一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種光學(xué)八倍程細(xì)分的超精密激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，位移測(cè)量變得十分重要，而諸如機(jī)床在承載條件下微形變位移的測(cè)量、精密光學(xué)元件輪廓的測(cè)量等，對(duì)位移測(cè)量速度和精度的要求非常高。常見(jiàn)的位移測(cè)量包括機(jī)械式、電子式和幾何光學(xué)式，游標(biāo)卡尺等機(jī)械式位移測(cè)量?jī)x存在測(cè)量精度低、測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重依賴人工的缺點(diǎn)，電感電容式精密位移傳感器測(cè)量范圍小、容易受到環(huán)境電磁場(chǎng)以及自身電子噪聲的干擾，光學(xué)干涉位移測(cè)量由于具有更高的測(cè)試靈敏度和精度，得到了廣泛的應(yīng)用。其中，最常用的光學(xué)干涉位移測(cè)量裝置有邁克爾遜干涉位移傳感器、外差式激光干涉位移傳感器和光柵干涉位移傳感器。
[0003]邁克爾遜干涉位移傳感器是最經(jīng)典的光學(xué)干涉位移測(cè)量方法，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與發(fā)展，技術(shù)成熟可靠，電路細(xì)分之后的分辨率可以達(dá)到lnm。但是其測(cè)量的精度直接與光源波長(zhǎng)的穩(wěn)定性相關(guān)，因此對(duì)光源及光路所處的環(huán)境要求高，另外由于正弦誤差的存在，測(cè)量范圍受到較大的限制。
[0004]外差式激光干涉位移傳感器俗稱雙頻激光干涉儀，具有測(cè)量范圍大、分辨率與精度極高的特點(diǎn)。德國(guó)JENAer公司的ZLM700系列雙拼激光干涉儀的直線測(cè)量范圍達(dá)到40m，測(cè)量分辨率為0.lnm，在真空環(huán)境下測(cè)量精度為±0.08ppm，具備充當(dāng)計(jì)量基準(zhǔn)的能力，可以對(duì)其他測(cè)量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定與校準(zhǔn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、對(duì)使用者要求甚高，因而并不適用于工業(yè)生產(chǎn)中的快速測(cè)量。
[0005]光柵干涉位移傳感器是光柵衍射與激光干涉相結(jié)合的一種技術(shù)，海德漢公司的LIP300系列敞開(kāi)式光柵尺具有70mm的測(cè)量范圍、Inm的分辨率和±0.5 μπι的測(cè)量精度，在超精密機(jī)床、半導(dǎo)體工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是光柵測(cè)量裝置必須時(shí)刻貼近光柵，對(duì)位置有著十分苛刻的要求，不僅安裝不便、調(diào)整困難，其位置的局限性還會(huì)限制工作機(jī)的運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)動(dòng)精度等性能參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)光學(xué)八倍程細(xì)分，大幅提高測(cè)量系統(tǒng)的分辨率，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，且結(jié)構(gòu)上安裝方便、簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適用范圍廣。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、起偏器、第一消偏振分光棱鏡、第一偏振分光棱鏡、第一 1/4波片、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第二 1/4波片、角錐鏡和第三平面反射鏡；
[0008]定義X軸與所述激光器出射的光束方向相同，Y軸垂直于X軸，X軸和Y軸所在的平面為P ;
[0009]工作時(shí)，所述激光器發(fā)出的光束通過(guò)所述起偏器后變?yōu)榕c平面P成45°角的線偏振光；線偏振光經(jīng)過(guò)所述第一消偏振分光棱鏡后，一部分沿X軸透射到達(dá)所述第一偏振分光棱鏡，另一部分沿Y軸反射；
[0010]由所述第一消偏振分光棱鏡到達(dá)所述第一偏振分光棱鏡的光束中，偏振方向垂直于平面P的分量穿過(guò)所述第一偏振分光棱鏡，沿X軸方向經(jīng)過(guò)所述第一 1/4波片到達(dá)所述第一平面反射鏡，被所述第一平面反射鏡反射后再經(jīng)過(guò)所述第一 1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，被所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射后到達(dá)所述第二平面反射鏡，被所述第二平面反射鏡反射后原路返回至所述第一偏振分光棱鏡，經(jīng)所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射，再次經(jīng)過(guò)所述第一 1/4波片到達(dá)所述第一平面反射鏡，被所述第一平面反射鏡反射之后再經(jīng)過(guò)所述第一 1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡中，從所述第一偏振分光棱鏡透射而出，此光束為參考光；
[0011]由所述第一消偏振分光棱鏡到達(dá)所述第一偏振分光棱鏡的光束中，偏振方向平行于平面P的分量被所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射，沿Y軸方向經(jīng)過(guò)所述第二 1/4波片到達(dá)所述角錐鏡，依次被所述角錐鏡和所述第三平面反射鏡反射之后再經(jīng)過(guò)所述角錐鏡和所述第二 1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，由所述第一偏振分光棱鏡透射到所述第二平面反射鏡，被所述第二平面反射鏡反射后原路返回至所述第一偏振分光棱鏡，從所述第一偏振分光棱鏡透射之后，再次經(jīng)過(guò)所述第二 1/4波片到達(dá)所述角錐鏡，依次由所述角錐鏡和所述第三平面反射鏡反射之后再經(jīng)過(guò)所述角錐鏡和所述第二 1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，被所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射而出，此光束為測(cè)量光。
[0012]優(yōu)選地，上述測(cè)量系統(tǒng)還包括第三1/4波片、第二消偏振分光棱鏡、第二偏振分光棱鏡、第三偏振分光棱鏡、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器；
[0013]工作時(shí)，所述參考光與所述測(cè)量光一同進(jìn)入所述第一消偏振分光棱鏡，被所述第一消偏振分光棱鏡的分光面反射后，經(jīng)過(guò)所述第三1/4波片到達(dá)所述第二消偏振分光棱鏡；到達(dá)所述第二消偏振分光棱鏡的光被分為兩路相干光，這兩路相干光分別經(jīng)過(guò)所述第二偏振分光棱鏡和所述第三偏振分光棱鏡，得到四路等光強(qiáng)、相位依次相差90°的干涉信號(hào)，這四路干涉信號(hào)分別被所述第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器接收。
[0014]總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0015]1、使參考光在參考光路往返兩次，測(cè)量光在測(cè)量光路往返兩次，同時(shí)利用角錐鏡的四倍程特性，使參考光和測(cè)量光八倍于安裝在待測(cè)移動(dòng)件上的角錐鏡的位移的光程差變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光學(xué)八倍程細(xì)分，大幅提高了測(cè)量系統(tǒng)的分辨率。
[0016]2、測(cè)量光與參考光分別通過(guò)1/4波片、消偏振分光棱鏡和偏振分光棱鏡后變成四個(gè)等光強(qiáng)、相位依次相差90°的干涉信號(hào)，如此可以將兩相位相反的干涉信號(hào)差分，從而得到去除直流分量之后的正余弦信號(hào)，獲得穩(wěn)定可靠的電信號(hào)，測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。
[0017]3、采用角錐鏡與待測(cè)移動(dòng)件直接相連，對(duì)角錐鏡的安裝條件比較寬松，角錐鏡的安裝與入射光束角度沒(méi)有嚴(yán)格的約束，測(cè)量過(guò)程中角錐鏡的偏轉(zhuǎn)對(duì)測(cè)量結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響，因此結(jié)構(gòu)上安裝方便、簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適用范圍廣。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_激光器，2-起偏器，3-第一消偏振分光棱鏡，4-第一偏振分光棱鏡，5-第二 1/4波片，6-角錐鏡，7-第三平面反射鏡，8-第一 1/4波片，9-第一平面反射鏡，10-第二平面反射鏡，11-第三1/4波片，12-第二消偏振分光棱鏡，13-第二偏振分光棱鏡，14-第三偏振分光棱鏡，15-第一光電探測(cè)器，16-第二光電探測(cè)器，17-第三光電探測(cè)器，18-第四光電探測(cè)器。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021 ] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)包括激光器1、起偏器2、第一消偏振分光棱鏡3、第一偏振分光棱鏡4、第一 1/4波片8、第一平面反射鏡9、第二平面反射鏡10、第二 1/4波片5、角錐鏡6、第三平面反射鏡7、第三1/4波片11、第二消偏振分光棱鏡
12、第二偏振分光棱鏡13、第三偏振分光棱鏡14、第一光電探測(cè)器15、第二光電探測(cè)器16、第三光電探測(cè)器17和第四光電探測(cè)器18。
[0022]定義X軸與激光器I出射的光束方向相同，Y軸垂直于X軸，X軸和Y軸所在的平面為P。