CN116428966A - 一种三自由度激光干涉测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三自由度激光干涉测量装置，包括：依次设置的激光发射模块、激光分束模块、干涉信号生成模块和信号处理模块，干涉信号生成模块包括并行设置的第一、第二干涉信号生成模块；激光发射模块发射激光光束；激光分束模块将激光光束分为频率不同的两个子光束；两个子光束进入第一干涉信号生成模块的两个空间分离光路，分别得到第一测量光和第一参考光并形成第一干涉信号；两个子光束同时进入第二干涉信号生成模块的两个空间分离光路，分别得到第二测量光和第二参考光并形成第二干涉信号；信号处理模块对第一、第二干涉信号进行处理得到待测目标的俯仰角、偏航角和纵向位移。本发明能显著降低光学非线性误差，得到高精度的三自由度值。
Description
技术领域
本发明属于精密测量技术领域，尤其是涉及一种三自由度激光干涉测量装置。
背景技术
测量是一切科学研究和工业生产的基础，精密测量是指以毫米级或更高精度进行的测量。随着纳米级超精密加工技术的兴起，对超精密检测的精度提出了新的挑战，纳米级甚至亚纳米级的测量精度要求，使得传统的接触式测量技术因为实时性较差，容易损坏测量元件等缺陷无法胜任。
激光干涉位移测量技术是一种以激光波长为标尺，通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术，它因具有非接触、高精度、高动态、测量结果可直接溯源等特点被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、精密运动测试与高端装备集成等场合。
但在实际测量过程中，待测目标并不能做理想的单轴运动，其运动过程中往往伴随着姿态变化和横向位移，由此引起的测量误差会极大地限制单自由度激光干涉仪的测量精度。为了解决这一问题，激光干涉测量装置从单自由度位移测量向三自由度位移-角度同步测量的方向发展，但现有激光干涉测量装置中光学元件繁多、结构复杂、调装难度大。
发明内容
本发明的目的是提供一种三自由度激光干涉测量装置，以解决现有现有激光干涉测量装置中光学元件繁多、结构复杂、调装难度大的技术问题。
本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：
一种三自由度激光干涉测量装置，包括：
依次设置的激光发射模块、激光分束模块、干涉信号生成模块和信号处理模块，所述干涉信号生成模块与所述信号处理模块通信连接，所述干涉信号生成模块包括并行设置的第一干涉信号生成模块和第二干涉信号生成模块；
其中，所述激光发射模块发射激光光束至所述激光分束模块；
所述激光分束模块将所述激光光束分为频率不同的第一子光束和第二子光束并入射至所述第一干涉信号生成模块和所述第二干涉信号生成模块；
所述第一干涉信号生成模块包括第一光电探测器、光路空间分离的第一子光路和第二子光路，所述第一子光路、所述第二子光路并行设置在所述第一光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第一子光路上形成第一测量光，所述第二子光束在所述第二子光路上形成第一参考光，所述第一参考光和所述第一测量光在所述第一光电探测器上进行干涉形成第一干涉信号；
所述第二干涉信号生成模块包括第二光电探测器、光路空间分离的第三子光路和第四子光路，所述第三子光路、所述第四子光路并行设置在所述第二光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第三子光路上形成第二测量光，所述第二子光束在所述第四子光路上形成第二参考光，所述第二参考光和所述第二测量光在所述第二光电探测器上进行干涉形成第二干涉信号；
所述信号处理模块将所述第一干涉信号转换为干涉测量过程中的噪声本底，利用所述噪声本底对所述第二干涉信号转换后的电压信号进行噪声补偿，最终得到待测目标的俯仰角、偏航角和纵向位移。
可选地，所述激光分束模块包括：
第一分光棱镜、第一声光移频器、第二声光移频器、第一反射镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一准直透镜和第二准直透镜；
其中，第一声光移频器和所述第一反射镜对应设置在所述第一分光棱镜的后面，所述第一光纤耦合器、所述第一准直透镜依次设置在所述第一声光移频器的后面，所述第二声光移频器、所述第二光纤耦合器、所述第二准直透镜依次设置在所述第一反射镜的后面；
所述第一分光棱镜将所述激光光束分为互相垂直的反射光和透射光，所述第一声光移频器对所述透射光进行移频，所述第一光纤耦合器对移频后的透射光进行耦合，所述第一准直透镜将耦合后的透射光变为平行光并作为第一子光束；所述第一反射镜将所述反射光反射至所述第二声光移频器，所述第二声光移频器对所述反射光进行移频，所述第二光纤耦合器对移频后的反射光进行耦合，所述第二准直透镜将耦合后的反射光变为平行光并作为第二子光束。
可选地，所述第一子光路包括：
对应设置的第二分光棱镜和第二反射镜，所述第一子光束依次经所述第二分光棱镜反射、所述第二反射镜反射后到达所述第一光电探测器形成第一测量光。
可选地，所述第一反射镜为45°反射镜。
可选地，所述第二子光路包括：
垂直设置的第三分光棱镜和第四分光棱镜，所述第二子光束依次经所述第三分光棱镜、所述第四分光棱镜反射后到达所述第一光电探测器形成第一参考光。
可选地，所述第三子光路包括：
固定在所述待测目标上的目标反射镜和第二分光棱镜，所述第一子光束依次经所述目标反射镜反射、所述第二分光棱镜反射后到达所述第二光电探测器形成第二测量光。
可选地，所述第四子光路包括：
第五分光棱镜，所述第二子光束经所述第五分光棱镜反射后到达所述第二光电探测器形成第二参考光。
可选地，所述信号处理模块包括：
第一光电转换单元、第二光电转换单元、可调增益控制单元、依次设置在所述可调增益控制单元后面的抗混叠滤波单元、AD采样单元、数字相位计、三自由度解算单元；
其中，所述第一光电转换单元与所述第一光电探测器、所述可调增益控制单元连接，所述第二光电转换单元与所述第二光电探测器、所述可调增益控制单元连接，所述可调增益控制单元与所述第一光电转换单元、所述第二光电转换单元、抗混叠滤波单元均连接；
所述第一光电转换单元将所述第一干涉信号转换为干涉测量过程中的噪声本底，所述第二光电转换单元将所述第二干涉信号转换为电压信号，所述可调增益控制单元根据所述噪声本底对所述电压信号进行噪声补偿并输出固定强度的信号，所述抗混叠滤波单元用于滤除干扰信号，所述AD采样单元用于将采集的模拟信号转换为数字信号，所述数字相位计用于根据所述数字信号得到相位信息，所述三自由度解算单元根据所述相位信息得到所述待测目标的所述俯仰角、所述偏航角和所述纵向位移。
可选地，所述第二光电探测器为四象限光电探测器。
可选地，所述激光发射模块为稳频激光器。
本发明提供了一种三自由度激光干涉测量装置，包括：依次设置的激光发射模块、激光分束模块、干涉信号生成模块和信号处理模块，所述干涉信号生成模块与所述信号处理模块通信连接，所述干涉信号生成模块包括并行设置的第一干涉信号生成模块和第二干涉信号生成模块；其中，所述激光发射模块发射激光光束至所述激光分束模块；所述激光分束模块将所述激光光束分为频率不同的第一子光束和第二子光束并入射至所述第一干涉信号生成模块和所述第二干涉信号生成模块；所述第一干涉信号生成模块包括第一光电探测器、光路空间分离的第一子光路和第二子光路，所述第一子光路、所述第二子光路并行设置在所述第一光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第一子光路上形成第一测量光，所述第二子光束在所述第二子光路上形成第一参考光，所述第一参考光和所述第一测量光在所述第一光电探测器上进行干涉形成第一干涉信号；所述第二干涉信号生成模块包括第二光电探测器、光路空间分离的第三子光路和第四子光路，所述第三子光路、所述第四子光路并行设置在所述第二光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第三子光路上形成第二测量光，所述第二子光束在所述第四子光路上形成第二参考光，所述第二参考光和所述第二测量光在所述第二光电探测器上进行干涉形成第二干涉信号；所述信号处理模块将所述第一干涉信号转换为干涉测量过程中的噪声本底，利用所述噪声本底对所述第二干涉信号转换后的电压信号进行噪声补偿，最终得到待测目标的俯仰角、偏航角和纵向位移。
有鉴如此，本发明带来的有益效果是：
本发明利用激光分束模块将激光发射模块发射的激光光束分为频率不同的两个子光束，利用双频激光来进行干涉测量，抗干扰能力更强；干涉信号生成模块包括并行设置的第一、第二干涉信号生成模块，第一干涉信号生成模块中形成第一测量光的第一子光路和形成第一参考光的第二子光路在空间上相互分离，第一测量光和第一参考光进行干涉得到第一干涉信号；第二干涉信号生成模块中形成第二测量光的第三子光路和形成第二参考光的第四子光路在空间上相互分离，第二测量光和第二参考光进行干涉得到第二干涉信号，通过光路空间分离的方式显著降低了光学非线性误差；信号处理模块利用第一干涉信号转换得到的噪声本底对第二干涉信号进行噪声补偿，得到待测目标高精度的俯仰角、偏航角和纵向位移。本发明中的光学元件较少、结构简单紧凑、易于调装，同时还具备有效抑制非线性误差、干涉测量噪声自补偿、多自由度同时测量等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明实施例的三维示意图；
其中，稳频激光器-1、第一分光棱镜-2、第一声光移频器-3、第一光纤耦合器-4、第一光电转换单元-5、第一光电探测器-6、第一准直透镜-7、第四分光棱镜-8、第二反射镜-9、第二分光棱镜-10、可移动的目标反射镜-11、第五分光棱镜-12、第二光电探测器-13、第三分光棱镜-14、第二光电转换单元-15、第二准直透镜-16、可调增益控制单元-17、抗混叠滤波单元-18、第二光纤耦合器-19、AD采样单元-20、数字相位计-21、三自由度解算单元-22、第一反射镜-23、第二声光移频器-24。
具体实施方式
本发明实施例提供了三自由度激光干涉测量装置，以解决现有现有激光干涉测量装置中光学元件繁多、结构复杂、调装难度大的技术问题。
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
激光干涉仪可分为单频激光干涉仪和双频激光干涉仪，单频激光干涉仪干涉信号容易受光功率变化和环境波动影响，且存在直流漂移问题，而双频激光干涉仪采用双频光源使得输出信号成为交流信号，直接消除了单频激光干涉仪中直流漂移引起的误差，提高了抗干扰能力，但采用双频光源又会引入光学非线性误差，非线性误差主要来源于激光光源椭偏化、非正交化引起的频率混叠、分光棱镜偏振泄露引起的偏振混叠以及光学虚反射。光束空间分离是抑制双频激光干涉仪非线性误差的方法之一，将不同频率的光在空间上的路径分离开来，可以从根源上消除频率混叠和偏振混叠，从而极大程度减小光学非线性误差。
在实际测量过程中，待测目标并不能做理想的单轴运动，其运动过程中往往伴随着姿态变化和横向位移，由此引起的纵向位移测量误差会极大地限制单自由度激光干涉仪的测量精度。为了解决这一问题，同时满足对各种微型构件、复杂表面、微电子器件和精密光学元件的高精度测量，激光干涉测量装置从单自由度位移测量向三自由度位移-角度同步测量的方向发展，通过测量待测目标的二维角度信息对位移测量结果进行修正，进一步提高测量精度。
本发明的目的是针对现有的多自由度高精度外差激光干涉仪的不足，提出一种具有空间分离光路与噪声补偿的高精度三自由度激光干涉测量装置，以达到综合提高外差激光干涉仪测量精度的目的。
请参阅图1，本发明提供了一种三自由度激光干涉测量装置的实施例，包括：
依次设置的激光发射模块、激光分束模块、干涉信号生成模块和信号处理模块，所述干涉信号生成模块与所述信号处理模块通信连接，所述干涉信号生成模块包括并行设置的第一干涉信号生成模块和第二干涉信号生成模块；
其中，所述激光发射模块发射激光光束至所述激光分束模块；
所述激光分束模块将所述激光光束分为频率不同的第一子光束和第二子光束并入射至所述第一干涉信号生成模块和所述第二干涉信号生成模块；
所述第一干涉信号生成模块包括第一光电探测器、光路空间分离的第一子光路和第二子光路，所述第一子光路、所述第二子光路并行设置在所述第一光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第一子光路上形成第一测量光，所述第二子光束在所述第二子光路上形成第一参考光，所述第一参考光和所述第一测量光在所述第一光电探测器上进行干涉形成第一干涉信号；
所述第二干涉信号生成模块包括第二光电探测器、光路空间分离的第三子光路和第四子光路，所述第三子光路、所述第四子光路并行设置在所述第二光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第三子光路上形成第二测量光，所述第二子光束在所述第四子光路上形成第二参考光，所述第二参考光和所述第二测量光在所述第二光电探测器上进行干涉形成第二干涉信号；
所述信号处理模块将所述第一干涉信号转换为干涉测量过程中的噪声本底，利用所述噪声本底对所述第二干涉信号转换后的电压信号进行噪声补偿，最终得到待测目标的俯仰角、偏航角和纵向位移。
本实施例提供的三自由度激光干涉测量装置，是一种具有空间分离光路和噪声补偿的高精度三自由度激光干涉测量装置。该装置包含：依次设置的激光发射模块、激光分束模块、干涉信号生成模块和信号处理模块；其中，激光发射模块可以为稳频激光器，激光分束模块可以包括：第一分光棱镜2、第一声光移频器3、第一反射镜23、第二声光移频器24、第一光纤耦合器4、第二光纤耦合器19、第一准直透镜7和第二准直透镜16；
其中，第一声光移频器3和所述第一反射镜23对应设置在所述第一分光棱镜2的后面，所述第一光纤耦合器4、所述第一准直透镜7依次设置在所述第一声光移频器3的后面，所述第二声光移频器24、所述第二光纤耦合器19、所述第二准直透镜16依次设置在所述第一反射镜23的后面；
所述第一分光棱镜2将所述激光光束分为互相垂直的反射光和透射光，所述第一声光移频器3对所述透射光进行移频，所述第一光纤耦合器4对移频后的透射光进行耦合，所述第一准直透镜7将耦合后的透射光变为平行光并作为第一子光束；所述第一反射镜23将所述反射光反射至所述第二声光移频器24，所述第二声光移频器24对所述反射光进行移频，所述第二光纤耦合器19对移频后的反射光进行耦合，所述第二准直透镜16将耦合后的反射光变为平行光并作为第二子光束。
具体地，稳频激光器1发出频率为f0的激光光束，该激光光束经过第一分光棱镜2分为两束互相垂直的反射光和透射光；其中，经第一分光棱镜2透射的激光(透射光)经第一声光移频器3移频后频率为f0+f1，f1为第一声光移频器3的移频量，移频后的激光耦合进第一光纤耦合器4，之后回到自由空间作为信号光，信号光经过第一准直透镜7变为平行光束并作为第一子光束。经第一分光棱镜2反射的激光光束(即反射光)经第一反射镜23反射，又经第二声光移频器24移频后频率为f0+f2，f2为第二声光移频器24的移频量，移频后的激光耦合进第二光纤耦合器19，之后回到自由空间作为本振光，本振光经过第二准直透镜16变为平行光束并作为第二子光束。
需要说明的是，稳频激光发出的是单一频率激光，本装置中双频激光是将稳频激光器发出的单频光分束后分别经过第一和第二声光移频器实现的(第一声光移频器和第二声光移频器的移频量不同，即f1≠f2)。
需要说明的是，自由空间是相对于光纤内部空间而言的，激光经光纤耦合器进入光纤，然后再回到自由空间；本振光最终形成参考光(第一参考光或第二参考光)，信号光最终形成测量光(第一测量光或第二测量光)，第一参考光与第一测量光形成第一拍频信号(即第一干涉信号)，将第一拍频信号进行光电转换得到噪声本底，第二参考光与第二测量光形成第二拍频信号(即第二干涉信号)。
本实施例中，第一干涉信号生成模块包括第一光电探测器6、光路空间分离的第一子光路和第二子光路，第一子光路、第二子光路并行设置在第一光电探测器6的前面，第一子光束在第一子光路上传播并形成第一测量光，第二子光束在第二子光路上传播并形成第一参考光，第一参考光和第一测量光在第一光电探测器6上进行干涉形成频率为|f2-f1|的第一干涉信号。
在本发明的一个实施例中，第一子光路可以包括：对应设置的第二分光棱镜10和第二反射镜9，第一子光束依次经第二分光棱镜10反射、第二反射镜9反射后到达第一光电探测器6形成第一测量光。
第二子光路可以包括：垂直设置的第三分光棱镜14和第四分光棱镜8，第二子光束依次经第三分光棱镜14反射、第四分光棱镜8反射后到达第一光电探测器6形成第一参考光。
需要说明的是，本实施例中的第一反射镜、第二反射镜的反射面均与其入射光线和反射光线呈45°放置。
本实施例中，第二干涉信号生成模块包括第二光电探测器13、光路空间分离的第三子光路和第四子光路，第三子光路、第四子光路并行设置在第二光电探测器13的前面，第一子光束在第三子光路上传播并形成第二测量光，第二子光束在第四子光路上传播并形成第二参考光，第二参考光和第二测量光在第二光电探测器13上进行干涉形成频率为|f2-f1|的第二干涉信号。
本实施例中，第三子光路包括：固定在待测目标上的目标反射镜11和第二分光棱镜10，第一子光束依次经目标反射镜11反射、第二分光棱镜10反射后到达第二光电探测器13形成第二测量光。
第四子光路可以包括：第五分光棱镜12，第二子光束经第五分光棱镜12反射后到达第二光电探测器13形成第二参考光。
在本发明的一个实施例中，信号处理模块可以包括：
第一光电转换单元5、第二光电转换单元15、可调增益控制单元17、依次设置在所述可调增益控制单元后面的抗混叠滤波单元18、AD采样单元20、数字相位计21、三自由度解算单元22；
其中，第一光电转换单元5与第一光电探测器6、可调增益控制单元17连接，第二光电转换单元15与第二光电探测器13、可调增益控制单元17连接，可调增益控制单元17与第一光电转换单元5、第二光电转换单元15、抗混叠滤波单元18均连接；
第一光电转换单元5将第一干涉信号转换为干涉测量过程中的噪声本底，第二光电转换单元15将第二干涉信号转换为电压信号，可调增益控制单元17根据所述噪声本底对电压信号进行噪声补偿并输出固定强度的信号，所述抗混叠滤波单元18用于滤除干扰信号，AD采样单元20用于将采集的模拟信号转换为数字信号，数字相位计21用于根据数字信号得到相位信息，三自由度解算单元22根据相位信息得到待测目标的俯仰角、偏航角和纵向位移。
本实施例中，第一光电探测器6可以为四象限光电探测器或单象限光电探测器，第二光电探测器13可以为四象限光电探测器。由于第二光电探测器13是基于差分波前传感技术测量目标反射镜的偏航角和俯仰角这两个二维角度，需用四象限光电探测器，单象限光电探测器无法测量角度。
需要说明的是，可调增益控制单元17是可变增益放大器，其作用在于将不同强度的干涉信号转换为固定强度的信号输出；三自由度解算单元22的功能是将数字相位计输出的相位信息转换为二维角度信息和纵向位移信息。
本实施例提供的三自由度激光干涉测量装置，利用激光分束模块将激光发射模块发射的激光光束分为频率不同的两个子光束，利用双频激光来进行干涉测量，抗干扰能力更强；干涉信号生成模块包括并行设置的第一、第二干涉信号生成模块，第一干涉信号生成模块中形成第一测量光的第一子光路和形成第一参考光的第二子光路在空间上相互分离，第一测量光和第一参考光进行干涉得到第一干涉信号；第二干涉信号生成模块中形成第二测量光的第三子光路和形成第二参考光的第四子光路在空间上相互分离，第二测量光和第二参考光进行干涉得到第二干涉信号，通过光路空间分离的方式显著降低了光学非线性误差；信号处理模块利用第一干涉信号转换得到的噪声本底对第二干涉信号进行噪声补偿，得到待测目标高精度的俯仰角、偏航角和纵向位移。本发明中的光学元件较少、结构简单紧凑、易于调装，同时还具备有效抑制非线性误差、干涉测量噪声自补偿、多自由度同时测量等优点。
请参阅图2，本发明提供了一种三自由度激光干涉测量装置的另一实施例，包括：
稳频激光器1、第一分光棱镜2、第一反射镜23、第一声光移频器3、第一光纤耦合器4、第一准直透镜7、目标反射镜11、第二分光棱镜10、第三分光棱镜14、第一光电探测器6、第二声光移频器24、第二光纤耦合器19、第二准直透镜16、第四分光棱镜8、第二反射镜9、第一光电转换单元5、第五分光棱镜12、第二光电探测器13、第二光电转换单元15、可调增益控制单元17、抗混叠滤波单元18、AD采样单元20、数字相位计21和三自由度解算单元22；
其中，稳频激光器1、第一分光棱镜2、第一反射镜23、第一声光移频器3、第一光纤耦合器4、第一准直透镜7、第二分光棱镜10、第三分光棱镜14、第一光电探测器6、第二声光移频器24、第二光纤耦合器19、第二准直透镜16、第四分光棱镜8、第二反射镜9构成参考干涉仪；稳频激光器1、第一分光棱镜2、第一反射镜23、第一声光移频器3、第一光纤耦合器4、第一准直透镜7、目标反射镜11、第二分光棱镜10、第二光电探测器13、第二声光移频器24、第二光纤耦合器19、第二准直透镜16、第四分光棱镜8构成测量干涉仪。
本实施例中，稳频激光器1发出频率为f0的激光经过第一分光棱镜2分为两束，经第一分光棱镜2反射的激光经第一反射镜23反射，又经第二声光移频器24移频后频率为f0+f2，激光耦合进第二光纤耦合器19，之后回到自由空间作为本振光，本振光经过第二准直透镜16变为平行光束，之后经第二分光棱镜14反射和第四分光棱镜8反射到达第一光电探测器6，作为参考干涉仪的参考光；经第一分光棱镜2透射的激光经第一声光移频器3移频后频率为f0+f1，激光耦合进第一光纤耦合器4，之后回到自由空间作为信号光，信号光经过第一准直透镜变为平行光束，之后经第二分光棱镜10反射和第二反射镜9反射到达第一光电探测器6，作为参考干涉仪的测量光，参考光与测量光在第一光电探测器6上形成频率为|f2-f1|的拍频信号，经第一光电转换单元5得到干涉测量过程中的噪声本底；参考干涉仪中的参考光和测量光在干涉测量过程中各自经过不同的光学元件，参考光路与测量光路在空间上相互分离。
同时，本振光经过第二准直透镜16变为平行光束后，经过第三分光棱镜14反射到达第二光电探测器13，或依次经第三分光棱镜14透射、第五分光棱镜12反射后到达第二光电探测器13，作为测量干涉仪的参考光；信号光经过第一准直透镜7变为平行光束，之后经过可移动的目标反射镜11反射、第二分光棱镜10反射到达第二光电探测器13，作为测量干涉仪的测量光；参考光和测量光在第二光电探测器13上形成频率为|f2-f1|的拍频信号，基于差分波前传感技术，经第二光电转换单元15、可调增益控制单元17、抗混叠滤波单元18、AD采样单元20、数字相位计21和三自由度解算单元22处理后得到目标反射镜11的二维偏转角度和纵向位移三个自由度的测量量。测量干涉仪中的参考光和测量光在干涉测量过程中各自经过不同的光学元件，参考光路和测量光路在空间上相互分离。
信号处理模块在处理干涉信号的过程中，利用第二光电转换单元15将测量干涉仪得到的干涉信号转换成电压信号，利用参考干涉仪测得的干涉仪噪声本底对该电压信号进行噪声补偿，最终得到目标反射镜的高精度三自由度测量结果。由于目标反射镜是固定在待测物体上的，因此，测得目标反射镜的三自由度信息即为待测物体的三自由度信息。
需要说明的是，干涉信号即测量光与参考光发生干涉在光电探测器上形成的信号，等同于拍频信号，参考干涉仪中的测量光与参考光发生干涉在第一光电探测器上形成一个干涉信号，测量干涉仪中的测量光与参考光发生干涉在第二光电探测器上也形成一个干涉信号。
需要说明的是，本发明中的第一、第二、第三、第四和第五分光棱镜可为普通分光棱镜或消偏振分光棱镜；本发明对于分光棱镜的尺寸和分光比没有特殊要求，但偏振分光棱镜不适用于本发明。
在本发明中，第一、第二反射镜及第一、第二、第三、第四、第五分光棱镜反射面均与除经目标反射镜反射的光线外的入射光线呈45°；本发明对于反射镜和分光棱镜的位置没有严格要求，只需满足参考干涉仪的参考光与测量光以及测量干涉仪的参考光均正入射至第一、第二光电探测器中心即可。
本实施例中，所述第一光电探测器6可为四象限光电探测器或单象限光电探测器，第二光电探测器13为四象限光电探测器。
在干涉信号处理中，利用参考干涉仪测得的干涉仪噪声本底对测量干涉仪的干涉信号进行噪声补偿，最终得到目标反射镜的高精度三自由度测量结果。
本实施例提供的三自由度激光干涉测量装置，采用抗干扰能力更强的双频激光干涉测量方法，并且通过光路空间分离的方式从根源上消除了光学非线性误差；通过参考干涉仪测得的干涉仪噪声本底对测量干涉仪的测量结果进行噪声补偿；基于差分波前传感技术测量目标反射镜的高精度二维角度信息；本发明涉及光学元件较少，结构紧凑，易于调装。
与现有的激光干涉测量***相比，本发明装置同时具备了有效抑制非线性误差、干涉测量噪声自补偿、结构简单紧凑、多自由度同时测量等优点。
本发明具备以下特点和优势：
(1)本发明中，参考干涉仪和测量干涉仪的参考光和测量光在空间上是分离的，这从根源上消除了激光光源椭偏化、非正交化引起的频率混叠和分光棱镜偏振泄露引起的偏振混叠，从而显著降低了光学非线性误差。
(2)本发明中，参考干涉仪用于测量该三自由度激光干涉测量装置自身的噪声本底，对参考干涉仪测得的目标反射镜三自由度运动信息进行噪声补偿，进一步提高测量精度。
(3)本发明中，测量干涉仪中信号接收端采用四象限光电探测器，可同时测量目标反射镜的纵向位移信息和二维角度偏转信息。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，包括：
依次设置的激光发射模块、激光分束模块、干涉信号生成模块和信号处理模块，所述干涉信号生成模块与所述信号处理模块通信连接，所述干涉信号生成模块包括并行设置的第一干涉信号生成模块和第二干涉信号生成模块；
其中，所述激光发射模块发射激光光束至所述激光分束模块；
所述激光分束模块将所述激光光束分为频率不同的第一子光束和第二子光束并入射至所述第一干涉信号生成模块和所述第二干涉信号生成模块；
所述第一干涉信号生成模块包括第一光电探测器、光路空间分离的第一子光路和第二子光路，所述第一子光路、所述第二子光路并行设置在所述第一光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第一子光路上形成第一测量光，所述第二子光束在所述第二子光路上形成第一参考光，所述第一参考光和所述第一测量光在所述第一光电探测器上进行干涉形成第一干涉信号；
所述第二干涉信号生成模块包括第二光电探测器、光路空间分离的第三子光路和第四子光路，所述第三子光路、所述第四子光路并行设置在所述第二光电探测器的前面，所述第一子光束在所述第三子光路上形成第二测量光，所述第二子光束在所述第四子光路上形成第二参考光，所述第二参考光和所述第二测量光在所述第二光电探测器上进行干涉形成第二干涉信号；
所述信号处理模块将所述第一干涉信号转换为干涉测量过程中的噪声本底，利用所述噪声本底对所述第二干涉信号转换后的电压信号进行噪声补偿，最终得到待测目标的俯仰角、偏航角和纵向位移。
2.根据权利要求1所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述激光分束模块包括：
第一分光棱镜、第一声光移频器、第二声光移频器、第一反射镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第一准直透镜和第二准直透镜；
其中，第一声光移频器和所述第一反射镜对应设置在所述第一分光棱镜的后面，所述第一光纤耦合器、所述第一准直透镜依次设置在所述第一声光移频器的后面，所述第二声光移频器、所述第二光纤耦合器、所述第二准直透镜依次设置在所述第一反射镜的后面；
所述第一分光棱镜将所述激光光束分为互相垂直的反射光和透射光，所述第一声光移频器对所述透射光进行移频，所述第一光纤耦合器对移频后的透射光进行耦合，所述第一准直透镜将耦合后的透射光变为平行光并作为第一子光束；所述第一反射镜将所述反射光反射至所述第二声光移频器，所述第二声光移频器对所述反射光进行移频，所述第二光纤耦合器对移频后的反射光进行耦合，所述第二准直透镜将耦合后的反射光变为平行光并作为第二子光束。
3.根据权利要求2所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述第一反射镜为45°反射镜。
4.根据权利要求1所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述第一子光路包括：
对应设置的第二分光棱镜和第二反射镜，所述第一子光束依次经所述第二分光棱镜反射、所述第二反射镜反射后到达所述第一光电探测器形成第一测量光。
5.根据权利要求1所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述第二子光路包括：
垂直设置的第三分光棱镜和第四分光棱镜，所述第二子光束依次经所述第三分光棱镜反射、所述第四分光棱镜反射后到达所述第一光电探测器形成第一参考光。
6.根据权利要求1所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述第三子光路包括：
固定在所述待测目标上的目标反射镜和第二分光棱镜，所述第一子光束依次经所述目标反射镜反射、所述第二分光棱镜反射后到达所述第二光电探测器形成第二测量光。
7.根据权利要求1所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述第四子光路包括：
第五分光棱镜，所述第二子光束经所述第五分光棱镜反射后到达所述第二光电探测器形成第二参考光。
8.根据权利要求1所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述信号处理模块包括：
第一光电转换单元、第二光电转换单元、可调增益控制单元、依次设置在所述可调增益控制单元后面的抗混叠滤波单元、AD采样单元、数字相位计、三自由度解算单元；
其中，所述第一光电转换单元与所述第一光电探测器、所述可调增益控制单元连接，所述第二光电转换单元与所述第二光电探测器、所述可调增益控制单元连接，所述可调增益控制单元与所述第一光电转换单元、所述第二光电转换单元、抗混叠滤波单元均连接；
所述第一光电转换单元将所述第一干涉信号转换为干涉测量过程中的噪声本底，所述第二光电转换单元将所述第二干涉信号转换为电压信号，所述可调增益控制单元根据所述噪声本底对所述电压信号进行噪声补偿并输出固定强度的信号，所述抗混叠滤波单元用于滤除干扰信号，所述AD采样单元用于将采集的模拟信号转换为数字信号，所述数字相位计用于根据所述数字信号得到相位信息，所述三自由度解算单元根据所述相位信息得到所述待测目标的所述俯仰角、所述偏航角和所述纵向位移。
9.根据权利要求1所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述第二光电探测器为四象限光电探测器。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的三自由度激光干涉测量装置，其特征在于，所述激光发射模块为稳频激光器。
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| CN202310443051.0A CN116428966A (zh) | 2023-04-21 | 2023-04-21 | 一种三自由度激光干涉测量装置 |
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