器，所述第一分光鏡左側(cè)間隔一 定距離設(shè)置有第五分光鏡，第五分光鏡正后方設(shè)置有參考反射鏡，第一分光鏡前方設(shè)置有 測量反射鏡；半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的準(zhǔn)直光經(jīng)過第一分光鏡后分成被第一分光鏡反射和透 射的兩路準(zhǔn)直光，其中一路由第一分光鏡反射的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一 1/4波片、部分被第 五分光鏡反射后入射至參考反射鏡，經(jīng)過參考反射鏡反射后再被第五分光鏡反射并沿原路 返回至第一分光鏡，另一路由第一分光鏡透射的準(zhǔn)直光經(jīng)過第二1/4波片后入射至測量反 射鏡，經(jīng)過測量反射鏡反射后沿原路返回至第一分光鏡，參考反射鏡返回的光束經(jīng)過第一 分光鏡透射后、測量反射鏡返回的光束經(jīng)過第一分光鏡反射后再分別經(jīng)過第三1/4波片并 入射至第二分光鏡，部分返回光束被第二分光鏡透射至第三分光鏡，經(jīng)第三分光鏡反射、透 射后分別入射至第一光電感測器、第二光電感測器，其余部分返回光束被第二分光鏡反射 至第四分光鏡，經(jīng)第四分光鏡反射、透射后分別入射至第三光電感測器、第四光電感測器； 所述波長補(bǔ)償部分包括間隔一定距離設(shè)置在第五分光鏡左側(cè)的透射式光柵，透射式光 柵左前方設(shè)置有轉(zhuǎn)折光路反射鏡，轉(zhuǎn)折光路反射鏡前方依次設(shè)置有聚焦透鏡、四象限光電 探測器；半導(dǎo)體激光器出射的由第一分光鏡反射的準(zhǔn)直光依次經(jīng)過第一 1/4波片、部分透 射過第五分光鏡后入射至透射式光柵，經(jīng)過透射式光柵形成的一級(jí)衍射光經(jīng)過轉(zhuǎn)折光路反 射鏡轉(zhuǎn)折反射后，再經(jīng)過聚焦透鏡入射至四象限光電探測器； 所述自動(dòng)恒功率部分包括間隔一定距離設(shè)置在透射式光柵左側(cè)的第五光電探測器，經(jīng) 過透射式光柵形成的零級(jí)光柵入射至第五光電探測器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，其特征在于：設(shè)置可以進(jìn)行左右 偏擺角和前后俯仰角調(diào)節(jié)的第一參考反射鏡微調(diào)座和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座，所述參考反 射鏡、轉(zhuǎn)折光路反射鏡分別固定設(shè)置在第一參考反射鏡微調(diào)座和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座 上，調(diào)節(jié)所述第一參考反射鏡微調(diào)座，以使參考反射鏡的反射光束和測量反射鏡的反射光 束分別在第一光電感測器，第二光電感測器、第三光電感測器和第四光電感測器上重合；調(diào) 節(jié)所述第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座使經(jīng)過第五分光鏡分出的部分光通過投射光柵、轉(zhuǎn)折光路反 射鏡及聚焦透鏡照射在四象限光電探測器上。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型邁克爾遜干涉儀系統(tǒng)，其特征在于：各光學(xué)器件的裝夾 固定設(shè)置為：半導(dǎo)體激光器、透射光柵及第五光電探測器由固定底座固定，第一分光鏡、第 一 1/4波片、第二1/4波片、第三1/4波片、第二分光鏡、第三分光鏡和第四分光鏡由夾具所 夾持，第五分光鏡由C型固定座固定，聚焦透鏡、四象限光電探測器由U型固定座固定，參考 反射鏡、轉(zhuǎn)折光路反射鏡分別由第一參考反射鏡微調(diào)座和第二轉(zhuǎn)折反射鏡微調(diào)座固定并進(jìn) 行調(diào)節(jié)。
【文檔編號(hào)】G01B9/02GK104266582SQ201410541855
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月14日
【發(fā)明者】范光照, 周浩, 李瑞君 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)