CN105674888B

CN105674888B - 基于光干涉的位移测量装置

Info

Publication number: CN105674888B
Application number: CN201610052806.4A
Authority: CN
Inventors: 林澎; 孙荣敏; 龙盛保; 胡江如; 韦家见; 陈水清; 唐丽媛; 李金丽; 林伟健; 龚英姬
Original assignee: Lushan College of Guangxi University of Science and Technology
Current assignee: Hunan New Leading Testing Technology Co ltd
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2018-07-06
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: CN105674888A

Abstract

一种基于光干涉的位移测量装置，涉及一种位移测量装置，在激光发射装置的光路上设置第一分光棱镜，第一分光棱镜的分光光路A上设置第二分光棱镜，第二分光棱镜的分光光路C上设有光学谐振腔、第一光电接收装置；分光光路D上设置第一、二直角反射棱镜组，该反射棱镜组的一端与第一、二反射镜连接，另一端与驱动器连接，其反射光回到第二分光棱镜形成分光光路F，分光光路F上设有第三分光棱镜；分光光路B上设置第四分光棱镜，第四分光棱镜的分光光路E上设置直角反射镜，其反射光进入第三分光棱镜，第三分光棱镜的分光光路G上设置第二光电接收装置。本发明的测量精度高，量程大，可从nm级跨越至m级，而且还可大大提高***的响应时间。

Description

基于光干涉的位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置，特别是一种基于光干涉的位移测量装置。

背景技术

在精密机械设计和材料研制等分析过程中，零部件的位移、振动振幅和振动频率、变形、材料的热膨胀系数等数据的采集成为分析的关键。而现有的位移测量***，一般都是精度高则量程短，量程大则精度低，波形匹配好其精度高但运算时间长响应慢，响应快则精度低，不能满足现代化分析的需要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种精度高、量程大且响应快的基于光干涉的位移测量装置。

解决上述技术问题的技术方案是：一种基于光干涉的位移测量装置，包括激光发射装置、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组、第一光电接收装置、第二光电接收装置、驱动器；其中：

所述的激光发射装置发射出的激光光路上设置第一分光棱镜，第一分光棱镜的分光光路包括分光光路A、分光光路B；所述的分光光路A上设置第二分光棱镜，第二分光棱镜的分光光路包括分光光路C、分光光路D；所述的分光光路C上设有光学谐振腔，该光学谐振腔由第一反射镜、第二反射镜构成；光学谐振腔之后设置有所述的第一光电接收装置；第二分光棱镜的分光光路D上设置有所述的第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组，第一直角反射棱镜组的一端与第一反射镜固定连接，第二直角反射棱镜组的一端与第二反射镜固定连接，第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组的另一端与驱动器连接，第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组的反射光回射到第二分光棱镜形成分光光路F，第二分光棱镜的分光光路F上设有所述的第三分光棱镜；所述的第一分光棱镜的分光光路B上设置第四分光棱镜，第四分光棱镜的分光光路E上设置有直角反射镜，直角反射镜的反射光进入第三分光棱镜，第三分光棱镜的分光光路G上设有所述的第二光电接收装置。

本发明的进一步技术方案是：所述的第一分光棱镜包括直角棱镜Ⅰ和直角棱镜Ⅱ，直角棱镜Ⅰ和直角棱镜Ⅱ的斜面粘合在一起；所述的第二分光棱镜包括直角棱镜Ⅲ和直角棱镜Ⅳ，直角棱镜Ⅲ和直角棱镜Ⅳ的斜面粘合在一起，且直角棱镜Ⅲ和直角棱镜Ⅳ相对的直角面平行。

本发明的进一步技术方案是：所述的直角棱镜Ⅲ在其直角面处设有光吸收及漫反射层Ⅰ，直角棱镜Ⅳ在直角面处设有光吸收及漫反射层Ⅱ。

本发明的进一步技术方案是：所述的第一反射镜在靠近第二反射镜一侧镀履有反射膜；所述的第二反射镜在靠近第一反射镜一侧镀履有反射膜。

本发明的再进一步技术方案是：所述的激光发射装置的光谱宽度为λ₀～λ_n；所述的第一反射镜在光谱宽度λ₀～λ_n的光束中对光谱宽度λ_i～λ_j的波长反射率为90～99%；所述的第二反射镜在光谱宽度λ₀～λ_n的光束中对光谱宽度λ_i～λ_j的波长反射率为90～99%；所述的λ₀ ～λ_n 为0.1～2um，λ_i～λ_j为0.2～0.4um。

本发明的再进一步技术方案是：所述的第一光电接收装置用于对波长λ_i～λ_j光束的能量进行分析，并计算出第一反射镜和第二反射镜的距离；所述的第二光电接收装置，用于对不同波长λ₀～λ_n的光束能量进行分析，并分析出光能量最强的波长；所述的λ₀ ～λ_n 为0.1～2um，λ_i～λ_j为0.2～0.4um。

本发明的进一步技术方案是：所述的第一直角反射棱镜组包括一个利用斜面对光产生反射的直角棱镜Ⅴ，多个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜Ⅵ；所述的第二直角反射棱镜组包括一个利用直角面对光产生反射的小直角棱镜、多个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜Ⅶ。

本发明的再进一步技术方案是：所述的小直角棱镜的直角面面积是标准直角棱镜Ⅶ直角面面积的0.3～0.8倍。

本发明的进一步技术方案是：所述的第三分光棱镜包括直角棱镜Ⅷ和直角棱镜Ⅸ，直角棱镜Ⅷ和直角棱镜Ⅸ的斜面粘合在一起，且彼此相对的直角面平行；所述的直角棱镜Ⅸ直角面处设有光吸收及漫反射层Ⅲ；所述的第四分光棱镜由四块同样的直角棱镜Ⅹ彼此直角面胶合组成的正方体，其中直角棱镜Ⅹ斜面上设有光吸收及漫反射层Ⅳ，该第四分光棱镜随被测直线移动物体一起移动。

本发明的再进一步技术方案是：所述的驱动器包括驱动件、粘接游动块、补偿块、固定块，所述的游动块和固定块分别粘接在驱动件的两端，固定块与补偿块粘接，补偿块与驱动件之间留有间隙，补偿块与游动块分别与第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组固定连接。

由于采用上述结构，本发明之基于光干涉的位移测量装置与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.可实现对位移的精密测量：

由于本发明包括激光发射装置、第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组、第一光电接收装置、第二光电接收装置、驱动器。当被测件未移动时，分光棱镜组与被测件相接触，***开启后，驱动器开始沿光路方向高频伸缩变化，使第一反射镜和第一直角反射棱镜组相对于第二反射镜和第二直角反射棱镜组之间的距离产生变化。激光发射装置发射出的光束由第一分光棱镜分开后，分为测量光束a和扫描光束b，测量光束a和扫描光束b经过一系列传播最后分别变为光束g和光束j，当光束g和光束j最后到达第二光电接收装置的光程相当时，使第二光电接收装置显示为光束g和光束j产生干涉光能量最强值，即激光发射装置发出的所有光谱λ₀～λ_n的光能量都为最强，此时记录第一光电接收装置给出的第一反射镜、第二反射镜的距离；当第四分光棱镜随被测物体沿扫描光束b传播方向移动距离x时，驱动器持续高频伸缩，总有一刻能使得激光发射装置发出的激光经第一分光棱镜分开后的两束光线最后到达第二光电接收装置的光程相等，使第二光电接收装置显示为光束g和光束j产生干涉光能量最强值，记录此时第一光电接收装置给出的第一反射镜、第二反射镜的距离，通过腔长变化即可计算出被测物位移。因此，本发明从初始未产生位移开始工作，直至被测件直线位移停止，测量出被测件位移，从而可实现对位移的精密测量，还可以测量振动的振幅和频率、位移过程中的速率变化。

2.精度高：

本发明利用分离光波振幅方法对一束光均匀分成两束，当两支光束在达到干涉条件时，且经过的光程相等时，干涉能量会达到极值，利用此原理，当一束光（测量光束a）的光程（从光源发出至接收器接收）随着被测件相对较慢的速度变化时，另一束光（扫描光束b）的光程较快的交替变化（频率不变），总有一刻使测量光束a和扫描光束b的光程相等。

本发明中，测量光束a的光程是：光束从激光发射装置发出经过第一分光棱镜后，分为测量光束a开始经第二分光棱镜、第一直角反射棱镜组、第二直角反射棱镜组、第三分光棱镜等，最后至第二光电接收装置所经过的光程。

扫描光束b的光程是：光束从激光发射装置发出经过第一分光棱镜后，分为扫描光束b开始经第四分光棱镜组、直角反射镜、第三分光棱镜，最后至第二光电接收装置所经过的光程。

当被测件在位置O1时，测量光束a的光程为h₁，扫描光束b的光程在h₁±△h₁变化，当测量光束和扫描光束光程都为h时，两束光产生干涉能量最强，被第二光电接收装置检测并分析，记录扫描光束的光程，记录驱动扫描光束部件的位置。

当被测件在位置O2时，测量光束光程变为h₁+△h₁，扫描光束光程继续反复变化，当扫描光束的光程与测量光束的光程再次相等时，两束光产生干涉能量再次达到最强，被接收器接收并再次记录扫描光束的光程，通过前后两次记录扫描光束光程差值即可得出被测件的位移变化。若是利用宽光谱（λ₀～λ_n），则各个波长能量皆为干涉最大值时为两束光的光程为相等。因此，本发明的波长越短（λ₀越小），光谱越宽（λ₀～λ_n范围越大），则测量精度越高。

此外，本发明对光偏振不敏感，接收光波段波长最短，精度比较稳定，从而进一步提高了测量精度。

3.量程大：

本发明是利用光学谐振腔（法布里珀罗腔）对波长选择性透过的特性，通过对透射光波长的分析，可以得到腔长。当腔长变化时，透射波长随之产生变化，接收器检测并分析透射波长可得出腔长变化量。

谐振腔内可接收光谱范围（λ_i～λ_j）越窄，波长越长（λ_j越大），其最小腔长h’越长，腔长可变化范围△h（△h≤5 h’）越大，从而测量范围越大，另外增加第一直角反射棱镜组和第二直角反射棱镜组中的标准直角棱镜数量可以增加测量范围。因此，本发明的测量范围可根据要求制定，其测量范围L为：0～10 (2N+1)h’，式中N为第一直角反射棱镜组和第二直角反射棱镜组中各自标准直角棱镜的个数，测量精度δ：0.1*λ₀，其量程大，跨越量级大，可从nm级跨越至m级。

4.响应快：

本发明采用折叠光路方法使其结构紧凑，不通过对光波谱型分析而只需分析能量最大的波长值，因此避免软件匹配波形时出现的误差，同时减少运算量，可大大提高***的响应时间。

下面，结合附图和实施例对本发明之基于光干涉的位移测量装置的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本发明之基于光干涉的位移测量装置的结构原理图，

图2：第一分光棱镜的结构示意图，

图3：第二分光棱镜的结构示意图，

图4：第一反射镜的结构示意图，

图5：第二反射镜的结构示意图，

图6：第一直角反射棱镜组的结构示意图，

图7：第二直角反射棱镜组的结构示意图，

图8：第三分光棱镜的结构示意图，

图9：第四分光棱镜的结构示意图，

图10：驱动器的结构示意图，

图11：初始测量的能量—波长图，

图12：初始测量的损耗—波长图，

图13：被测件产生位移的能量—波长图，

图14：被测件产生位移的损耗—波长图，

图15：谐振腔透射光能量—波长图，

图16：腔长增加1um透射光波长前后对比局部图，

图17：腔长增加1um透射光波长前峰值捕捉数据图，

图18：腔长增加1um透射光波长后峰值捕捉数据图，

图19：谐振腔腔长为6 h’=46.8um时透射光能量—波长分布图。

在上述附图中，各标记说明如下：

1-激光发射装置，

2-第一分光棱镜，201-直角棱镜Ⅰ，202-直角棱镜Ⅱ，

3-第二分光棱镜，301-直角棱镜Ⅲ，302-直角棱镜Ⅳ，

303-光吸收及漫反射层Ⅱ，304-光吸收及漫反射层Ⅰ，

4-第一反射镜，5-第二反射镜，6-第一光电接收装置，

7-第一直角反射棱镜组，701-直角棱镜Ⅴ，702-直角棱镜Ⅵ，

8-第二直角反射棱镜组，801-直角棱镜Ⅶ，802-小直角棱镜，

9-第三分光棱镜，901-直角棱镜Ⅷ，902-直角棱镜Ⅸ，903-光吸收及漫反射层Ⅲ，

10-第四分光棱镜，1001-直角棱镜Ⅹ，1002-光吸收及漫反射层Ⅳ，

11-直角反射镜，12-第二光电接收装置，

13-驱动器， 1301-驱动件，1302-粘接游动块，1303-补偿块，1304-固定块。

具体实施方式

实施例一：

一种基于光干涉的位移测量装置，包括激光发射装置1、第一分光棱镜2、第二分光棱镜3、第三分光棱镜9、第四分光棱镜10、第一反射镜4、第二反射镜5、第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8、第一光电接收装置6、第二光电接收装置12、驱动器13；

所述的激光发射装置1发射出的激光光路上设置第一分光棱镜2，第一分光棱镜2的分光光路包括分光光路A、分光光路B；所述的分光光路A上设置第二分光棱镜3，第二分光棱镜3的分光光路包括分光光路C、分光光路D；所述的分光光路C上设有光学谐振腔，该光学谐振腔由第一反射镜4、第二反射镜5构成；光学谐振腔之后设置有所述的第一光电接收装置6；第二分光棱镜3的分光光路D上设置有所述的第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8，第一直角反射棱镜组7的一端与第一反射镜4固定连接，第二直角反射棱镜组8的一端与第二反射镜5固定连接，第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8的另一端与驱动器13连接，第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8的反射光回射到第二分光棱镜3形成分光光路F，第二分光棱镜3的分光光路F上设有所述的第三分光棱镜9；所述的第一分光棱镜2的分光光路B上设置第四分光棱镜10，第四分光棱镜10的分光光路E上设置有直角反射镜11，直角反射镜11的反射光进入第三分光棱镜9，第三分光棱镜9的分光光路G上设有所述的第二光电接收装置12。

所述的激光发射装置1可以发出一定光能量的宽光谱激光，其光谱宽度为λ₀～λ_n，λ₀ =0.1um，λ_n=2um。

所述的第一分光棱镜2包括直角棱镜Ⅰ201和直角棱镜Ⅱ202，直角棱镜Ⅰ201和直角棱镜Ⅱ202的斜面粘合在一起，且保证彼此相对的直角面平行。该第一分光棱镜2对激光发射装置1发出的宽光谱激光分成两支光束——测量光束a和扫描光束b，且两支光束的能量相等。

所述的第二分光棱镜3包括直角棱镜Ⅲ301和直角棱镜Ⅳ302，直角棱镜Ⅲ301和直角棱镜Ⅳ302的斜面粘合在一起，且直角棱镜Ⅲ301和直角棱镜Ⅳ302相对的直角面平行。该第二分光棱镜3对测量光束a分成光束c和光束d，且光束c和光束d的能量相等。

所述的直角棱镜Ⅲ301在其直角面处设有光吸收及漫反射层Ⅰ304，光吸收及漫反射层Ⅰ304在不遮挡光束f的前提下对光束c’进行吸收和漫反射（光束c’由第一反射镜4和第二反射镜5组成的光学谐振腔产生，在经过第二分光棱镜3分离后出现的），直角棱镜Ⅳ302在直角面处贴有光吸收及漫反射层Ⅱ303，光吸收及漫反射层Ⅱ303在不遮挡测量光束a 的前提下对光束f’进行吸收和漫反射（光束f’由光束d经过多次反射后由第二分光棱镜3分离后出现的）。

所述的第一反射镜4在靠近第二反射镜5一侧镀履有反射膜；该第一反射镜4在光谱宽度λ₀～λ_n的光束中对光谱宽度λ_i～λ_j的波长反射率为90～99%。

所述的第二反射镜5在靠近第一反射镜4一侧镀履有反射膜，该第二反射镜5在光谱宽度λ₀～λ_n的光束中对光谱宽度λ_i～λ_j的波长反射率为90～99%，所述的λ_i～λ_j为0.2～0.4um。

所述的第一光电接收装置6用于对波长λ_i～λ_j光束的能量进行分析，并计算出第一反射镜4和第二反射镜5的距离，对波长λ_i～λ_j以外光束不进行分析和计算；

所述的第一直角反射棱镜组7包括一个利用斜面对光产生反射的直角棱镜Ⅴ701、N个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜Ⅵ702，该第一直角反射棱镜组7与直角反射棱镜组8同时对光束d进行多次反射，并在不同的位置把光束d反射回第二分光棱镜3。

所述的第二直角反射棱镜组8包括一个利用直角面对光产生反射的小直角棱镜802、N个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜Ⅶ801。所述的小直角棱镜802的直角面面积是标准直角棱镜Ⅶ801直角面面积的0.5倍。该第二直角反射棱镜组8与直角反射棱镜组7同时对光束d进行多次反射，并在不同的位置把光束d反射回第二分光棱镜3；上述的N≥1。

所述的第三分光棱镜9包括直角棱镜Ⅷ901和直角棱镜Ⅸ902，直角棱镜Ⅷ901和直角棱镜Ⅸ902的斜面粘合在一起，且彼此相对的直角面平行；所述的直角棱镜Ⅸ902直角面处贴有光吸收及漫反射层Ⅲ903。第三分光棱镜9对进入其内的光束f和光束e’分成两支重叠在一起的光束g和光束j，且光束g和光束j的能量相等；光吸收及漫反射层Ⅲ903对光束e’进行吸收和漫反射（光束e’由光束e经直角反射镜11直角面反射后进入第三分光棱镜9分离后出现的）；

所述的第四分光棱镜10由四块同样的直角棱镜Ⅹ1001彼此直角面胶合组成的正方体，其中直角棱镜Ⅹ1001斜面上设有光吸收及漫反射层Ⅳ1002，分别吸收扫描光束b经过分光棱镜组10内部的交界面产生的透射和反射光束，该第四分光棱镜10随被测直线移动物体一致移动。

所述的直角反射镜11，在斜面处对光束可以进行全反射。

所述的第二光电接收装置12，用于对不同波长λ₀～λ_n的光束能量进行分析，并分析出光能量最强的波长。

所述的驱动器13包括驱动件1301、粘接游动块1302、补偿块1303、固定块1304，所述的游动块1302和固定块1304分别粘接在驱动件1301的两端，固定块1304与补偿块1303粘接，补偿块1303与驱动件1301之间留有间隙，补偿块1303与游动块1302分别与第一直角反射棱镜组7、第二直角反射棱镜组8固定连接。

本驱动器13在通电时可伸长，放电时可回到原始长度，收缩时不可使第一反射镜4与第二反射镜5接触或碰撞，不可使第一直角反射棱镜组7和第二直角反射棱镜组8接触或碰撞，驱动器13的左端固定，当驱动件1301高频伸缩时，浮动块1302带动第二反射镜5和第二直角反射棱镜组8持续高频的沿光束c 传播方向左右运动，驱动件1301的伸缩量△h不超过最小腔长h’的5倍，即△h≤5h’，第一反射镜4和第二反射镜5之间的距离与第一直角反射棱镜组7和第二直角反射棱镜组8之间的距离相等，称为腔长h，h必须大于最小腔长h’。且第一反射镜4与第一直角反射棱镜组7为固定组不移动，第二反射镜5与第二直角反射棱镜组8为同步移动组沿光束c方向左右移动。

最小腔长h’：为保证第一电接收装置6对激光发射装置1发射的宽光谱光束不同波长（λ₀～λ_n）范围内，扫描时可以测得至少2个波长光强为最大值，通过这2个波长的长度和之间谱线距离反算出此时的腔长，因此只有在第一反射镜4和第二反射镜5之间的距离h大于最小腔长h’时可进行测量。。

光学谐振腔腔长h，为保证测量光学谐振腔腔长，且保证第一光电接收装置6对光束的扫描识别，腔长h范围为h’≤h≤1.5 h’。

谐振腔内可接收光谱范围（λ_i～λ_j）越窄，波长越长（λ_i越大），其最小腔长h’越长，腔长可变化范围△h（△h≤5 h’）越大，从而测量范围越大，另外增加第一直角反射棱镜组7和第二直角反射棱镜组8中的标准直角棱镜数量可以增加测量范围（但过多会影响测量精度，即谐振腔位移精度与标准直角棱镜数量的乘积大于0.1倍最小波长λ₀）。测量范围L为：0～10 (2N+1)h’，式中N为第一直角反射棱镜组和第二直角反射棱镜组中各自标准直角棱镜的个数，测量精度δ：0.1*λ₀，量程大，跨越量级大，可从nm级跨越至m级。其原理如下：

假设光源采用紫外波段（100nm～400nm，λ₀ =100nm，λ_n=400nm）的光谱范围，被测件相对较慢的速度产生直线位时移进行测量，因此有光能量函数式:

---干涉光的能量相对值，归一化。（测量光束a和扫描光束b两束光叠加干涉后能达到的最强光能量为最大值，最弱光能量为0）

n-介质折射率，真空或气体中值约为1；

h₁-扫描光束A与测量光束B之间的光程差，um；

△h₁-被测物位移产生的光差，um；

λ-波长，um；

当扫描光束a与测量光束b之间的光程差相等时，即h₁=0，能量—波长图像为图11所示。从图11中可以看出，被测件未产生位移时，当扫描光束a与测量光束b之间的光程差相等时，波长100nm～400nm之间的光能量都为干涉能量的最大值。

如果使用光功率计归零后测试，则光能量归一化后看其衰减值（损耗值）

---干涉光的能量损耗值，DB；

损耗—波长图像为图12所示。

当被测件产生位移x使测量光束b 光程产生微小光程变量△h₁=0.01um=10nm时（按***预设△h₁=0.1λ₀），此时当扫描光束a再以初始光程来干涉时，能量—波长图像为图13所示。从图13中可以看出，短波长处，尤其在波长0.1um（=100nm）处，干涉光能量未达到最大值，只有90%左右。

如果使用光功率计测试，得损耗-波长图像为图14所示。

普通功率计精度在-0.1DB，因此可以明显发现测量光束a和扫描光束b的光程不同，因此测量位移精度高于0.1λ₀。而λ₀越小测量精度越高。

当测量光束a和扫描光束b的光程相等，如图11和图12情况时，第二光电接收装置12发出信号，此时由第一光电接收装置6记录光学谐振腔的腔长和时间。当物体移动时，使测量光束b光程产生微小变化，而较快往复运动的驱动器13再次使测量光束a的光程等于扫描光束b的光程，再记录此时光学谐振腔的腔长和时间，通过前后对照，可得出物体的位移及随时间变化的情况。

当光束c（设波长为100nm～400nm）进入由第一反射镜4和第二反射镜5构成的光学谐振腔中，而光学谐振腔选择性透过较为窄的波长范围（350～400nm）。

现今光波测量精度0.04pm，***取测量精度1pm，即最大光能量波长产生大于1pm变化时第一光电接收装置6可测得并分析出。

光学谐振腔透射光能量函数式：

—谐振腔透射光能量；

h—谐振腔腔长值，um；

△h—谐振腔腔长变化值，um；

l—光波波长，um；

R—谐振腔反射率；

n—介质折射率，真空或气体中值约为1。

由于有最小腔长h’的要求，选择透射光波的波长范围（λ_i～λ_j）后即可得出：

假设谐振腔选择透过波长为380nm～400nm（λ_i=380nm，λ_j =400），则h’=7.8um，若采用最小腔长为谐振腔腔长（h’=h），透射光能量—波长图像为图15所示。

注：若腔长在h’≤h≤1.5 h’，可通过相邻透射光波长（λ₁，λ₂）得出腔长值。

当腔长有变化值（△h）时，透射光波长产生变化，假设腔长增加1nm，则前后对比透射波长漂移图像如图16所示。对其图像峰值捕捉得变化前的谱线P1和变化后的谱线P2的峰值波长分别为图像图17、图18所示。

由图17、图18可得出当谐振腔长增加1um时，透射光中心波长漂移0.00005um=0.05nm=50pm，远大于***所取的测量精度1pm，***足以测得。

当△h=5 h’时，此时为***所设定的腔长最大h= h’+△h=6 h’=6×7.8um=46.8um，透过谐振腔的能量-波长图像为图19所示。

此时通过相邻波峰中心波长之间距离誉为0.001um=1nm=1000pm＞1pm，

注：理论上谐振腔长仍可以继续扩大，但实际中由于谐振腔过长难以保证两平面反射镜反射面平行，因此***取保守值（△h=5 h’）。

腔长变化值为△h=5 h’，因此驱动器13伸长值应等于5 h’，驱动器同步带动第二直角反射棱镜组8移动相对第一直角反射棱镜组7有5 h’的位移变化，因此量程L为：

2N—标准直角棱镜Ⅵ702和标准直角棱镜Ⅶ801的总数量，

h’—谐振腔最小腔长，

由量程公式得，当N的数量增加时，***测量范围L等比例增加，最小腔长值h’越大则测量范围L越大。

本发明的测量原理：

当光线由激光发射装置1发射由第一分光棱镜2分开后，分为测量光束a和扫描光束b，其中测量光束a经过第二分光棱镜3后分成光束c和光束d，光束c进入由第一反射镜4和第二反射镜5组成的光学谐振腔，光束c经过谐振多次反射后透射到第一光电接收装置6，得出第一反射镜4和第二反射镜5之间的距离。光束d进入第一直角反射棱镜组7和第二直角反射棱镜组8，经过多次反射后回到第二分光棱镜3后变为光束f，光束f经过第三分光棱镜9后变为光束g。扫描光束b经过第四分光棱镜组10后变为光束e，光束e经过直角反射镜11后再进入第三分光棱镜9变为光束j，此时光束g和光束j产生的干涉图谱的波长和中心光能量由第二光电接收装置12进行接收和处理，并分析和绘制光能量的变化图。

①当被测件未移动时，第四分光棱镜组10与被测件相接触，***未开启时，第二反射镜5和第二直角反射棱镜组8相对于第一反射镜4和第一角反射棱镜组7之间的距离为h。***开启后，驱动器13开始沿光路方向高频伸缩变化，使第二反射镜5和第二直角反射棱镜组8相对于第一反射镜4和第一直角反射棱镜组7之间的距离产生△h的变化，即距离变为h+△h。

当光线由激光发射装置1发射由第一分光棱镜2分开后，分为测量光束a和扫描光束b，测量光束a、扫描光束b经过一系列传播最后分别变为光束g 和光束j经过的光程相当时，激光发射装置1发出的所有光谱λ₀～λ_n在第二光电接收装置12显示为光束g和光束j产生干涉光能量最强值，即所有波长的光能量都为最强，此时记录第一光电接收装置6给出的第一反射镜4和第二反射镜5的距离h〞。

②当第四分光棱镜组10随被测物体沿扫描光束b传播方向移动距离x时，驱动器13持续高频伸缩，总能使得由激光发射装置1发出的激光经第一分光棱镜2分开后的2束光线最后到达第二光电接收装置12的光程相等，使第二光电接收装置12显示为光束g和光束j产生干涉光能量最强值，记录此时第一光电接收装置6给出的第一射镜4和第二反射镜5的距离h〞+△h〞，此时2x=2×（2N+1）×△h〞，N为第一直角反射棱镜组和第二直角反射棱镜组中各自标准直角棱镜的个数。通过腔长变化△h〞计算出被测物位移x。

Claims

1.一种基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：包括激光发射装置（1）、第一分光棱镜（2）、第二分光棱镜（3）、第三分光棱镜（9）、第四分光棱镜（10）、第一反射镜（4）、第二反射镜（5）、第一直角反射棱镜组（7）、第二直角反射棱镜组（8）、第一光电接收装置（6）、第二光电接收装置（12）、驱动器（13）；其中：

所述的激光发射装置（1）发射出的激光光路上设置第一分光棱镜（2），第一分光棱镜（2）的分光光路包括分光光路A、分光光路B；所述的分光光路A上设置第二分光棱镜（3），第二分光棱镜（3）的分光光路包括分光光路C、分光光路D；所述的分光光路C上设有光学谐振腔，该光学谐振腔由第一反射镜（4）、第二反射镜（5）构成；光学谐振腔之后设置有所述的第一光电接收装置（6）；第二分光棱镜（3）的分光光路D上设置有所述的第一直角反射棱镜组（7）、第二直角反射棱镜组（8），第一直角反射棱镜组（7）的一端与第一反射镜（4）固定连接，第二直角反射棱镜组（8）的一端与第二反射镜（5）固定连接，第一直角反射棱镜组(7)、第二直角反射棱镜组（8）的另一端与驱动器（13）连接，第一直角反射棱镜组（7）、第二直角反射棱镜组（8）的反射光回射到第二分光棱镜（3）形成分光光路F，第二分光棱镜（3）的分光光路F上设有所述的第三分光棱镜（9）；所述的第一分光棱镜（2）的分光光路B上设置第四分光棱镜（10），第四分光棱镜（10）的分光光路E上设置有直角反射镜（11），直角反射镜（11）的反射光进入第三分光棱镜（9），第三分光棱镜（9）的分光光路G上设有所述的第二光电接收装置（12）。

2.根据权利要求1所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的第一分光棱镜（2）包括直角棱镜Ⅰ（201）和直角棱镜Ⅱ（202），直角棱镜Ⅰ（201）和直角棱镜Ⅱ（202）的斜面粘合在一起；所述的第二分光棱镜（3）包括直角棱镜Ⅲ（301）和直角棱镜Ⅳ（302），直角棱镜Ⅲ（301）和直角棱镜Ⅳ（302）的斜面粘合在一起，且直角棱镜Ⅲ（301）和直角棱镜Ⅳ（302）相对的直角面平行。

3.根据权利要求2所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的直角棱镜Ⅲ（301）在其直角面处设有光吸收及漫反射层Ⅰ（304），直角棱镜Ⅳ（302）在直角面处设有光吸收及漫反射层Ⅱ（303）。

4.根据权利要求1所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的第一反射镜（4）在靠近第二反射镜（5）一侧镀履有反射膜；所述的第二反射镜（5）在靠近第一反射镜（4）一侧镀履有反射膜。

5.根据权利要求4所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的激光发射装置（1）的光谱宽度为λ₀～λ_n；所述的第一反射镜（4）在光谱宽度λ₀～λ_n的光束中对光谱宽度λ_i～λ_j的波长反射率为90～99%；所述的第二反射镜（5）在光谱宽度λ₀～λ_n的光束中对光谱宽度λ_i～λ_j的波长反射率为90～99%；所述的λ₀ ～λ_n 为0.1～2um，λ_i～λ_j为0.2～0.4um。

6.根据权利要求5所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的第一光电接收装置（6）用于对波长λ_i～λ_j光束的能量进行分析，并计算出第一反射镜（4）和第二反射镜（5）的距离；所述的第二光电接收装置，用于对不同波长λ₀～λ_n的光束能量进行分析，并分析出光能量最强的波长；所述的λ₀ ～λ_n 为0.1～2um，λ_i～λ_j为0.2～0.4um。

7.根据权利要求1所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的第一直角反射棱镜组（7）包括一个利用斜面对光产生反射的直角棱镜Ⅴ（701），多个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜Ⅵ（702）；所述的第二直角反射棱镜组（8）包括一个利用直角面对光产生反射的小直角棱镜（802）、多个利用两直角面对光产生反射的标准直角棱镜Ⅶ（801）。

8.根据权利要求7所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的小直角棱镜（802）的直角面面积是标准直角棱镜Ⅶ（801）直角面面积的0.3～0.8倍。

9.根据权利要求1所述的基于光干涉的位移测量装置，其特征在于：所述的第三分光棱镜（9）包括直角棱镜Ⅷ（901）和直角棱镜Ⅸ（902），直角棱镜Ⅷ（901）和直角棱镜Ⅸ（902）的斜面粘合在一起，且彼此相对的直角面平行；所述的直角棱镜Ⅸ（902）直角面处设有光吸收及漫反射层Ⅲ（903）；所述的第四分光棱镜（10）由四块同样的直角棱镜Ⅹ（1001）彼此直角面胶合组成的正方体，其中直角棱镜Ⅹ（1001）斜面上设有光吸收及漫反射层Ⅳ（1002），该第四分光棱镜（10）随被测直线移动物体一起移动。