光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置属于激光应用技术领域；本发明专利技术采用了空间分离的参考光和测量光，并进行测量光路平衡性设计，同时该方法产生了两个具有相反多普勒频移的干涉测量信号，并根据被测目标的运动方向和速度，选择性使用两测量信号来进行干涉测量；本发明专利技术不仅减小了温度变化对测量的影响，而且消除了干涉仪中的频率混叠现象，提高了外差干涉测量的测量精度；同时解决了激光光源频差对测量速度限制的问题。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光应用
，主要涉及一种光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置。
技术介绍
激光外差干涉测量因其具有抗干扰能力强、测量范围大、信噪比高和易于实现高精度等特点而被广泛应用于超精密加工、光刻机以及三坐标测量机等领域。随着超精密工程的不断发展，对加工精度和生产效率提出越来越高的要求；同时也对外差干涉测量的测量精度、分辨率和速度都提出了新的挑战。在激光外差干涉测量中，非线性误差严重限制了测量精度和分辨率的进一步提高，国内外学者对激光外差干涉非线性误差进行了大量的研究。非线性误差源于干涉光路 中的光学混叠，传统的干涉测量系统无法避免干涉测量中的光学混叠，限制了其测量精度和分辨率的提高。T. L. Schmitz 和 J. F. Beckwith 提出了一种干涉仪改造的方法(Ascousto-opticdisplacement—measureing interferometer a new heterodyne interferometer withAnstromlevel periodic error. Journal of Modern Optics 49, pages 2105-2114)。相较于传统的测量方法，该方法将声光移频器作为分光镜，将测量光束和参考光束进行分离。该方法可以减小参考光和测量光的频率混叠，有利于减小测量的非线性误差，从而提高测量精度和分辨率。但是，该装置结构复杂且特殊，无法广泛应用于超精密加工与测量中。Ki-Nam Joo等研制了一种新型激光干涉测量结构(Simple heterodyne laserinterferometer with subnanometer periodic errors. Optics Letters/Vol. 34,No. 3/February 1,2009) 0该结构是参考光束与测量光束在空间上分离，消除了干涉测量中的频率混叠，完全消除非线性误差，从而提高测量精度以及测量分辨率。此外，该装置结构简单，成本低，相较于前一种测量方法，更有利于在超精密测量领域的应用。但是该方法测量速度依旧受光源频差的制约，限制了其在高速测量领域的广泛使用。以上几种干涉测量方法及装置均存在测量速度受光源频差制约的问题。随着超精密加工对测量速度要求的不断提高，干涉仪光源的频差也不断地增大，从而导致激光光源的结构越来越复杂，成本越来越昂贵，严重限制了激光干涉测量的广泛应用。而且测量分辨率与测量速度存在冲突。为了同时提高干涉仪的测量速度与分辨率，国内外学者对信号处理系统进行了大量的研究并提出了相应的解决方案，但现有信号处理系统一般都结构复杂、成本昂贵且需要很多特殊设计的芯片；并且受现有半导体芯片水平的限制，干涉测量性能提升困难。综上所述，现有激光外差干涉测量方法均无法同时满足超精密加工测量对干涉仪的高精度和高测量速度的要求，严重限制了超精密加工测量领域的发展。
技术实现思路
针对上述现有激光外差干涉仪的不足，本专利技术提出了一种光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉测量方法与装置，提高激光外差干涉的测量精度，解决激光光源频差对测量速度限制的问题。本专利技术的目的通过以下技术方案实现一种光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉测量方法，该方法步骤如下(I)稳频激光器输出两束频率分别为f\、f2的平行光束； (2)两平行光束的小部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的参考信号，其频差值为 fb = ，表示为 Ir 00 COS (2 31 fbt)；(3)剩余的两平行光束均被分光镜分成两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；(4)参考光束含有频率分别为f\、f2的两平行光束，参考光束首先被第一个偏振分光镜透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后返回第一个偏振分光镜，此时参考光束偏振方向旋转了 90° ,被第一个偏振分光镜反射,然后再被参考棱镜反射回第一个偏振分光镜，且被第一个偏振分光镜反射，经四分之一波片和平面镜作用后再次返回第一个偏振分光镜，此时参考光束偏振方向又旋转了 90° ,然后经第一个偏振分光镜透射返回分光镜；(5)测量光束含有频率分别为f\、f2的两平行光束，测量光束进入第二个偏振分光镜后被透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向旋转了 90°，被反射进测量棱镜，然后被测量棱镜和第二个偏振分光镜反射，该反射光再次经四分之一波片和平面镜作用后再次返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向又旋转了 90° ,被第二个偏振分光镜透射返回分光镜；(6)通过调节参考棱镜和测量棱镜使得频率为的测量光束与频率为f2的参考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为Iml~cos ;频率为f2的测量光束与频率为的参考光束进行干涉，产生另一路测量信号，表示为Im2 - cos ,两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为fb+Af和fb-Af ;(7)两测量信号经光电探测器探测后分别送入两个相同的相位计A和相位计B，其中，相位计A用于处理频率为fb+Af的测量信号，相位计B用于处理频率为fb_Af的测量信号;(8)根据被测目标端平面镜的运动方向和运动速度，使用开关电路在相位计A和相位计B之间进行选择；(9)根据所选择的相位计A或者相位计B对被测目标的位移进行计算。所述的稳频激光器输出的两平行光束为水平线偏振光或垂直线偏振光。所述的相位计使用开关电路进行选择时，当被测量目标端平面镜正向运动速度高于设定值V1时，选择相位计B ;当被测量目标端平面镜负向运动速度高于设定值V2时，选择相位计A ;其中，设被测量目标端平面镜远离第二个偏振分光镜的方向为正方向。一种光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉测量装置，该装置包括稳频激光器、分光镜、偏振分光镜B、测量棱镜、四分之一波片B、平面镜B、光电探测器A、光电探测器B,该装置还包括偏振分光镜A、四分之一波片A、平面镜A、参考棱镜、相位计A、相位计B、开关电路、测量电路；其中，分光镜位于稳频激光器的输出端；偏振分光镜A、四分之一波片A和平面镜A依次放置在分光镜的反射方向上,参考棱镜位于偏振分光镜A的反射方向上；偏振分光镜B、四分之一波片B和平面镜B依次放置在分光镜的透射方向上,测量棱镜位于偏振分光镜B的反射方向；分光镜输出两路干涉测量光束，其中一路接光电探测器A，另一路接光电探测器B ;光电探测器A的输出端接相位计A输入端，光电探测器B输出端接相位计B输入端；稳频激光器的参考信号输出端分别与相位计A和相位计B的输入端连接，相位计A与相位计B的输出端同时接开关电路输入端；开关电路的输出端接测量电路输入端；所述的参考棱镜为角锥棱镜，同时测量棱镜为直角棱镜。所述的参考棱镜为直角棱镜，同时测量棱镜为角锥棱镜。所述的参考棱镜由两个角锥棱镜组成，同时测量棱镜为角锥棱镜。所述的参考棱镜为角锥棱镜，同时测量棱镜由两个角锥棱镜组成。本专利技术具有以下特点及良好效果 (I)本专利技术中，参考光与测量光在空间上是分离的，在到达探测器之前没出现过重叠，消除了干涉仪的非线性误差产生的根源。(2)传统干涉仪中采用偏振分光棱镜进行光束分离，干涉镜组调节难度高且成本高；本专利技术中改用普通非偏振分光棱镜代替偏振分光棱镜，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光路平衡型高速高分辨率激光外差干涉测量方法，其特征在于该方法步骤如下：(1)稳频激光器输出两束频率分别为f1、f2的平行光束；(2)两平行光束的小部分直接经探测后转换为激光外差干涉测量的参考信号，其频差值为fb＝f1？f2，表示为Ir∝cos(2πfbt)；(3)剩余的两平行光束均被分光镜分成两部分，反射部分作为参考光束，透射部分作为测量光束；(4)参考光束含有频率分别为f1、f2的两平行光束，参考光束首先被第一个偏振分光镜透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后返回第一个偏振分光镜，此时参考光束偏振方向旋转了90°，被第一个偏振分光镜反射，然后再被参考棱镜反射回第一个偏振分光镜，且被第一个偏振分光镜反射，经四分之一波片和平面镜作用后再次返回第一个偏振分光镜，此时参考光束偏振方向又旋转了90°，然后经第一个偏振分光镜透射返回分光镜；(5)测量光束含有频率分别为f1、f2的两平行光束，测量光束进入第二个偏振分光镜后被透射，然后经四分之一波片和平面镜作用后返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向旋转了90°，被反射进测量棱镜，然后被测量棱镜和第二个偏振分光镜反射，该反射光再次经四分之一波片和平面镜作用后再次返回第二个偏振分光镜，此时测量光束的偏振方向又旋转了90°，被第二个偏振分光镜透射返回分光镜；(6)通过调节参考棱镜和测量棱镜使得频率为f1的测量光束与频率为f2的参考光束进行干涉，产生一路测量信号，表示为Im1∝cos[2π(fb+Δf)t]；频率为f2的测量光束与频率为f1的参考光束进行干涉，产生另一路测量信号，表示为Im2∝cos[2π(fb？Δf)t]，两测量信号具有大小相同、符号相反的多普勒频移，其频率分别为fb+Δf和fb？Δf；(7)两测量信号经光电探测器探测后分别送入两个相同的相位计A和相位？计B，其中，相位计A用于处理频率为fb+Δf的测量信号，相位计B用于处理频率为fb？Δf的测量信号；(8)根据被测目标端平面镜的运动方向和运动速度，使用开关电路在相位计A和相位计B之间进行选择；(9)根据所选择的相位计A或者相位计B对被测目标的位移进行计算。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，刁晓飞，胡鹏程，白洋，杨千惠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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