本发明专利技术公开了一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，包括单频激光源、声光频移单元、光干涉装置、随被测件运动的平面反射镜以及相位检测装置。其中，单频激光源结合声光频移单元可产生无频率混叠、具有一定频差、空间分离的入射光束，入射光束在光干涉装置的作用下，两次被平面镜反射，最后输入到相位检测装置，以相位差的变化量确定被测件的偏摆角。具有一定频差的测量光束从声光频移单元产生到干涉前，传输路径分开，空间独立。本发明专利技术避免了干涉光路中两种频率的偏振光不能完全分开导致的周期性非线性误差的产生，从而有效提高测量精度。本发明专利技术可广泛用于数控机床、军工及航天等领域的几何量精密测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光学技术检测领域，具体涉及一种用于角度测量无非线性误差的激光 外差干涉系统。
技术介绍
几何量精密测量在军工、航天、数控机床等高科技领域具有重要的作用，特别是对 运动导轨偏摆角、俯仰角的测量技术，越来越受到重视。外差激光干涉仪的结构简单、抗干 扰能力强、检测方便，通过相位比较即可达到很高的测量分辨率，在纳米测量中有着独特的 优势和广泛的应用。 理论上，激光干涉仪工作时，激光源发出的两个具有一定频差的正交线偏振光，经 偏振分光镜分光后，两个偏振分量分别经测量臂和参考臂后各自携带相应的相移信息，经 干涉后获得与被测长度成线性关系的拍频信号。 实际应用时，由于激光光源的椭圆偏振化，干涉仪中各光学元器件的非理想性及 其安调误差等各种非理想因素，使得干涉光路中两种频率的偏振光不能完全分开，从而使 被测信号中出现一个附加的周期相位误差。这一相位误差使测得的相位位移和实际被测长 度不成线性关系，且该误差随着被测长度的变化以2p为周期变化，形成一个较大的周期性 非线性误差，其幅值可达几个纳米，对于纳米测量系统而言，成为影响测量精度的一项重要 误差源。 由于这一周期性的非线性误差使得基于外差干涉技术的角度测量难以进一步提 高测量精度。
技术实现思路
本专利技术针对现有激光干涉仪存在的较大非线性误差，提出了一种用于角度测量无 非线性误差的激光外差干涉系统，用于实现小角度偏摆角或俯仰角的高精度测量，结构简 单且调试方便。 本专利技术技术方案是这样实现的： 一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，由单频激光源、声光频移单元、 光干涉装置、平面反射镜以及相位检测装置组成;其特点是： 所述单频激光源提供稳定的单一频率线偏振光； 所述声光频移单元包括:分光镜、两个声光频移器、三个直角棱镜； 所述声光频移器用于调整偏振分量光的频率，所述直角棱镜用于调整光束的传输方 向；使所述光束与另一光束传输方向平行，且两束光产生频率差； 所述光干涉装置包括:两个偏振分光镜、角锥棱角、第四直角棱镜、四分之一波片； 所述偏振分光镜用于对调整后的光束进行分光，四分之一波片用于改变线偏振光的偏 振态； 将所述平面反射镜固定于被测件，作为偏摆传感器； 所述相位检测装置包括:两个检偏器，两个光电检测器，相位计;其中：检偏器用于混合 一个光路中偏振态正交的两个光束，并产生新的干涉测量光束； 所述相位计用于接收电测量信号，经过比相处理计算输出被测件的偏摆角； 具体光路连接如下： CD将所述单频激光源产生的第一光束入射到所述声光频移单元； ?声光频移单元的分光镜对第一光束进行分光，产生两个偏振分量光分别作为所述 声光频移器的输入光束;其中第一声光频移器用于调整所述两个分量光中一个分量光的频 率，输出光束为第二光束，第二声光频移器用于调整所述两个分量光中另一个分量光的频 率，输出光束为第三光束;所述第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三直角棱镜用于调整所述 第二光束的传输方向，使所述第二光束和第三光束传输方向平行;结果产生具有不同频率 差、偏振态相同、空间平行的第二光束和第三光束； (!)所述第一偏振分光镜对所述第二光束进行分光，其中s分量光经所述第一偏振分光 镜的一面出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第四光束;其中P分量经 所述第一偏振分光镜的另一面出射，经第二偏振分光镜透射后，经过所述四分之一波片入 射至所述平面反射镜，成为第五光束，所述第五光束经所述平面反射镜反射后返回并再次 经过所述四分之一波片；由于两次通过所述四分之一波片，P分量光改变偏振态为s偏振态， 并经所述第二偏振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反 射，经所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，为第六光束，所述第六光束从所述平面反 射镜返回再次经过四分之一波片后改变偏振态，从所述第二偏振分光镜透射，并经第一偏 振分光镜透射后成为第七光束； 所述第一偏振分光镜也对所述第三光束进行分光，其中S分量光经所述第一偏振分光 镜出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第八光束;其中P分量从所述第 一偏振分光镜出射，经第二偏振分光镜透射后经过所述四分之一波片，入射至所述平面反 射镜，成为第九光束，所述第九光束经所述平面反射镜反射后返回并再次经过所述四分之 一波片，由于两次通过所述四分之一波片，P分量光改变偏振态为s偏振态，并经所述第二偏 振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反射，经所述四分 之一波片入射至所述平面反射镜，成为第十光束，所述第十光束从所述平面反射镜返回再 次经过四分之一波片后改变偏振态，从第二偏振分光镜透射，并经第一偏振分光镜透射后 成为第i 光束； @第一检偏器，用于混合偏振态正交的第四光束和第i 光束产生第一干涉光束;第 二检偏器，用于混合偏振态正交的第七光束和第八光束产生第二干涉光束;第一光电检测 器，接收所述第一干涉光束产生第一电测量信号;第二光电检测器，接收所述第二干涉光束 产生第二电测量信号;相位计，接收第一电测量信号和第二电测量信号，经过比相处理计算 输出被测件的偏摆角或俯仰角。 所述光干涉装置的角锥棱角设置在第一偏振分光镜上表面一侧，角锥棱角的轴线 与上表面垂直，且角锥棱角和上表面的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。 所述光干涉装置的第四直角棱镜设置在第二偏振分光镜上表面一侧，第四直角棱 镜的轴线与第二偏振分光镜的上表面垂直;直角棱镜的底面和第二偏振分光镜的上表面的 中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。 所述光干涉装置的四分之一波片位于第二偏振分光镜的侧面与平面反射镜之间， 且四分之一波片与第二偏振分光镜的侧面平行。 所述光干涉装置的第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、四分之一波片、平面反射镜 的中心轴线平行或位于同一直线上，通过调整所述角锥棱角和第四直角棱镜，使所述第五 光束和第九光束位于同一高度，所述第六光束和第十光束位于同一高度，所述第四光束和 所述第十一光束位置重合;所述第七光束和所述第八光束位置重合。 所述第五光束、第六光束、第九光束和第十光束在所述平面反射镜的入射位置构 成一个矩形的四个顶点，所述第五光束和第六光束构成所述矩形一侧的两个顶点，所述第 九光束和第十光束构成所述矩形另一侧的两个顶点。 本专利技术采用两个声光频移器件从光源到干涉测量前，不同频率的测量光没有产生 频率混叠，而光干涉装置中，两个不同频率的测量光光路分开，分别携带各自的测量信息， 整个干涉测量系统中，测量光从光源到干涉前，传输路径分开，空间独立的，不存在频率混 叠，避免了周期性非线性误差的产生，有利于系统测量精度的提高。此外，利用光干涉装置 和平面反射镜实现了光学四倍频，提高了测量分辨率，当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于角度测量无非线性误差的激光外差干涉系统，由单频激光源、声光频移单元、光干涉装置、平面反射镜以及相位检测装置组成；其特征在于：所述单频激光源提供稳定的单一频率线偏振光；所述声光频移单元包括：分光镜、两个声光频移器、三个直角棱镜；所述声光频移器用于调整偏振分量光的频率，所述直角棱镜用于调整光束的传输方向，使所述光束与另一光束传输方向平行；所述光干涉装置包括：两个偏振分光镜、角锥棱角、第四直角棱镜、四分之一波片；偏振分光镜用于对光束进行分光，四分之一波片用于改变线偏振光的偏振态，D) 将所述平面反射镜固定于被测件，作为偏摆传感器；E) 所述相位检测装置包括：两个检偏器，两个光电检测器，相位计；其中：检偏器用于混合一个光路中偏振态正交的两个光束，并产生新的干涉测量光束；相位计用于接收电测量信号，经过比相处理、计算，输出被测件的偏摆角；具体光路连接如下：将所述单频激光源产生的第一光束入射到所述声光频移单元；声光频移单元的分光镜对第一光束进行分光，产生两个偏振分量光分别作为所述声光频移器的输入光束；其中第一声光频移器用于调整一个偏振分量光的频率，输出光束为第二光束，第二声光频移器用于调整另一个偏振分量光的频率，输出光束为第三光束；所述第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三直角棱镜用于调整所述第二光束的传输方向，使所述第二光束和第三光束传输方向平行；结果产生具有不定频率差、偏振态相同、空间平行的第二光束和第三光束；所述第一偏振分光镜对所述第二光束进行分光，其中s分量光经所述第一偏振分光镜的一面出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第四光束；其中p分量经所述第一偏振分光镜的另一面出射，经第二偏振分光镜透射后，经过所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，成为第五光束，所述第五光束经所述平面反射镜反射后返回并再次经过所述四分之一波片；由于两次通过所述四分之一波片，p分量光改变偏振态为s偏振态，并经所述第二偏振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反射，经所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，为第六光束，所述第六光束从所述平面反射镜返回再次经过四分之一波片后改变偏振态，从所述第二偏振分光镜透射，并经第一偏振分光镜透射后成为第七光束；所述第一偏振分光镜也对所述第三光束进行分光，其中s分量光经所述第一偏振分光镜出射，经所述角锥棱角及第一偏振分光镜再次反射后成为第八光束；其中p分量从所述第一偏振分光镜出射，经第二偏振分光镜透射后经过所述四分之一波片，入射至所述平面反射镜，成为第九光束，所述第九光束经所述平面反射镜反射后返回并再次经过所述四分之一波片，由于两次通过所述四分之一波片，p分量光改变偏振态为s偏振态，并经所述第二偏振分光镜反射至所述第四直角棱镜，反射后再次由所述第二偏振分光镜反射，经所述四分之一波片入射至所述平面反射镜，成为第十光束，所述第十光束从所述平面反射镜返回再次经过四分之一波片后改变偏振态，从第二偏振分光镜透射，并经第一偏振分光镜透射后成为第十一光束；第一检偏器，用于混合偏振态正交的第四光束和第十一光束产生第一干涉光束；第二检偏器，用于混合偏振态正交的第七光束和第八光束产生第二干涉光束；第一光电检测器接收所述第一干涉光束产生第一电测量信号；第二光电检测器接收所述第二干涉光束产生第二电测量信号；相位计，接收第一电测量信号和第二电测量信号，经过比相处理计算输出被测件的偏摆角。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：乐燕芬，句爱松，侯文玫，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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