專利名稱：一種用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光精密測量技術，特別是一種用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)。
(二)
背景技術：
差分平面反射鏡干涉儀是80年代中期研制的一種新型激光干涉儀，其主要特點是光學分辨率高且能使光程死區(qū)達到最小，具有較高的穩(wěn)定性和測量精度，可完成各項參數(shù)的標準測量，如線性位置精度、重復定位精度、角度、直線度、垂直度、平行度等，所以適應于各種幾何量精密計量的測量和基準的建立，包括軍工、航天等精密基準計量，可以用來校準各種數(shù)控機床和三坐標測量機，并且可以用以控制光柵刻劃工作臺、高性能精密數(shù)控機床的定位及其它定位裝置，例如納米測量定位工作臺和掃描探針顯微鏡等。傳統(tǒng)的差分平面反射鏡干涉儀的缺點是結構比較復雜，由于輔助光學元件較多，因此使得測量光束須經(jīng)過多次反射，光束能量的減弱和偏振態(tài)的泄漏使得測量信號#噪比低，同時也影響了測量的精度。
(三)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種結構簡單、測量精度高、成本低且便于生產(chǎn)的用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術方案
一種用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，其特征在于由激光源、五面偏振分光棱鏡、四分之一波片b、四分之一波片C、角隅棱鏡、參考鏡、測量鏡、起偏器、光電檢測器和相位計構成；所述激光源一方面對五面偏振分光棱鏡產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的入射光束，該光束含有兩個頻率不同且線偏振方向互相正交的分量，同時也對相位計給出 一個穩(wěn)定的正弦電參考信號，該參考信號的頻率等于激
光源兩個分量的頻率差；五面偏振分光棱鏡由兩塊直角棱鏡粘合而
成，在膠合面鍍有一層偏振分光膜，光的入射面和出射面鍍有增透膜，膠合面等效于偏振分光鏡故稱為偏振分光面，與偏振分光面對稱的棱
鏡面a和棱鏡面b鍍有抗反射膜，其作用是通過偏振分光面把偏振方向相互正交的從棱鏡面a入射的兩束光束分開并經(jīng)棱鏡面a和棱鏡面b的反射后從棱鏡面c出射，最后又將反射回棱鏡面c的光束通過偏振分光面合成一道從棱鏡面a出射；四分之一波片b和四分之一波片c分別位于棱鏡面b和棱鏡面c的兩側且與其平行，其作用是將通過四分之一波片的線偏振光轉(zhuǎn)化成圓偏振光或者將通過四分之一波片的圓偏振光轉(zhuǎn)化成線偏振光；角隅棱鏡設置在四分之一波片b的后面且其軸線與棱鏡面b垂直，角隅棱鏡將從棱鏡面b出射并經(jīng)四分之一波片b后入射的光束反射回去，而且入射光束與反射光束相互平行且不在一個高度上；參考鏡和測量鏡依次設置在四分之一波片c的后面且均與棱鏡面c平行，其作用是分別反射來自四分之一波片c的光束，參考鏡固定設置，測量鏡與工作臺相連且隨被測件作直線位移并引起參考光路和測量光路之間光程差的變化；起偏器與棱鏡面a平行設置，其作用是混合從棱鏡面a出射光束中的兩正交分量；光電檢測器接收來自起偏器的光束并產(chǎn)生正弦電測量信號輸入相位計；相位計用來測量上述正弦電測量信號和前述正弦電參考信號之間的相位差，該相位差與測量鏡直線位移引起的光程差變化成正比。
所述激光源為雙頻激光或單頻偏振激光。
所述角隅棱鏡、四分之一波片b和棱鏡面b的中心位于同一軸線上。
所述棱鏡面c、四分之一波片c、參考鏡和測量鏡的中心位于同一軸線上。
所述參考鏡上設有兩個孔使從四分之一波片c出射到測量鏡以及從測量鏡反射回四分之一波片c的測量光穿過該孔。
本發(fā)明的工作原理
進出五面偏振分光棱鏡偏振分光面的入射光束和出射光束，都有兩個偏振方向正交的頻率分量，每個頻率的分量在五面偏振分光棱鏡中都經(jīng)過了相同的光程(空氣和玻璃)，但往返測量鏡和參考鏡的光路不一定相同，它們之間的光程差nl會隨測量鏡的位移產(chǎn)生變化(n是測量光路和參考光路的介質(zhì)折射率，假如測量光路和參考光路的介質(zhì)折射率不相同時，則取兩介質(zhì)折射率差；l是測量光路和參考光路的幾何距離差)。光程差nl的變化，致使經(jīng)過整個系統(tǒng)最后從五面偏振分光棱鏡出射的光束中的兩個頻率分量之間產(chǎn)生相位差的變化。測量信號和參考信號之間的相位變化通過相位計測得，其直接正比于測
量光路和參考光路之間的光程差nl的變化。如果n保持不變，則相 位差的變化直接正比于測量鏡直線移動的距離L。可以看出該光路的 特性是對外來干擾非常不敏感，因為其他光學元件的變化，如機械或 溫度引起的誤差，都共同作用于兩個頻率分量，因此對所測的相位變 化沒有影響。
本發(fā)明的優(yōu)點是該儀器所需光學器件少，結構簡單，便于生產(chǎn) 和加工，因此成本較低；由于光路結構對兩個頻率分量對稱，當溫度 或者機械變化對光學元件產(chǎn)生各種影響時，都將同時作用于兩個光頻 率分量，不會引起它們之間相位差的變化，從而降低了產(chǎn)生誤差的可 能性，所以系統(tǒng)穩(wěn)定，完全可以達到高精度的測量指標；特別適用于 幾何量精密測量和計量基準的建立，其中包括軍工、航天等精密基準 計量、各種數(shù)控機床和三坐標測量儀的定位或校準、光柵刻劃工作臺 及各種測量定位工作臺的定位測量等。
(四)


圖1為該激光干涉系統(tǒng)的結構示意圖。
圖2為該激光干涉系統(tǒng)的光路平面展開示意圖。
圖中1.激光源 2.五面偏振分光棱鏡 3.偏振分光面
4.棱鏡面a 5.棱鏡面b 6.棱鏡面c 7.四分之一波片b 8.角隅棱鏡 9.四分之一波片c IO.參考鏡 ll.測量鏡 12.起偏器 13.光電檢測器 14.相位計
圖中其余編號均為光束。
(五)
具體實施例方式
實施例
一種用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，如圖1 所示，由激光源1、五面偏振分光棱鏡2、四分之一波片b 7、四分 之一波片c 9、角隅棱鏡8、參考鏡10、測量鏡11、偏振器12、光 電檢測器13和相位計14構成；所述激光源1采用雙頻激光，激光源 1一方面對五面偏振分光棱鏡2產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的入射光束，該光束含 有兩個頻率不同且線偏振方向互相正交的分量，同時也對相位計14 給出一個穩(wěn)定的正弦電參考信號，該參考信號的頻率等于激光源1兩
6個分量的頻率差；五面偏振分光棱鏡2由兩塊直角棱鏡粘合而成，在 膠合面鍍有一層偏振分光膜，光的入射面和出射面即棱鏡面a 4和棱 鏡面c 6均鍍有增透膜，膠合面等效于偏振分光鏡故稱為偏振分光面 3，相對偏振分光面3對稱的棱鏡面a 4和棱鏡面b 5鍍有抗反射膜， 其作用是通過偏振分光面3把偏振方向相互正交的從棱鏡面a 4入射 的兩束光束分開并經(jīng)棱鏡面a 4和棱鏡面b 5的反射后從棱鏡面c 6 經(jīng)四分之一波片c 9出射到參考鏡10與測量鏡11，參考鏡10上設 有兩個小孔，使得測量光可以穿過參考鏡10，到達測量鏡ll，然后 將反射回棱鏡面c 6的光束通過偏振分光面3合成一道從棱鏡面b 5 出射到角隅棱鏡8，并且通過偏振分光面3把由角隅棱鏡8反射回來 的偏振方向相互正交的兩束光束分開，并經(jīng)棱鏡面a 4和棱鏡面b 5 的反射后從棱鏡面c 6經(jīng)四分之一波片c 9再次出射到參考鏡10與 測量鏡11，最后，又將反射回棱鏡面c 6的光束通過偏振分光面3 合成一道從棱鏡面a 4出射；四分之一波片b 7和四分之一波片c 9 分別位于棱鏡面b 5和棱鏡面c 6的兩側且與其平行，其作用是將通 過四分之一波片b 7和四分之一波片c 9的線偏振光轉(zhuǎn)化成圓偏振光， 或者反過來將圓偏振光轉(zhuǎn)化成線偏振光；角隅棱鏡8設置在四分之一 波片b 7的后面且其軸線與棱鏡面b 5垂直，角隅棱鏡8、四分之一 波片b 7和棱鏡面b 5的中心位于同一軸線上，角隅棱鏡8將從棱鏡 面b 5出射并經(jīng)四分之一波片b 7后入射的光束反射回去，而且入射 光束與反射光束相互平行且不在一個高度上；參考鏡10和測量鏡11 依次設置在四分之一波片c 9的后面且均與棱鏡面c6平行，棱鏡面 c 6、四分之一波片c9、參考鏡10和測量鏡11的中心位于同一軸線 上，參考鏡10和測量鏡11的作用是反射來自四分之一波片c 9的光 束，參考鏡10固定設置，測量鏡11與工作臺相連且隨被測件作直線 位移并引起參考光路和測量光路之間光程差的變化；起偏器12與棱 鏡面a 4平行設置，其作用是混合從棱鏡面a 4出射光束中的兩正交 分量；光電檢測器13接收來自起偏器12的光束并產(chǎn)生正弦電測量信 號輸入相位計14;相位計14用來測量上述正弦電測量信號和前述正 弦電參考信號之間的相位差，該相位差的變化與測量鏡11直線位移 引起的光程差變化成正比。
本發(fā)明的光路特性
參見圖2，該系統(tǒng)中的所有光束(用括號內(nèi)的序號表示)都展開在同一平面內(nèi)。激光器l發(fā)出入射光束(15)，該光束具有兩個穩(wěn)定 的頻率分量，偏振方向互相正交，用兩個箭頭表示；該光源同時提供 了一個參考信號，它等于兩穩(wěn)定光頻率的差。光束(15)入射到五面
偏振分光棱鏡2，其中棱鏡面a 4和棱鏡面b 5表面鍍有抗反射膜， 偏振分光面3鍍有偏振分光膜，將兩線偏振方向枏互正交的平行入射 面的p光(16)和垂直入射面的s光(17)分開。兩光束經(jīng)過棱鏡面 a 4和棱鏡面b 5反射后，射出五面偏振分光棱鏡2，即光束(20) 和(21)。
光束(20)和(21)經(jīng)過四分之一波片c 9后分別轉(zhuǎn)化成圓偏振 光束(22)和(23)，光束(22)被參考鏡10反射成為光束(22A)， 與此同時，光束(23)被與工作臺相連的測量鏡11反射成為光束 (23A)，該工作臺的線性位移量可以通過兩個頻率分量之間產(chǎn)生的相 位差變化測得「光束(22A)和(23A)再次經(jīng)過四分之一波片c9后 轉(zhuǎn)化成偏振方向與原入射光束(20)和(21)相互正交的線偏振光(24) 和(25)，光束(24)和(25)進入五面偏振分光棱鏡2，經(jīng)棱鏡面a 4和棱鏡面b 5反射后，在偏振分光面3合并成光束(28)。光束(28) 射出五面偏振分光棱鏡2后經(jīng)過四分之一波片b 7成為光束(29)， 被角隅棱鏡8反射后成為光束(30)，然后經(jīng)過四分之一波片b 7轉(zhuǎn) 化成為光束(31)，由于角隅棱鏡8的特性，光束(29)和光束(30) 相互平行。
光束(31)再次入射五面偏振分光棱鏡2，在偏振分光面3上分 成兩束偏振方向相互垂直的光(50)和(51);光(50)和(51)經(jīng) 過棱鏡面a 4和棱鏡面b 5反射后成為光束(52)和(53)出射五面 偏振分光棱鏡2，然后經(jīng)過四分之一波片c 9成為光束(54)和(55)。 光束(54)被參考鏡10反射后形成光束(54A)，同時，光束(55) 被測量鏡11反射后形成光束(55A)。光束(54A)和(55A)又一次 經(jīng)過四分之一波片c 9形成光束(56)和(57)，此時光束(56)和 (57)的偏振方向與原光束(21)和(20)的偏振方向一致；光束(56) 和(57)進入五面偏振分光棱鏡2，經(jīng)過棱鏡面a 4和棱鏡面b 5反 射后形成光束(58)和(59)，在偏振分光面3合并成光束(60)出 射五面偏振分光棱鏡2。光束(60)通過起偏器12和光電檢測器13 后，與光束(15) —同進入相位計14，以便測量正弦電測量信號和 正弦電參考信號之間的相位差。
8
權利要求
1.一種用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，其特征在于由激光源、五面偏振分光棱鏡、四分之一波片b、四分之一波片c、角隅棱鏡、參考鏡、測量鏡、起偏器、光電檢測器和相位計構成；所述激光源一方面對五面偏振分光棱鏡產(chǎn)生穩(wěn)定頻率的入射光束，該光束含有兩個頻率不同且線偏振方向互相正交的分量，同時也對相位計給出一個穩(wěn)定的正弦電參考信號，該參考信號的頻率等于激光源兩個分量的頻率差；五面偏振分光棱鏡由兩塊直角棱鏡粘合而成，在膠合面鍍有一層偏振分光膜，光的入射面和出射面鍍有增透膜，膠合面等效于偏振分光鏡故稱為偏振分光面，與偏振分光面對稱的棱鏡面a和棱鏡面b鍍有抗反射膜，其作用是通過偏振分光面把偏振方向相互正交的從棱鏡面a入射的兩束光束分開并經(jīng)棱鏡面a和棱鏡面b的反射后從棱鏡面c出射，最后又將反射回棱鏡面c的光束通過偏振分光面合成一道從棱鏡面a出射；四分之一波片b和四分之一波片c分別位于棱鏡面b和棱鏡面c的兩側且與其平行，其作用是將通過四分之一波片的光束轉(zhuǎn)化成圓偏振光束或者將通過四分之一波片的圓偏振光轉(zhuǎn)化成線偏振光；角隅棱鏡設置在四分之一波片b的后面且其軸線與棱鏡面b垂直，角隅棱鏡將從棱鏡面b出射并經(jīng)四分之一波片b后入射的光束反射回去，而且入射光束與反射光束相互平行且不在一個高度上；參考鏡和測量鏡依次設置在四分之一波片c的后面且均與棱鏡面c平行，其作用是分別反射來自四分之一波片c的光束，參考鏡固定設置，測量鏡與工作臺相連且隨被測件作直線位移并引起參考光路和測量光路之間光程差的變化；起偏器與棱鏡面a平行設置，其作用是混合從棱鏡面a出射光束中的兩正交分量；光電檢測器接收來自起偏器的光束并產(chǎn)生正弦電測量信號輸入相位計；相位計用來測量上述正弦電測量信號和前述正弦電參考信號之間的相位差，該相位差與測量鏡直線位移引起的光程差變化成正比。
2. 根據(jù)權利要求1所述的用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，其特征在于所述激光源為雙頻激光或單頻偏振激光。
3. 根據(jù)權利要求1所述的用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，其特征在于所述角隅棱鏡、四分之一波片b和棱鏡面b的中心位于同一軸線上。
4. 根據(jù)權利要求1所述的用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，其特征在于所述棱鏡面C、四分之一波片C、參考鏡和測量鏡的中心位于同一軸線上。
5. 根據(jù)權利要求1所述的甩于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，其特征在于所述參考鏡上設有兩個孔使從四分之一波片C出射到測量鏡以及從測量鏡反射回四分之一波片C的測量光穿過該孔。
全文摘要
一種用于測量直線位移的差分平面反射鏡激光干涉系統(tǒng)，由激光源、五面偏振分光棱鏡、四分之一波片b、四分之一波片c、角隅棱鏡、參考鏡、測量鏡、起偏器、光電檢測器和相位計構成；激光源產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的入射光束，同時給出一個穩(wěn)定的參考信號源；入射光束在五面偏振分光棱鏡、四分之一波片和角隅棱鏡作用下，分別被參考鏡和測量鏡反射兩次，由五面偏振分光棱鏡出射；通過起偏器的干涉，由光電檢測器接收并產(chǎn)生電測量信號，通過相位計與電參考信號進行比相，即可測出與被測件固定連接的測量鏡的線位移。本發(fā)明的優(yōu)點是結構簡單、成本較低、光程死區(qū)小、測量精度高，可廣泛用于軍工、航天及數(shù)控機床等領域的幾何量精密測量和計量基準的建立。
文檔編號G01B11/02GK101650158SQ20081005414
公開日2010年2月17日 申請日期2008年8月15日 優(yōu)先權日2008年8月15日
發(fā)明者侯文玫, 徐封義 申請人:天津市天坤光電技術有限公司