本發(fā)明涉及光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

在高精密要求的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和儀器制造等領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)目標(biāo)的直線位移量進(jìn)行納米量級(jí)的高精度測(cè)量。在現(xiàn)有的光學(xué)測(cè)量手段中，具有較高精度的測(cè)量方法包括光柵尺測(cè)量和激光干涉測(cè)量，光柵尺測(cè)量雖具有成本低的優(yōu)勢(shì)，但其測(cè)量精度大致只能達(dá)到微米量級(jí)；與光柵尺測(cè)量相比，激光干涉測(cè)量則具有納米量級(jí)的測(cè)量精度。

然而，原有的激光干涉測(cè)量系統(tǒng)中，由于是采用非偏振分光元件對(duì)激光器輸出光強(qiáng)進(jìn)行分光，導(dǎo)致了約50％的光能量反射回激光器方向，進(jìn)而造成光學(xué)能量利用率的降低；因此可見原有激光干涉測(cè)量系統(tǒng)對(duì)光源的能量利用率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，基于窄帶寬激光干涉測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍位移的高精度測(cè)量，并提高了對(duì)光源能量的利用率。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，包括激光光源、第一偏振分光棱鏡、導(dǎo)光棱鏡組、反射鏡、偏振變換元件、第二偏振分光棱鏡、光電轉(zhuǎn)換器和處理系統(tǒng)；

所述第一偏振分光棱鏡位于所述激光光源的出射光光路上，第一偏振分光棱鏡將光源光分成偏振方向正交并且傳播方向相垂直的兩束光；

經(jīng)所述第一偏振分光棱鏡反射的一束光進(jìn)入所述導(dǎo)光棱鏡組，在所述導(dǎo)光棱鏡組內(nèi)改變偏振狀態(tài)，被引導(dǎo)入射至所述第二偏振分光棱鏡的第一入射面；

經(jīng)所述第一偏振分光棱鏡透射的另一束光，經(jīng)過偏振變換元件改變偏振狀態(tài)后出射至所述反射鏡，反射光原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，被反射并經(jīng)過偏振變換元件改變偏振方向后，入射至所述第二偏振分光棱鏡的第二入射面，所述反射鏡可沿其光路方向移動(dòng)，用于連接被測(cè)物體；

第一束光進(jìn)入所述第二偏振分光棱鏡后形成的出射光，與第二束光進(jìn)入所述第二偏振分光棱鏡后形成的出射光匯合發(fā)生干涉，干涉光由所述光電轉(zhuǎn)換器接收；

所述處理系統(tǒng)用于根據(jù)所述光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息計(jì)算獲得待測(cè)物體的位移量。

可選地，在所述導(dǎo)光棱鏡組中第一束光的傳播光路上設(shè)置有用于改變光偏振狀態(tài)的偏振變換元件；

第一束光經(jīng)偏振變換元件變換為圓偏振光后入射至所述第二偏振分光棱鏡，所述第二偏振分光棱鏡將本束光分成傳播方向垂直的兩束出射光，分別與第二束光被所述第二偏振分光棱鏡分成的傳播方向垂直的兩束出射光匯合發(fā)生干涉；

所述光電轉(zhuǎn)換器包括用于接收第一路干涉光的第一光電轉(zhuǎn)換器和用于接收第二路干涉光的第二光電轉(zhuǎn)換器；

所述處理系統(tǒng)具體用于根據(jù)所述第一光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息以及所述第二光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息確定待測(cè)物體的位移量和移動(dòng)方向。

可選地，所述導(dǎo)光棱鏡組包括第一直角反射棱鏡、導(dǎo)光棱鏡和第二直角反射棱鏡；

所述第一直角反射棱鏡的直角面均為反射面，經(jīng)所述第一偏振分光棱鏡反射的第一束光由所述第一直角反射棱鏡的斜面入射，以45度角入射到其直角面，并被反射至另一直角面，后被反射進(jìn)入所述導(dǎo)光棱鏡；

所述第二直角反射棱鏡的斜面為反射面，經(jīng)所述導(dǎo)光棱鏡出射的光由所述第二直角反射棱鏡的直角面入射，以45度角入射到其斜面，后被反射至所述第二偏振分光棱鏡的第一入射面。

可選地，所述導(dǎo)光棱鏡位于所述第一偏振分光棱鏡朝向所述反射鏡的一側(cè)，在所述導(dǎo)光棱鏡朝向所述反射鏡的一側(cè)設(shè)置用于改變光的偏振狀態(tài)的偏振變換元件。

可選地，在所述第二偏振分光棱鏡的第二入射面與所述第一偏振分光棱鏡之間設(shè)置用于改變光的偏振方向的偏振變換元件。

可選地，在所述第一直角反射棱鏡的斜面與所述導(dǎo)光棱鏡之間設(shè)置用于改變光的偏振狀態(tài)的偏振變換元件。

可選地，在所述第一直角反射棱鏡的斜面與所述導(dǎo)光棱鏡之間設(shè)置的偏振變換元件為四分之一波片、二分之一波片或者八分之一波片；

在所述導(dǎo)光棱鏡朝向所述反射鏡的一側(cè)表面設(shè)置的偏振變換元件為四分之一波片；

在所述第一偏振分光棱鏡與所述第二偏振分光棱鏡的第二入射面之間設(shè)置的偏振變換元件為二分之一波片。

可選地，所述反射鏡為直角反射棱鏡或者平面鏡。

可選地，各光學(xué)元件之間以面貼合方式連接，

可選地，各光學(xué)元件的相應(yīng)面之間通過光學(xué)膠貼合或者通過機(jī)械結(jié)構(gòu)固定連接。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明所提供的位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，包括激光光源、第一偏振分光棱鏡、導(dǎo)光棱鏡組、反射鏡、偏振變換元件、第二偏振分光棱鏡、光電轉(zhuǎn)換器和處理系統(tǒng)。

激光光源發(fā)出的光照射到第一偏振分光棱鏡，分成偏振方向正交并且傳播方向垂直的兩束光；經(jīng)第一偏振分光棱鏡反射的第一束光作為參考光，進(jìn)入導(dǎo)光棱鏡組改變偏振狀態(tài)后，被引導(dǎo)入射至第二偏振分光棱鏡的第一入射面；經(jīng)第一偏振分光棱鏡透射的第二束光出射至與被測(cè)物體連接的反射鏡，反射光原路返回到第一偏振分光棱鏡，在第一偏振分光棱鏡與反射鏡之間光路上設(shè)置的偏振變換元件改變傳播光的偏振方向，使由反射鏡返回的光返回到第一偏振分光棱鏡被反射出，反射光經(jīng)改變偏振方向后入射至第二偏振分光棱鏡的第二入射面；第一束光進(jìn)入第二偏振分光棱鏡后形成的出射光，與第二束光進(jìn)入第二偏振分光棱鏡后形成的出射光匯合發(fā)生干涉，干涉光由光電轉(zhuǎn)換器接收，處理系統(tǒng)根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息計(jì)算獲得待測(cè)物體的位移量。

本發(fā)明位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，采用偏振分光元件對(duì)光源輸出光進(jìn)行分光，以偏振光作為參考光和測(cè)量光，基于激光干涉測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位移的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍位移的高精度測(cè)量，并且與現(xiàn)有技術(shù)相比，本光學(xué)系統(tǒng)分光時(shí)對(duì)光源輸出光能量損失小，提高了光源能量利用率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明中的技術(shù)方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，包括激光光源、第一偏振分光棱鏡、導(dǎo)光棱鏡組、反射鏡、偏振變換元件、第二偏振分光棱鏡、光電轉(zhuǎn)換器和處理系統(tǒng)；

所述第一偏振分光棱鏡位于所述激光光源的出射光光路上，第一偏振分光棱鏡將光源光分成偏振方向正交并且傳播方向相垂直的兩束光；

經(jīng)所述第一偏振分光棱鏡反射的一束光進(jìn)入所述導(dǎo)光棱鏡組，在所述導(dǎo)光棱鏡組內(nèi)改變偏振狀態(tài)，被引導(dǎo)入射至所述第二偏振分光棱鏡的第一入射面；

經(jīng)所述第一偏振分光棱鏡透射的另一束光，經(jīng)過偏振變換元件改變偏振狀態(tài)后出射至所述反射鏡，反射光原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，被反射并經(jīng)過偏振變換元件改變偏振方向后，入射至所述第二偏振分光棱鏡的第二入射面，所述反射鏡可沿其光路方向移動(dòng)，用于連接被測(cè)物體；

第一束光進(jìn)入所述第二偏振分光棱鏡后形成的出射光，與第二束光進(jìn)入所述第二偏振分光棱鏡后形成的出射光匯合發(fā)生干涉，干涉光由所述光電轉(zhuǎn)換器接收；

所述處理系統(tǒng)用于根據(jù)所述光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息計(jì)算獲得待測(cè)物體的位移量。

其中，第一偏振分光棱鏡和第二偏振分光棱鏡是在棱鏡的斜面鍍制多層膜結(jié)構(gòu)，并以斜面膠合形成的立方體棱鏡。第二偏振分光棱鏡的第一入射面和第二入射面分別是第二偏振分光棱鏡的兩個(gè)外表面。

所述導(dǎo)光棱鏡組是指由多個(gè)棱鏡構(gòu)成的光學(xué)組件，用于引導(dǎo)光的傳播。

所述偏振變換元件是指通過改變光的相位差來改變光的偏振方向或者偏振狀態(tài)的光學(xué)元件。

本實(shí)施例位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，第一偏振分光棱鏡將光源輸出光分成偏振方向正交并且傳播方向垂直的兩束光；經(jīng)第一偏振分光棱鏡反射的第一束光作為參考光，進(jìn)入導(dǎo)光棱鏡組改變偏振狀態(tài)后，被引導(dǎo)入射至第二偏振分光棱鏡的第一入射面；經(jīng)第一偏振分光棱鏡透射的第二束光出射至與被測(cè)物體連接的反射鏡，反射光原路返回到第一偏振分光棱鏡，在第一偏振分光棱鏡與反射鏡之間光路上設(shè)置的偏振變換元件改變傳播光的偏振方向，使由反射鏡返回的光返回到第一偏振分光棱鏡被反射出，反射光經(jīng)改變偏振方向后入射至第二偏振分光棱鏡的第二入射面；第一束光進(jìn)入第二偏振分光棱鏡后形成的出射光，與第二束光進(jìn)入第二偏振分光棱鏡后形成的出射光匯合發(fā)生干涉，干涉光由光電轉(zhuǎn)換器接收，處理系統(tǒng)根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息計(jì)算獲得待測(cè)物體的位移量。

本實(shí)施例位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，采用偏振分光元件對(duì)光源輸出光進(jìn)行分光，以偏振光作為參考光和測(cè)量光，基于激光干涉測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位移的測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍位移的高精度測(cè)量，并且與現(xiàn)有技術(shù)相比，本光學(xué)系統(tǒng)分光時(shí)對(duì)光源輸出光能量損失小，提高了光源能量利用率，同時(shí)空間尺寸緊湊。

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)做詳細(xì)說明。

請(qǐng)參考圖1，為本實(shí)施例提供的一種位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。本實(shí)施例位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)包括激光光源1、第一偏振分光棱鏡2、導(dǎo)光棱鏡組3、反射鏡4、偏振變換元件、第二偏振分光棱鏡5、光電轉(zhuǎn)換器和處理系統(tǒng)9。

第一偏振分光棱鏡2位于激光光源1的出射光光路上，第一偏振分光棱鏡2將光源輸出光分成偏振方向正交并且傳播方向垂直的兩束光，分別為P光和S光。

經(jīng)第一偏振分光棱鏡2反射的一束光即P光進(jìn)入導(dǎo)光棱鏡組3，經(jīng)導(dǎo)光棱鏡組3引導(dǎo)入射至第二偏振分光棱鏡5的第一入射面，作為參考光。

本實(shí)施例中具體的，可參考圖1，所述導(dǎo)光棱鏡組3包括第一直角反射棱鏡30、導(dǎo)光棱鏡31和第二直角反射棱鏡32。

其中，第一直角反射棱鏡30的直角面均為反射面，經(jīng)第一偏振分光棱鏡2反射的第一束光由所述第一直角反射棱鏡30的斜面入射，以45度角入射到其直角面，并被反射至另一直角面，后被反射進(jìn)入所述導(dǎo)光棱鏡31；第二直角反射棱鏡32的斜面為反射面，經(jīng)所述導(dǎo)光棱鏡31出射的光由所述第二直角反射棱鏡32的直角面入射，以45度角入射到其斜面，后被反射至所述第二偏振分光棱鏡5的第一入射面。

在所述導(dǎo)光棱鏡組3中第一束光的傳播光路上設(shè)置有用于改變光偏振狀態(tài)的偏振變換元件60；第一束光經(jīng)偏振變換元件60變換為圓偏振光后，被引導(dǎo)入射至所述第二偏振分光棱鏡5。第二偏振分光棱鏡5將本束光分成傳播方向垂直的兩束出射光，形成反射出的一路出射光和透射出的一路出射光，作為參考光。

偏振變換元件60可設(shè)置在第一直角反射棱鏡30的斜面與所述導(dǎo)光棱鏡31之間，其中，偏振變換元件60可以是四分之一波片、二分之一波片或者八分之一波片。

經(jīng)第一偏振分光棱鏡2透射的第二束光S光，出射至反射鏡4，所述反射鏡4可移動(dòng)，用于與被測(cè)物體連接。所述反射鏡4可采用直角反射棱鏡或平面鏡。

具體本實(shí)施例中，導(dǎo)光棱鏡組3中的導(dǎo)光棱鏡31位于第一偏振分光棱鏡2朝向所述反射鏡4的一側(cè)，在所述導(dǎo)光棱鏡31朝向所述反射鏡4的一側(cè)設(shè)置用于改變光的偏振狀態(tài)的偏振變換元件61。

經(jīng)第一偏振分光棱鏡2透射的第二束光S光，經(jīng)過導(dǎo)光棱鏡31和偏振變換元61，將傳播的S光變成圓偏振光，出射至反射鏡4。由反射鏡4返回的光再次經(jīng)過偏振變換元件61變成P光，進(jìn)入導(dǎo)光棱鏡31，再次入射至第一偏振分光棱鏡2，并被第一偏振分光棱鏡2反射出，入射至第二偏振分光棱鏡5的第二入射面。

其中，偏振變換元件61可以是四分之一波片。

在所述第二偏振分光棱鏡5的第二入射面與所述第一偏振分光棱鏡2之間設(shè)置用于改變光的偏振方向的偏振變換元件62。偏振變換元件62可以是二分之一波片。由第一偏振分光棱鏡2反射的P光經(jīng)過偏振變換元件62，偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，入射進(jìn)入第二偏振分光棱鏡5。第二偏振分光棱鏡5將該束光分成傳播方向垂直的兩束出射光，形成反射出的一路出射光和透射出的一路出射光，作為測(cè)量光。

作為測(cè)量光的兩束出射光，分別與作為參考光的兩束出射光匯合發(fā)生干涉。進(jìn)一步采用光電轉(zhuǎn)換器接收其中任意一路干涉光，則根據(jù)光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息可以計(jì)算獲得待測(cè)物體的位移量。

因此，本實(shí)施例位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，由偏振分光元件將光源輸出光分成兩束偏振方向正交的偏振光，分別作為參考光和測(cè)量光對(duì)物體位移進(jìn)行測(cè)量，在分光時(shí)對(duì)光源輸出光能量損失小，可提高對(duì)光源能量利用率；并且在光束傳播過程中通過棱鏡元件引導(dǎo)傳播，可降低光在傳播過程中的能量損失，可提高對(duì)光源能量的利用率，同時(shí)系統(tǒng)幾何尺寸緊湊。

在本位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)的一種具體應(yīng)用中，包括用于接收第一路干涉光的第一光電轉(zhuǎn)換器7和用于接收第二路干涉光的第二光電轉(zhuǎn)換器8。

通過第一光電轉(zhuǎn)換器7記錄一路干涉光的干涉條紋和光強(qiáng)信息，通過第二光電轉(zhuǎn)換器8記錄另一路干涉光的干涉條紋和光強(qiáng)信息，所述處理系統(tǒng)9具體用于根據(jù)所述第一光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息，以及所述第二光電轉(zhuǎn)換器記錄的干涉條紋及光強(qiáng)信息確定待測(cè)物體的位移量和移動(dòng)方向。

因此，本實(shí)施例位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，通過偏振分光元件將光源輸出光分成兩束偏振光分別作為參考光和測(cè)量光，不僅實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位移的測(cè)量，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體移動(dòng)方向的測(cè)量。

進(jìn)一步的，在上述各實(shí)施例中，本光學(xué)系統(tǒng)中可以是各光學(xué)元件之間以面貼合方式連接，使本光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小。各光學(xué)元件的相應(yīng)面之間可以通過光學(xué)膠貼合?；蛘咭部梢酝ㄟ^機(jī)械結(jié)構(gòu)固定連接，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)件固定空間位置。

或者，本光學(xué)系統(tǒng)也能夠以各光學(xué)元件之間具有一定空間間隔分布式排布。各光學(xué)元件可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)固定連接，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)件固定空間位置。

進(jìn)一步的，在上述各實(shí)施例中，可以在光電轉(zhuǎn)換器接收光的一側(cè)設(shè)置可收光的光學(xué)元件，以提高對(duì)干涉光的接收率，提高干涉圖像的對(duì)比度。

因此，本發(fā)明位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，通過偏振分光元件將光源輸出光分成兩束偏振光分別作為參考光和測(cè)量光，對(duì)物體位移進(jìn)行測(cè)量，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍位移的高精度測(cè)量，測(cè)量精度可達(dá)到納米級(jí)和亞納米級(jí)；并且，本光學(xué)系統(tǒng)分光時(shí)對(duì)光源輸出光能量損失小，且在光束傳播過程中通過棱鏡元件引導(dǎo)傳播，可降低光在傳播過程中的能量損失，從而可提高光源能量利用率，進(jìn)而可以更加充分地利用光電轉(zhuǎn)換器件的動(dòng)態(tài)范圍，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物體位移探測(cè)精度的提升。

以上對(duì)本發(fā)明所提供的一種位移測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對(duì)本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。