基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法與裝置制造方法
【專利摘要】基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法與裝置屬于激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】；發(fā)明方法采用了兩束具有不同頻率的空間分離平行光，兩平行光束在非偏振分光棱鏡上的入射點(diǎn)位于入射面的對(duì)角線上，并關(guān)于入射面的中心點(diǎn)對(duì)稱，并采用直角棱鏡作為參考棱鏡和測(cè)量棱鏡；該方法最終產(chǎn)生了兩個(gè)具有相反多普勒頻移的干涉測(cè)量信號(hào)來(lái)進(jìn)行干涉測(cè)量；本發(fā)明方法及裝置消除了干涉儀中的頻率混疊現(xiàn)象，提高了外差干涉測(cè)量的測(cè)量精度，同時(shí)將外差干涉測(cè)量的分辨率提高了一倍。
【專利說(shuō)明】基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，主要涉及一種基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法與裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光外差干涉測(cè)量因其具有抗干擾能力強(qiáng)、測(cè)量范圍大、信噪比高和易于實(shí)現(xiàn)高精度等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于超精密加工、光刻機(jī)以及三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等領(lǐng)域。隨著超精密工程的不斷發(fā)展，對(duì)加工精度提出越來(lái)越高的要求；同時(shí)也對(duì)外差干涉測(cè)量的測(cè)量精度和分辨率都提出了新的挑戰(zhàn)。
[0003]在激光外差干涉測(cè)量中，非線性誤差嚴(yán)重限制了測(cè)量精度和分辨率的進(jìn)一步提高，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)激光外差干涉非線性誤差進(jìn)行了大量的研究。非線性誤差源于干涉光路中的光學(xué)混疊，傳統(tǒng)的干涉測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法避免干涉測(cè)量中的光學(xué)混疊，限制了其測(cè)量精度和分辨率的提高。
[0004]T.L.Schmitz 和 J.F.Beckwith 提出 了一種干涉儀改造的方法(Ascousto-opticdisplacement—measureing interferometer:a new heterodyne interferometer withAnstromlevel periodic error.Journal of Modern 0ptics49,pages2105_2114)。相較于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，該方法將聲光移頻器作為分光鏡，將測(cè)量光束和參考光束進(jìn)行分離。該方法可以減小參考光和測(cè)量光的頻率混疊，有利于減小測(cè)量的非線性誤差，從而提高測(cè)量精度和分辨率。但是，該裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜且特殊，無(wú)法廣泛應(yīng)用于超精密加工與測(cè)量中。
[0005]K1-Nam Joo等研制了一種新型激光干涉測(cè)量結(jié)構(gòu)(Simple heterodyne laserinterferometer with subnanometer periodic errors.0ptics Letters/Vol.34, N0.3/Februaryl,2009)。該結(jié)構(gòu)是參考光束與測(cè)量光束在空間上分離，消除了干涉測(cè)量中的頻率混疊，完全消除非線性誤差，從而提高測(cè)量精度以及測(cè)量分辨率。此外，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，相較于前一種測(cè)量方法，更有利于在超精密測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用。但是該方法光學(xué)結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，易受環(huán)境溫度的影響。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有激光外差干涉測(cè)量方法均無(wú)法滿足超精密加工測(cè)量對(duì)干涉儀的高精度和分辨率的要求，嚴(yán)重限制了超精密加工測(cè)量領(lǐng)域的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述的不足，提出了一種基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法與裝置，達(dá)到提高激光外差干涉的測(cè)量精度和測(cè)量分辨率的目的。
[0008]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0009]基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法，該方法是:
[0010](I)頻率分別為f\、f2且空間分離的兩束平行光束入射到非偏振分光棱鏡；
[0011](2)所述兩束平行光入射到非偏振分光棱鏡上的入射點(diǎn)位于入射面的對(duì)角位置；
[0012](3)頻率為的光束被非偏振分光棱鏡分為參考光束和測(cè)量光束兩部分，同時(shí)頻率為f2的光束也被非偏振分光棱鏡分為參考光束和測(cè)量光束兩部分；
[0013](4)頻率分別為f\、f2的兩束參考光束入射到參考直角棱鏡，并被反射回非偏振分光棱鏡；同時(shí)頻率分別為f\、f2的兩束測(cè)量光束入射到目標(biāo)端直角棱鏡，并被反射回非偏振分光棱鏡；
[0014](5)調(diào)節(jié)參考直角棱鏡和目標(biāo)端直角棱鏡，使頻率為的參考光束與頻率為f2的測(cè)量光束重合并產(chǎn)生干涉信號(hào)Iml ;使頻率為f2的參考光束與頻率為的測(cè)量光束重合并產(chǎn)生干涉信號(hào)Im2 ;根據(jù)兩干涉信號(hào)Iml、Iffl2計(jì)算出目標(biāo)端直角棱鏡的位移量。
[0015]基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量裝置，包括非偏振分光棱鏡、參考直角棱鏡、光電探測(cè)器A、光電探測(cè)器B,所述參考直角棱鏡位于非偏振分光棱鏡反射光輸出端；所述非偏振分光棱鏡輸出兩路干涉測(cè)量光束，在其中一路干涉測(cè)量光束光路上配置光電探測(cè)器A，在另一路干涉測(cè)量光束光路上配置光電探測(cè)器B ;該裝置還包括目標(biāo)端直角棱鏡，所述目標(biāo)端直角棱鏡位于非偏振分光棱鏡的透射光輸出端。
[0016]本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及有益效果:
[0017](I)本發(fā)明中，參考光束與測(cè)量光束在空間上是分離的，在到達(dá)探測(cè)器之前沒(méi)出現(xiàn)過(guò)重疊，消除了干涉儀的非線性誤差產(chǎn)生的根源。
[0018](2)傳統(tǒng)干涉儀中采用偏振分光棱鏡進(jìn)行光束分離，干涉鏡組調(diào)節(jié)難度及加工成本高；本發(fā)明中改用普通非偏振分光棱鏡代替偏振分光棱鏡，因其對(duì)激光光源的偏振態(tài)變化不敏感，從而大大降低了干涉鏡組的調(diào)節(jié)難度，同時(shí)，使用非偏振分光棱鏡能夠降低干涉儀成本。
[0019](3)本發(fā)明中，干涉儀產(chǎn)生的兩個(gè)測(cè)量信號(hào)具有大小相同、符號(hào)相反的多普勒頻移，通過(guò)對(duì)兩測(cè)量信號(hào)進(jìn)行差值處理可將干涉儀的分辨率提高一倍。
[0020](4)本發(fā)明中，激光干涉儀的結(jié)構(gòu)在參考光路和測(cè)量光路上完全對(duì)稱，消除環(huán)境溫度變化引入的溫度漂移，提高了激光干涉儀的測(cè)量精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)立體示意圖
[0022]圖2是基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖
[0023]圖3是圖2的左視圖
[0024]圖中件號(hào)說(shuō)明:1非偏振分光棱鏡、2參考直角棱鏡、3目標(biāo)端直角棱鏡、4光電探測(cè)器A、5光電探測(cè)器B、6頻率為的入射光束、7頻率為f2的入射光束。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0026]一種基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量裝置，該裝置包括非偏振分光棱鏡1、參考直角棱鏡2、光電探測(cè)器A4、光電探測(cè)器B5,所述參考直角棱鏡2位于非偏振分光棱鏡I反射光輸出端；所述非偏振分光棱鏡I輸出兩路干涉測(cè)量光束，在其中一路干涉測(cè)量光束光路上配置光電探測(cè)器A4，在另一路干涉測(cè)量光束光路上配置光電探測(cè)器B5;該裝置還包括目標(biāo)端直角棱鏡3,所述目標(biāo)端直角棱鏡3位于非偏振分光棱鏡I的透射光輸出端。[0027]—種基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法，該方法是:
[0028](I)頻率分別為f\、f2且空間分離的兩束平行光束入射到非偏振分光棱鏡；
[0029](2)所述兩束平行光入射到非偏振分光棱鏡上的入射點(diǎn)位于入射面的對(duì)角位置，如圖3所示；
[0030](3)頻率為的光束被非偏振分光棱鏡分為參考光束和測(cè)量光束兩部分，同時(shí)頻率為f2的光束也被非偏振分光棱鏡分為參考光束和測(cè)量光束兩部分；
[0031](4)頻率分別為f\、f2的兩束參考光束入射到參考直角棱鏡，并被反射回非偏振分光棱鏡；同時(shí)頻率分別為f\、f2的兩束測(cè)量光束入射到目標(biāo)端直角棱鏡，并被反射回非偏振分光棱鏡；
[0032](5)調(diào)節(jié)參考直角棱鏡和目標(biāo)端直角棱鏡，使頻率為的參考光束與頻率為f2的測(cè)量光束重合并產(chǎn)生干涉信號(hào)Iml ;使頻率為f2的參考光束與頻率為的測(cè)量光束重合并產(chǎn)生干涉信號(hào)Im2 ;根據(jù)兩干涉信號(hào)Iml、Iffl2計(jì)算出目標(biāo)端直角棱鏡的位移量。
【權(quán)利要求】
1.一種基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量方法，該方法是: (1)頻率分別為f\、f2且空間分離的兩束平行光束入射到非偏振分光棱鏡； 其特征在于: (2)所述兩束平行光入射到非偏振分光棱鏡上的入射點(diǎn)位于入射面的對(duì)角位置； (3)頻率為的光束被非偏振分光棱鏡分為參考光束和測(cè)量光束兩部分，同時(shí)頻率為f2的光束也被非偏振分光棱鏡分為參考光束和測(cè)量光束兩部分； (4)頻率分別為f\、f2的兩束參考光束入射到參考直角棱鏡，并被反射回非偏振分光棱鏡；同時(shí)頻率分別為f\、f2的兩束測(cè)量光束入射到目標(biāo)端直角棱鏡，并被反射回非偏振分光棱鏡； (5)調(diào)節(jié)參考直角棱鏡和目標(biāo)端直角棱鏡，使頻率為的參考光束與頻率為f2的測(cè)量光束重合并產(chǎn)生干涉信號(hào)Iml ;使頻率為f2的參考光束與頻率為的測(cè)量光束重合并產(chǎn)生干涉信號(hào)Im2 ;根據(jù)兩干涉信號(hào)Iml、Iffl2計(jì)算出目標(biāo)端直角棱鏡的位移量。
2.一種基于直角棱鏡的對(duì)角入射光激光外差干涉測(cè)量裝置，該裝置包括非偏振分光棱鏡(I)、參考直角棱鏡(2)、光電探測(cè)器A (4)、光電探測(cè)器B (5),所述參考直角棱鏡(2)位于非偏振分光棱鏡(I)反射光輸出端；所述非偏振分光棱鏡(I)輸出兩路干涉測(cè)量光束，在其中一路干涉測(cè)量光束光路上配置光電探測(cè)器A (4)，在另一路干涉測(cè)量光束光路上配置光電探測(cè)器B(5);其特征在于該裝置還包括目標(biāo)端直角棱鏡(3)，所述目標(biāo)端直角棱鏡(3)位于非偏振分光棱鏡(I)的透射光輸出端。
【文檔編號(hào)】G01B9/02GK103743336SQ201310745960
【公開(kāi)日】2014年4月23日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】胡鵬程, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)