一種多光束階梯角反射鏡激光干涉儀及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光干涉測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多光束階梯角反射鏡激光干涉 儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光器的出現(xiàn)，使古老的干涉技術(shù)得到迅速發(fā)展，激光具有亮度高、方向性好、單 色性及相干性好等特點(diǎn)，激光干涉測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟。激光干涉測量系統(tǒng)應(yīng)用非常廣 泛：精密長度、角度的測量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測；精密儀器中的定位檢測 系統(tǒng)如精密機(jī)械的控制、校正；大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和檢測儀器中的定位檢測系統(tǒng)； 微小尺寸的測量等。在大多數(shù)激光干涉測長系統(tǒng)中，都采用了邁克爾遜干涉儀或類似的光 路結(jié)構(gòu)。
[0003] 單頻激光干涉儀從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別 從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng) 時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng) 整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式L = NX X /2,式 中A為激光波長（N為電脈沖總數(shù)），算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)， 要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測量結(jié)果。
[0004] 單頻激光干涉儀的弱點(diǎn)之一就是受環(huán)境影響嚴(yán)重，在測試環(huán)境惡劣，測量距離較 長時(shí)，這一缺點(diǎn)十分突出。其原因在于它是一種直流測量系統(tǒng)，必然具有直流光平和電平零 漂的弊端。激光干涉儀可動(dòng)反光鏡移動(dòng)時(shí)，光電接收器會(huì)輸出信號(hào)，如果信號(hào)超過了計(jì)數(shù)器 的觸發(fā)電平則就會(huì)被記錄下來，而如果激光束強(qiáng)度發(fā)生變化，就有可能使光電信號(hào)低于計(jì) 數(shù)器的觸發(fā)電平而使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，使激光器強(qiáng)度或干涉信號(hào)強(qiáng)度變化的主要原因是空 氣湍流，機(jī)床油霧，切削肩對光束的影響，結(jié)果光束發(fā)生偏移或波面扭曲。
[0005] 單頻激光干涉儀由于測量結(jié)構(gòu)的問題，其測量精度受限于激光的波長，其精度一 般只能為其波長的整數(shù)倍，很難再進(jìn)行提升，同時(shí)測量環(huán)境的變化對測量結(jié)果有較大影響。 隨著工業(yè)生產(chǎn)對精密測量的要求越來越高，對測量儀器的測量精度提出了更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有激光干涉儀測量精度僅可測量獲取激光干涉中整數(shù) 倍波長，測量精度難以提升的弊端，在現(xiàn)有邁克爾遜激光干涉儀的基礎(chǔ)上，結(jié)合微位移結(jié) 構(gòu)，除了能夠獲得移動(dòng)角反射鏡整數(shù)倍于激光波長的移動(dòng)距離部分外，還能測量得到小于 激光波長的移動(dòng)距離部分，因此該激光干涉儀大大提高傳統(tǒng)激光干涉測量儀的測量精度。 同時(shí)由于多光路干涉狀態(tài)交替變換，對測量光路的環(huán)境變化有更高的抗干擾能力。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0008] -種多光束階梯角反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、階梯型角反射鏡、移 動(dòng)角反射鏡、光電探測器組以及微動(dòng)平臺(tái)，所述激光源包括n個(gè)平行激光束，其中n多2,所 述光電探測器組包括n個(gè)光電探測器；所述階梯型角反射鏡的兩反射面成直角，每個(gè)反射 面為n個(gè)成階梯形的反射平面，相鄰兩個(gè)所述反射平面間距為
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種多光束階梯角反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、階梯型角反射鏡、移動(dòng) 角反射鏡、光電探測器組以及微動(dòng)平臺(tái)，其特征在于，所述激光源包括n個(gè)平行激光束，其 中n多2,所述光電探測器組包括n個(gè)光電探測器，所述階梯型角反射鏡包括成直角的兩反 射面，反射面為n個(gè)成階梯型的反射平面，相鄰兩個(gè)反射平面的間距等于7^+7^，其 2 V2n 2V2 中k為自然數(shù)、X為激光源發(fā)出的激光波長；每個(gè)所述激光源發(fā)出的激光經(jīng)過所述分光鏡 反射后，分別射入對應(yīng)一個(gè)反射平面，每個(gè)所述反射平面將對應(yīng)激光束反射到對應(yīng)的所述 光電探測器組的各個(gè)光電探測器；所述激光源發(fā)出的每束激光經(jīng)過所述分光鏡透射后，分 別入射到所述移動(dòng)角反射鏡后再反射到對應(yīng)的光電探測器組的各個(gè)光電探測器；所述階梯 型角反射鏡連接在所述微動(dòng)平臺(tái)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束階梯角反射鏡激光干涉儀，其特征在于，所述微動(dòng)平 臺(tái)為壓電陶瓷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束階梯角反射鏡激光干涉儀，其特征在于，所述激光源 生成的多束平行激光中，相鄰激光的間距為激光波長的整數(shù)倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多光束階梯角反射鏡激光干涉儀，其特征在于，隨著所述移 動(dòng)角反射鏡在干涉光路方向的移動(dòng)，由于激光源射出的不同激光束的干涉光路光程差，各 激光干涉光路將交替處于激光最強(qiáng)干涉狀態(tài)或最弱干涉狀態(tài)。
5. -種上述任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的多光束階梯角反射鏡激光干涉儀的測量方法，其 特征在于，包括以下步驟： 步驟一、將所述階梯型角反射鏡固定在所述微動(dòng)平臺(tái)上，調(diào)整好所述激光源、分光鏡、 階梯型角反射鏡、移動(dòng)角反射鏡、光電探測器的位置； 步驟二、啟動(dòng)所述激光源，所述激光源發(fā)出的激光到所述分光鏡反射，經(jīng)反射后的激光 射入對應(yīng)的所述階梯型角反射鏡，在所述階梯型角反射鏡的直角反射面反射到對應(yīng)的所述 光電探測器；所述激光源發(fā)出的激光到所述分光鏡，經(jīng)透射后的激光入射到所述移動(dòng)角反 射鏡，經(jīng)所述移動(dòng)角反射鏡反射到所述光電探測器，光電探測器可以檢測出激光干涉狀態(tài)， 干涉光路調(diào)整完成； 步驟三、首先將所述移動(dòng)角反射鏡固定在被測對象的起始測量位置上，此時(shí)控制所 述微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，使所述階梯型角反射鏡沿激光入射方向或反射方向移動(dòng)，當(dāng)所述光電探 測器測得一個(gè)激光干涉波時(shí)，固定所述微動(dòng)平臺(tái)，將所述移動(dòng)角反射鏡在干涉光路方向移 動(dòng)距離d，對應(yīng)所述光電探測器測得波長為X的激光干涉波的數(shù)量為N(n個(gè)光電探測器 檢測到干涉波總數(shù)為N)，此時(shí)根據(jù)激光波長X計(jì)算獲得所述移動(dòng)角反射鏡的移動(dòng)距離 ,IxN.a--, In 步驟四、固定所述移動(dòng)角反射鏡，控制所述微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，使所述階梯型角反射鏡在所 述激光入射方向移動(dòng)，當(dāng)所述光電探測器再次測得一個(gè)干涉波時(shí)，此時(shí)微動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)距離 設(shè)為1，則被測距離中未被檢測到的距離Ad為1，可獲得步驟三所測移動(dòng)距離d的精確值 ,.AXN. 為d=---vl〇 2n
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多光束階梯角反射鏡激光干涉儀的測量方法，其特征在于， 所述步驟四中的所述階梯型角反射鏡的位移方向是沿著所述激光反射的方向，那么最后獲 得的所述移動(dòng)角反射鏡的移動(dòng)距離更為精確的值為
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光干涉測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多光束階梯角反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、階梯型角反射鏡、移動(dòng)角反射鏡、光電探測器組以及微動(dòng)平臺(tái)，階梯平面角反射鏡的反射面為n個(gè)階梯平面，相鄰兩個(gè)反射平面間距為(k為自然數(shù))，所述激光源可以生成多束平行激光，所述光電探測器組有n個(gè)光電探測器，激光干涉測量過程中，n個(gè)光電探測器將交替處于激光最強(qiáng)干涉狀態(tài)或最弱干涉狀態(tài)，測量精度可以達(dá)到。同時(shí)對于測量過程中嚴(yán)格滿足多光路干涉狀態(tài)交替變化的情況才對其進(jìn)行計(jì)數(shù)，即在多光路干涉測量中引入交流信號(hào)，將傳統(tǒng)的激光干涉測量中直流電平的測量轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)的測量，提高了干涉儀的抗干擾能力。
【IPC分類】G01B9-02
【公開號(hào)】CN104697440
【申請?zhí)枴緾N201510143646
【發(fā)明人】張白, 毛建東, 康學(xué)亮
【申請人】北方民族大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月30日