正交型零差激光干涉儀及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及位移精密測量技術領域，具體地涉及一種高分辨率和大測量范圍的零差激光干涉儀及其測量方法。
【背景技術】
[0002]位移是最基本的幾何參量之一，其準確測量對人們從事各領域的研究和促進科學進步有重要意義。一方面，與其他機械量相比，位移容易檢測，且檢測準確度高，所以常將被測對象的機械量轉化為位移來檢測，位移測量儀器也因此成為機械量測量儀器中最基本的測量儀器。另一方面，近年來納米科技發(fā)展迅速，尤其是半導體技術、微電子技術等的迅速發(fā)展和現(xiàn)代制造業(yè)精度的不斷提高，對位移的測量靈敏度、測量分辨力和測量范圍提出了更高要求。例如:半導體工業(yè)中高精度模板的制造與定位，高精度傳感器的標定等。因此，研究具有大范圍高精度的位移測量儀器具有重要的意義。
[0003]隨著科學技術的發(fā)展，位移的檢測手段已發(fā)展到多種，測量準確度也不斷提高。例如:電容法、電阻法以及電渦流法等電學位移測量技術和以激光干涉測量為代表的光學測量技術。其中，電容位移傳感器、電阻位移傳感器等具有較小的體積和較低的價格，但是此類小型位移傳感器的缺點是存在原理上的非線性，線性測量范圍小并需要校準。而激光干涉測量技術以其可溯源、非接觸測量、分辨力高等獨特優(yōu)勢，應用極為廣泛。例如，美國Agilent公司的5529A雙頻激光干涉儀，測量分辨率高，可達10nm。但是此類干涉儀體積較大、質量較重、需要很多光學元器件和復雜的光信號檢測裝置，因而難以做出結構緊湊、價格低廉的測量儀器。
[0004]傳統(tǒng)干涉測量結構普遍系統(tǒng)龐大，光路復雜，敏感于準直，而且價格昂貴，因此迫切需要更加簡單、緊湊、穩(wěn)定的干涉位移測量系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0005]針對以上現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種零差激光干涉儀，該儀器是一種能夠觀測大尺度位移的精密測量儀器。本發(fā)明的另外一個目的是提供一種利用該零差激光干涉儀進行位移測量的方法。
[0006]本發(fā)明為解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0007]正交型零差激光干涉儀，包括光學系統(tǒng)和電路系統(tǒng)，所述光學系統(tǒng)包括氦氖激光器、分光棱鏡、^ /8波片、測量立方角錐棱鏡、精密導軌、參考立方角錐棱鏡、偏振分光棱鏡、第一光電探測器和第二光電探測器；其中，所述氦氖激光器、分光棱鏡、X/8波片和測量立方角錐棱鏡依次固定置于同一軸線上，所述測量立方角錐棱鏡安裝固定在精密導軌上，所述參考立方角錐棱鏡置于分光棱鏡的一側，用于反射參考光信號，所述參考立方角錐棱鏡、分光棱鏡和偏振分光棱鏡依次固定安裝在同一軸線上，所述第一光電探測器和第二光電探測器置于偏振分光棱鏡的兩側，用來接收偏振分光棱鏡出射的正交光束，并轉化為電壓信號；所述電路系統(tǒng)，包括第一小信號放大模塊、第二小信號放大模塊、第一帶通濾波器模塊、第二帶通濾波器模塊、模數(shù)轉換單元和計算機數(shù)據處理單元；其中，所述第一小信號放大模塊的輸入端與第一光電探測器的輸出端連接，所述第二小信號放大模塊的輸入端與第二光電探測器的輸出端連接，所述第一帶通濾波器模塊的輸入端與第一小信號放大模塊的輸出端連接，所述第二帶通濾波器模塊的輸入端與第一小信號放大模塊的輸出端連接，所述第一帶通濾波器模塊和第一帶通濾波器模塊的輸出端均與模數(shù)轉換單元的輸入端連接，所述模數(shù)轉換單元的輸出端通過USB接口與計算機數(shù)據處理單元的輸入端連接，計算機單元控制模數(shù)轉換單元采集并解調出相位，得到測量立方角錐棱鏡的實時位移并顯示。
[0008]上述正交型零差激光干涉儀的測量方法，主要包括以下步驟:
[0009](1)氦氖激光器發(fā)出的線偏振光以45°角入射到分光棱鏡后，分為參考光束和測量光束；測量光束首先通過、/8波片，相位發(fā)生45°改變，再經過測量立方角錐棱鏡4反射，使得返回光束再次經過A/8波片，又產生45°的相移，之后輸出的測量光束與經過參考立方角錐棱鏡返回的線偏振參考光干涉；干涉信號經過偏振分光棱鏡后得到兩路相正交的線偏振光，分別由第一光電探測器和第二光電探測器檢測；(2)第一光電探測器和第二光電探測器的輸出電信號，通過第一小信號放大模塊、第二小信號放大模塊和第一帶通濾波器模塊、第二帶通濾波器模塊進行調理，用于提高輸出信號的信噪比；調理后的兩路信號在通過模數(shù)轉換單元后，得到兩路數(shù)字信號，轉換后的兩路數(shù)字信號為嚴格的正交信號，一路信號正比于測量立方角錐棱鏡的相位的正弦函數(shù)，另一路信號正比于測量立方角錐棱鏡的相位的余弦函數(shù)；計算機數(shù)據處理單元中，由虛擬儀器軟件首先對信號進行振幅的歸一化運算，使兩路信號具有相同的振幅，然后計算相應的反正切函數(shù)，可以獲得測量立方角錐棱鏡的實時相位巾⑴’最后依據關系式巾⑴二彳^! A ，就可以獲得測量立方角錐棱鏡的實時位移L(t)。
[0010]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0011]1)采用氦氖激光器作為系統(tǒng)光源，可以利用蘭姆凹陷或者是塞曼分裂的等光強點作為激光頻率穩(wěn)定的天然工作點，因此頻率穩(wěn)定性好；另外，由于光束的發(fā)散角極小，無需經過準直就可以進行大尺度位移測量，具有性能穩(wěn)定，使用方便，通用性強等優(yōu)點。
[0012]2)采用立方角錐棱鏡代替平面反射鏡作為靶鏡，可以保證在實際測量中，當靶鏡移動時，無需考慮出射角角度(也無需考慮立方角錐棱鏡的傾斜)，反射光束能始終與入射光束保持平行，光路調節(jié)方便；同時，返回光的側移使得返回光束不再會射入激光器，不會干擾到激光器的諧振，從而保證系統(tǒng)測量的穩(wěn)定性和可靠性。
[0013]3)信號調理電路系統(tǒng)集成度高，連接方便，能夠提高輸出信號的信噪比，降低了低頻環(huán)境噪聲對測量結果的影響，進而大幅度提高了位移測量裝置的分辨率和系統(tǒng)的抗干擾能力。
[0014]4)本發(fā)明在位移0mm-300mm測量范圍內的測量不確定度為0.6um，可測速范圍0mm/s-60mm/s ;干涉儀具有結構相對簡單可靠，與市面上高精度激光干涉儀相比成本低廉，很適用于大尺度位移的測量，實用性強。
[0015]5)本發(fā)明以邁克爾遜干涉儀為基礎演變得到的零差激光干涉儀，相較于經典的邁克爾遜干涉儀，其增加了一路輸出信號，兩路輸出信號相正交，通過兩路信號的相位信息來反應物體位移量變化，實現(xiàn)了大范圍位移的精密測量。由于系統(tǒng)固有的結構簡單、測量精度高、易于準直及可判向等顯著優(yōu)點，在部分測量領域可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的干涉儀。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明正交型零差激光干涉儀實驗裝置示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明正交型零差激光干涉儀機械結構圖；
[0018]圖3是本發(fā)明正交型零差激光干涉儀的軟件處理流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖和實施方法，對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0020]如圖1，本發(fā)明裝置中光學系統(tǒng)由氦氖激光器1、分光棱鏡2、入/8波片3、測量立方角錐棱鏡4、精密導軌5、參考立方角錐棱鏡6、偏振分光棱鏡7和第一光電探測器81、第二光電探測器82組成。其中，氦氖激光器1輸出單縱?；鶛M模線偏振激光，偏振光的出射角度為45°，中心波長為632.8nm ;分光棱鏡2選用寬帶分光棱鏡(工作波長450nm_650nm，四個直角通光表面鍍寬帶多層增透膜)；A/8波片3采用A/8石英零級波片(工作波長為632.8nm);測量立方角錐棱鏡4和參考立方角錐棱鏡6的入射表面鍍有增透膜，光束偏轉角精度達180° ±5° ;精密導軌5選用PI公司M-521.DD型號平移臺，單向重復定位精度達0.lum，最高運行速度50mm/s，量程為200mm ;偏振分光棱鏡7選用寬帶消偏振分光棱鏡(工作波長405nm-650nm，四個外表面鍍寬帶多層增透膜)；第一光電探測器81、第二光電探測器82選用TH0RLABS公司DET36A/M型號的高速光電探測器(波長范圍350nm_1100nm)。
[0021]如圖1，本發(fā)明裝置中電路系統(tǒng)由第一小信號放大模塊91、第二小信號放大模塊92、第一帶通濾波器模塊101、第二帶通濾波器模塊102、模數(shù)轉換單元11和計算機數(shù)據處理單元12組成。