CN108627100A - 二自由度外差光栅干涉测量*** - Google Patents

二自由度外差光栅干涉测量*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种二自由度外差光栅干涉测量***，包括：单频激光器，用于发出单频激光，所述单频激光可分束为一束参考光和一束测量光；干涉仪镜组和测量光栅，用于将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号；接收光纤，用于接收所述参考干涉信号和测量干涉信号，所述接收光纤的芯径小于所述参考干涉信号和测量干涉信号的干涉条纹宽度，使得所述接收光纤接收所述参考干涉信号和测量干涉信号的局部。所述测量***对光栅转角误差不敏感、体积小、质量轻、便于布置等优点，特别适用于工业应用中对安装误差要求较高的场景。

Description

二自由度外差光栅干涉测量***
技术领域
本发明涉及干涉测量技术领域，更具体地，涉及一种二自由度外差光栅干涉测量***。
背景技术
干涉测量***作为一种典型的位移传感器具有对长度的可追溯性、测量精度高、测量范围大、动态测量范围大、易于安装和调试等优点，而被广泛应用于精密和超精密测量领域，常见于精密机械和加工设备中。目前干涉测量***主要可以分为激光干涉测量***和光栅干涉测量***，激光干涉测量***是基于激光干涉的测量原理，而光栅干涉测量***基于衍射干涉原理，其测量基准为光栅的栅距，对环境波动的敏感性相对较低，重复测量精度更高。
由于安装以及运动过程中的振动等原因，不可避免的存在光栅的转角误差，导致测量光束和参考光束间存在夹角，无法实现共轴干涉。因此，探测器接收到的并非理想的干涉光斑，而是具有一定条纹周期的干涉条纹，造成交流信号的强度即干涉测量信号AC/DC比迅速减小。良好的交流信号强度是实现位移测量的基础，光栅的转角误差将导致信号强度的降低，在光栅存在较大的转角偏差时，***将无法实现位移的测量。
针对上述问题，目前已有的解决方案主要是在光路中引入角锥棱镜，消除光束夹角，这样在探测器出参考光束和测量光束不会形成干涉条纹。如美国Zygo公司美国专利US20110255096A1(公开日2011年10月20日)，但由于测量光路和参考光路并不重合，仍然存在光束的平行偏离，光栅存在较小转角时，交流信号的AC/DC比下降较小，减轻了光栅转角对测量信号质量的影响，但无法从根本上消除，且由于角锥棱镜的引入，导致光路比较复杂，往往形成二次衍射光路，其能量损失较大。
因此，亟需提供一种能够有效的解决由于测量光栅的安装和运动偏差导致的测量信号强度降低的问题，降低对光栅安装精度及运动过程中转角偏差的要求，特别适用于工业应用中对安装误差要求较高的场景，并进一步具有光学结构简单紧凑，便于实际安装操作，稳定性及经济性好等特点的光栅干涉测量***。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题和满足本领域技术发展需要，本发明提出一种具有大转角允差的二自由度光栅干涉测量***，本发明光栅干涉测量***特别适用于工业应用中对安装误差要求较高的场景，还能应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等工件台位移的精密测量等场合。
本发明所采用的技术方案为：
一种二自由度光栅干涉测量***，包括：单频激光器1，用于发出单频激光，所述单频激光可分束为一束参考光和一束测量光；干涉仪镜组3和测量光栅4，用于将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号；接收光纤，用于接收所述参考干涉信号和测量干涉信号，所述接收光纤的芯径小于所述参考干涉信号和测量干涉信号的干涉条纹宽度，使得所述接收光纤接收所述参考干涉信号和测量干涉信号的局部。
进一步的，所述接收光纤为多模光纤5，所述参考干涉信号为一路，所述测量干涉信号为两路，所述两路测量干涉信号和一路参考干涉信号，分别经所述多模光纤5耦合接收并输出三路光信号。
进一步的，所述测量光栅4可相对于所述干涉仪镜组3做水平向和垂向两个自由度的线性运动。
进一步的，所述干涉仪镜组3从一侧顶端向相对另一侧依次包括：反射镜35、折光元件33、1/4波片34、分光棱镜31和偏振分光棱镜32，其中，所述分光棱镜31位于所述干涉仪镜组3上层，所述偏振分光棱镜32位于干涉仪镜组3下层。
进一步的，所述参考光经过所述分光棱镜31后分为三束，并通过所述偏振分光棱镜32反射后作为三路干涉信号的参考光；
所述测量光经过所述分光棱镜31后分为三束，其中两束测量光经过所述偏振分光棱镜32反射后，依次通过所述1/4波片34、所述折光元件33后入射至所述测量光栅4，经光栅衍射后返回，再次经过所述偏振分光棱镜32透射后，与所述三路干涉信号的参考光中的两路干涉，形成两路测量干涉信号；
另一束测量光经过所述偏振分光棱镜32反射后，先通过所述1/4波片34，然后经所述反射镜35反射后沿原光路返回，再次经过所述1/4波片34、经所述偏振分光棱镜32透射后与，所述三路干涉信号的参考光中的另一路干涉，形成一路参考干涉信号。
进一步的，所述干涉仪镜组3中各组件之间紧密邻接固定，集成为一体化结构。
进一步的，所述折光元件33截面为等腰梯形，所述测量光经梯形两侧透射时发生折射，经梯形顶部透射时发生反射。
进一步的，所述其中两束测量光经所述折光元件33后，以特定角度的入射光路至所述测量光栅4，所述特定角度使得衍射光路与所述入射光路重合；所述衍射光路经过所述折光元件33与所述三路干涉信号的参考光中的两路平行干涉，形成两路测量干涉信号。
进一步的，所述干涉测量***还包括声光调制器2，所述声光调制器2用于对分束后的所述单频激光进行移频。
进一步的，所述干涉测量***还包括光电转换单元6和电子信号处理部件7，其中：所述光电转换单元6用于接收所述多模光纤5传输的光信号并转换为电信号，以输入至所述电子信号处理部件7；所述电子信号处理部件7接收所述电信号，用以解算所述测量光栅4的线性位移。
与现有技术相比，本发明所提供的二自由度外差光栅干涉测量***具有以下优点：
(1)本发明的测量***对比以往的二自由度干涉测量***，在满足测量精度要求的基础上，可有效的避免了由于干涉仪和测量光栅间存在的转角安装误差和运动过程中存在的角度偏差对测量信号强度的影响。
(2)本发明测量***的体积小，集成度高，有效地提高了空间利用率和整个应用***的集成度。
(3)该测量***能够实现包括两个平动位移的二自由度同时测量，环境敏感度低，测量信号易于处理，分辨率与精度可达纳米甚至更高。
附图说明
通过参考以下具体实施方式及权利要求书的内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：
图1为本发明所述二自由度外差干涉测量***示意图；
图2为本发明所述干涉仪镜组的结构示意图；
图3为本发明光栅存在转角误差时的示意图；
图4是图3中A-A向的接收光纤与干涉条纹的对比示意图。
图中，1—单频激光器，2—声光调制器，3—干涉仪镜组，4—测量光栅，5—多模光纤，6—光电转换单元，7—电子信号处理部件；31—分光棱镜，32—偏振分光棱镜，33—折光元件，34—1/4波片，35—反射镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明所述二自由度外差光栅干涉测量***示意图，如图1所示，所述具有大转角允差的二自由度外差光栅干涉测量***包括单频激光器1、声光调制器2、干涉仪镜组3、测量光栅4、接收光纤、光电转换单元6和电子信号处理部件7。优选地，所述接收光纤为多模光纤5，所述测量光栅4为一维反射型光栅。
图2为本发明所述干涉仪镜组的结构示意图，如图2所示，干涉仪镜组3从一侧顶端向相对另一侧(图2中从左侧向右侧，或从靠近测量光栅4的一侧向相对另一侧)依次包括：反射镜35、折光元件33、1/4波片34、分光棱镜31和偏振分光棱镜32，其中，分光棱镜31位于干涉仪镜组上层，偏振分光棱镜32位于干涉仪镜组下层，折光元件33位于干涉仪镜组一侧顶端附近(图2中左侧顶端附近)，为实现高度一体化集成，优选地将干涉仪镜组3中各组件之间紧密邻接固定，集成为一体化结构，更为优选地，各组件之间均采用粘接的方式固定。
图3是本发明光栅存在转角误差时的示意图，如图3所示，当测量光栅相对于理想测量位置存在转角误差时，测量光会偏离参考光，存在一定的夹角，探测器上参考光和测量光两个光斑会偏离，并形成干涉条纹，利用多模光纤5直接接收干涉光信号的局部，并且从图4中可以看出多模光纤5的芯径小于干涉条纹的宽度。
结合图1和图2详细说明光栅干涉测量***的原理，具体地：
单频激光器1出射单频光，经光纤耦合、光线分束器分束后入射至声光调制器2移频，并经格林透镜准直后得到两路带有频差的偏振光s光，其中一路作为参考光，一路作为测量光。
参考光经过上层分光棱镜31两次分光后得到三束激光，向下入射经过偏振分光棱镜反射后作为三路干涉信号的参考光。
测量光经过分光棱镜31分光后同样得到三束激光向下入射，其中两路经过偏振分光棱镜32反射后，依次通过1/4波片34，折光元件33偏转后入射至测量光栅4，经光栅衍射后，±1级衍射光中包含光栅的转角和位移信息，沿原光路返回，再次经过1/4波片34，偏振分光棱镜32透射后与参考光干涉，形成两路测量干涉信号；另一路测量光经过偏振分光棱镜32反射，依次通过1/4波片34，反射镜35反射后沿原光路返回，再次经过1/4波片34，偏振分光棱镜32透射后与参考光干涉，形成参考干涉信号。
优选地，本发明光路采用利特罗式布置，即所述测量光经折光元件33后偏转后，测量光以特定角度入射至测量光栅4，使得衍射光路与入射光路重合，衍射光路经过折光元件33形成与参考光平行的测量光，再次通过1/4波片34，偏振分光棱镜32透射后与参考光干涉，形成两路测量信号。
所述两路测量干涉信号和一路参考干涉信号，分别经三个多模光纤5直接耦合干涉光斑的部分区域，共形成三路信号，其信号强度可满足测量需求。传输至光电转换单元6转换为电信号，并输入至电子信号处理部件7进行处理，利用得到的相位信息，解算二自由度线性运动。所述测量光栅4相对于干涉仪镜组3做水平向和垂向两个自由度的线性运动时，电子信号处理部件7将输出二自由度线性位移。
二自由度运动解算的表达式为
式中，x,z为光栅位移，φ1和φ2为两路测量干涉信号相对于参考干涉信号的相位变化，p为光栅的栅距，λ为激光波长，θ为利特罗角。
上述实施方式中给出的测量***及结构方案能够实现两个线性自由度的同时测量，且***测量光路短，受环境影响很小，测量***采用多模光纤可有效的减少***部件体积和数量，提高***的抗干扰能力和***集成性，可有效的避免由于干涉仪和测量光栅间存在的转角安装误差和运动过程中存在的角度偏差对测量信号强度的影响，测量信号易于处理，线性位移的测量分辨率可达nm级；同时该光栅干涉仪测量***还具有结构简单，体积小，质量轻，易于安装和布置，应用方便等优点。该二自由度外差光栅干涉仪位移测量***还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台位移的精密测量中。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (10)

1.一种二自由度外差光栅干涉测量***，包括：单频激光器(1)，用于发出单频激光，所述单频激光分束为一束参考光和一束测量光；干涉仪镜组(3)和测量光栅(4)，用于将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号，其特征在于，还包括接收光纤，用于接收所述参考干涉信号和测量干涉信号，所述接收光纤的芯径小于所述参考干涉信号和测量干涉信号的干涉条纹宽度，使得所述接收光纤接收所述参考干涉信号和测量干涉信号的局部。
2.根据权利要求1所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述接收光纤为多模光纤(5)，所述参考干涉信号为一路，所述测量干涉信号为两路；所述两路测量干涉信号和一路参考干涉信号，分别经所述多模光纤(5)耦合接收并输出三路光信号。
3.根据权利要求2所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述干涉测量***还包括光电转换单元(6)和电子信号处理部件(7)，其中：
所述光电转换单元(6)用于接收所述多模光纤(5)传输的光信号并转换为电信号，以输入至所述电子信号处理部件(7)；
所述电子信号处理部件(7)接收所述电信号，用以解算所述测量光栅(4)的线性位移。
4.根据权利要求1或2所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述测量光栅(4)相对于所述干涉仪镜组(3)做水平向和垂向两个自由度的线性运动。
5.根据权利要求1所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述干涉仪镜组(3)从一侧顶端向相对另一侧依次包括：反射镜(35)、折光元件(33)、1/4波片(34)、分光棱镜(31)和偏振分光棱镜(32)，其中，所述分光棱镜(31)位于所述干涉仪镜组(3)上层，所述偏振分光棱镜(32)位于干涉仪镜组(3)下层。
6.根据权利要求5所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述参考光经过所述分光棱镜(31)后分为三束，并通过所述偏振分光棱镜(32)反射后作为三路干涉信号的参考光；
所述测量光经过所述分光棱镜(31)后分为三束，其中两束测量光经过所述偏振分光棱镜(32)反射后，依次通过所述1/4波片(34)、所述折光元件(33)后入射至所述测量光栅(4)，经光栅衍射后返回，再次经过所述偏振分光棱镜(32)透射后，与所述三路干涉信号的参考光中的两路干涉，形成两路测量干涉信号；
另一束测量光经过所述偏振分光棱镜(32)反射后，先通过所述1/4波片(34)，然后经所述反射镜(35)反射后沿原光路返回，再次经过所述1/4波片(34)、经所述偏振分光棱镜(32)透射后与所述三路干涉信号的参考光中的另一路干涉，形成一路参考干涉信号。
7.根据权利要求6所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述其中两束测量光经所述折光元件(33)后，以特定角度的入射光路至所述测量光栅(4)，所述特定角度使得衍射光路与所述入射光路重合；所述衍射光路经过所述折光元件(33)与所述三路干涉信号的参考光中的两路平行干涉，形成两路测量干涉信号。
8.根据权利要求5所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述干涉仪镜组(3)中各组件之间邻接固定，集成为一体化结构。
9.根据权利要求5所述的光栅干涉测量***，其特征在于，所述折光元件(33)截面为等腰梯形，所述测量光经梯形两侧透射时发生折射，经梯形顶部透射时发生反射。
10.根据权利要求1所述的光栅干涉测量***，其中，所述干涉测量***还包括声光调制器(2)，用于对分束后的单频激光进行移频。
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