CN205679196U - 一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置，属于光学测量技术领域。所述***由低相干光光源、高相干光光源、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、分光片、补偿板、接收器、额外补偿板组成。采用一套干涉装置，同时通以三路光路，低相干光光路作为绝对测量时的定标作用，第一高相干光光路起着精密测量位移的功能，第二高相干光光路测量环境因素导致的光程改变量以消除测量误差。该实用新型结构简单，使用方便，能有效消除机械传动装置的双向传动误差或压电陶瓷促动器的非线性及温度，气流，震动等环境因素对测量的影响，并降低仪器制造和测量成本实现精密测量。

Description

一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置

技术领域

本实用新型涉及光学测量技术领域，特别是涉及一种基于迈克尔逊干涉仪原理的复合干涉绝对位移测量装置。

背景技术

各种光学精密绝对位移测量仪已广泛应用于生产和科研领域。在光学绝对距离测量方面常常需要给测量装置找到两个标定点，以确定测量的起点与终点。在传统的迈克尔逊干涉仪中，进行绝对距离测量常常使用低相干光干涉的条纹作为标定点。而这两标定点的绝对距离测量常由机械齿轮带动的转盘的累加读数的差值确定。而近年来，还出现了由压电陶瓷驱动器代替机械传动装置的改进型迈克尔逊干涉仪以进行更精密的测量。其进行绝对距离测量时，同样使用低相干光干涉的条纹作为标定点。而距离的值则由加在压电陶瓷促动器两端的电压根据其“位移—电压”模型反推确定。

上述现有技术存在的问题和不足是：

1.机械传动装置常常给测量带来双向传动误差，同时也由于双向传动误差的影响，测量时只能沿一个方向转动鼓轮，不能来回转动，影响测量的便捷性。

2.压电陶瓷传动装置受制于其物理结构使其位移量程短，同时其固有的蠕变性和迟滞性会带来较大的误差，且其“位移—电压”模型需要定期重构。

3.没有有效的误差消除机制，受环境因素影响较大，不能有效消除由温度，气流，震动等环境因素导致的误差影响。

发明内容

为了克服现有测量技术的不足，本实用新型提供了一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置。该***从根本上消除了机械式传动装置的双向传动误差对测量的影响，也能消除压电陶瓷的蠕变性和迟滞性带来的非线性影响，并且不需要定期重构其“位移—电压”模型，同时测量仪器大部分结构使用了几乎共光路的设计能有效消除环境等因素造成的测量误差。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置，由低相干光光源、高相干光光源、第一平面镜、第二平面镜、第三平面镜、分光片、补偿板、接收器、位移轨道及按需添加的额外补偿板。本实用新型可由原迈克尔逊干涉仪改进得到，采用一套干涉装置，同时通以三路互不重叠和干扰的光路 ，其中一路是原有的低相干光光路，作为提供绝对测量时的定标作用，两路高相干光光路，而第一高相干光光路起着精密测量和读取距离的功能，即将原由机械传动装置或压电陶瓷驱动装置的测量读数功能转移到新增的第一高相干光光路中，第二高相干光光路测量环境因素导致的光程改变量用以消除测量误差。下面更详细介绍该测量装置：

首先，第二平面镜和第三平面镜同向平行放置，其中第二平面镜安置在位移轨道上的滑块上，能在位移轨道上自由滑动，而第三平面镜固定在位移轨道上，故第二平面镜的滑动不影响第三平面镜，当轨道受到环境干扰影响到第二平面镜时，第三平面镜也能受到同样的干扰。高相干光光源和低相干光光源同向放置，其中高相干光经分束后分成两束平行光，三束光束相互平行且互不重叠，并与其前方的分光片表面的法线成45°角。补偿板放置在分光片透射光出来的一侧，并与分光片平行。三平行光束打到分光片不同的三个位置，分光片把这三束光分成了两路光束，一路反射光束，一路透射光束，每一路光束都包含一束低相干光和两束高相干光，其中一路反射光束经过第一平面镜垂直反射后又从分光片透射出。另一路透射光束中的低相干光光束和第一高相干光光束经过补偿板后经第二平面镜垂直反射，又经补偿板后返回到分光片表面处。而透射光束中的第二高相干光光束经过补偿板后经第三平面镜垂直反射，又经补偿板后返回到分光片表面处。三束光由于反射而与第一路光束中的各光束分别汇合成三束干涉光，即第一高相干光和第一高相干光汇合，第二高相干光和第二高相干光汇合，低相干光和低相干光汇合。作为对测量装置的优化，因高相干光干涉在等倾干涉下，绝对零光程差时干涉条纹为一个亮斑，可以根据测量需求在高相干光的第一高相干光路和第二高相干光路中添加一块额外补偿板，或者把补偿板在第一高相干光路和第二高相干光路的部分去掉，以起到在测量时不让高相干光光路达到零光程差的作用，使整个测量过程保持两高相干光干涉信号的清晰可辨。调节第二平面镜和第三平面镜，使两平面镜达到平行状态，再调节第一平面镜，当第一平面镜和第二平面镜所在低相干光光路的光程一样时，汇合后的三束光因符合相干条件而发生干涉。最后三束光产生的干涉信息会被接收器分别接收，此时低相干光的干涉信号达到最强记为标定点1。

改变第一平面镜和第二平面镜所在光路的任一低相干光光路的光程，则由于两平面镜所在低相干光光路的光程不一致，低相干光干涉信号强度将会减弱，而第一高相干光仍有清晰的干涉信号。此时再移动第一平面镜和第二平面镜中的任一平面镜，使两平面镜所在低相干光光路的光程差逐渐减小直至低相干光干涉信号恢复到最强，此时记为标定点2。标定点1和标定点2确定了位移的绝对距离，而在低相干光干涉信号从标定点1到标定点2的变化过程中，接收器同时也接收了第一高相干光的干涉信号的改变。记录从标定点1到标定点2的第一高相干光干涉条纹改变数记为N,进一步的，N为整个测量过程中向前移动条纹总数与向后移动条纹总数之差的绝对值。与此同时，从标定点1到标定点2的测量过程中，若受到环境的干扰，环境的干扰不但包括轨道所在的光路部分，还包括整个仪器的其他光路部分。因为整个装置几乎是共光路的，故当第一高相干光的干涉信号受到影响时，这种影响也会出现在第二高相干光的干涉信号上，用接收器接收并计数条纹改变量记为n,进一步的，n为整个测量过程中向前移动条纹总数与向后移动条纹总数之差的绝对值。当此误差是使测量值偏大时，则消除误差后的测量值为X=|N|-|n|，若此误差是使测量值偏小，则消除误差后的测量值为X=|N|+|n|，误差使测量值偏大还是偏小可由第二高相干光和第一高相干光干涉条纹的总体的移动方向来判定。再由公式Δd =X*（λ/2）即可求出平面镜位移量，其中λ为所用高相干光的波长。从而实现了在迈克尔逊干涉仪上利用低相干光定标，第一高相干光测量位移，第二高相干光测量误差的功能。

一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置，其特征在于：环境的干扰不但包括轨道(M)所在的光路部分，还包括整个仪器的其他光路部分。当温度，气流，震动等环境因素干扰到测量仪器时，第二高相干干涉光路能够检测出这些干扰。而第一高相干干涉信号测出来的包含误差因素的测量值应是整个测量过程中向前移动条纹总数与向后移动条纹总数之差的绝对值；同样的，第二高相干干涉信号测出来的误差值应是整个测量过程中向前移动条纹总数与向后移动条纹总数之差的绝对值。用第一高相干干涉信号测出来的包含误差因素的测量值加上或者减去由第二高相干干涉信号测出来的误差值，取绝对值后，经简单计算即可得到消除误差后的决定被测位移的干涉条纹数值。两值相减还是相加可由第二高相干光和第一高相干光干涉条纹的总体的移动方向来判定。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是:

1.本实用新型，利用低相干光干涉信号确定位移的前后两次定标，利用高相干光干涉信号测量两定标点的位移的数值。并使测量结果不受传动装置或促动器的固有缺陷导致的双向传动误差或非线性等的影响，并有误差测量光路，有效避免环境因素的干扰，故能得到精度更高的测量值。

2. 该实用新型可以在现有迈克尔逊干涉仪的基础上进行改进得到，在测量时作用不同的三干涉光束使用同一干涉装置能使***结构简单、使用方便、降低仪器制造和测量成本。

附图说明

图1为；本实用新型实施例附图。

图2为；本实用新型的一种结构图。

图3为；本实用新型的另一种结构图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件及结构，其中：1-低相干光光源、2-高相干光光源， 3-分光片，4-第一平面镜，5-补偿板，6-第二平面镜，7-第三平面镜，8-接收装置，10-额外补偿板，M-位移轨道，9为待测物体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。应当理解此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型并不用于限定本实用新型。

如图1所示，以测量物体折射率n为例。基于本实用新型的测量装置包括1-平行白光光源、2-He-Ne激光光源， 3-分光片，4-第一平面镜，5-补偿板，6-第二平面镜，7-第三平面镜， 8-光电接收器，10-额外补偿板，M-位移轨道。其中9为待测物体。

先不把待测物体放进光路。第二平面镜6和第三平面镜7同向平行放置，其中第二平面镜6安置在位移轨道M上的滑块上，能在位移轨道M上自由滑动，而第三平面镜7固定在位移轨道M上，故第二平面镜6的滑动不影响第三平面镜7。平行白光光源1及He-Ne激光光源2发出两束平行光束，其中He-Ne激光发出的光束经分束后分成两束平行光束，三束光束互不重叠和干扰，并打到分光片3不同的三个位置上，分光片3把这三束光分成了两路光束，一路反射光束，一路透射光束，每一路光束都包含一束白光和两束红光，其中一路反射光束经过第一平面镜4垂直反射后又从分光片透射出。另一路透射光束中的白光光束经过补偿板5后经第二平面镜6垂直反射，又经补偿板5后返回到分光片3表面处。而透射光束中的第一红光光束和第二红光光束经过补偿板5后又经额外补偿板10，再由第三平面镜7垂直反射并原路返回到分光片3表面处。三束光与第一路光束中的各光束分别汇合成三束干涉光，即第一红光光束和第一红光光束汇合，第二红光光束和第二红光光束汇合，白光光束和白光光束汇合。调节仪器，使仪器中的各光路都处于等倾干涉状态。汇合后的三束光因符合相干条件而发生干涉。最后三束光产生的干涉信息会被光电接收器8分别接收，再调节第二平面镜6，使白光的干涉信号达到最强并记为标定点1。

在第一平面镜4前把待测物体9放入光路，并使三光束垂直透过待测物体9。由于两平面镜所在光路的光程不一致，白光干涉信号条纹消失，而两红光仍有清晰的干涉条纹。接着使第二平面镜6往光程变大的方向移动即以远离补偿板5的方向移动，同时第一平面镜4不动，直至白光干涉信号恢复到最强，此时记为标定点2。标定点1和标定点2确定了位移的绝对距离，而在白光干涉信号从标定点1到标定点2的变化过程中，光电接收器8同时也接收了两红光的干涉条纹变化。记录从标定点1到标定点2的第一红光干涉条纹改变数|N|，假设从标定点1到标定点2的测量时受到温度影响，使第一平面镜4所在光路的光程变大，光电接收器8接收到了第二红光干涉条纹的改变量为|n|，故消除误差后的准确的测量值为X=|N|-|n|有：

Δd=X*(λ/2) （1）

（1）式中，Δd为从标定点1到标定点2的位移量，λ为所用红光的波长。用万分尺或其他精密的厚度测量仪器测出待测物体的厚度I，由公式

n=Δd/I+1 （2）

计算出物体的折射率n。

Claims (3)

1.一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置，其特征在于它是由低相干光光源（1）、高相干光光源（2）、分光片（3）、三块平面镜（4、6、7）、补偿板（5）、接收器（8）、位移轨道（M）及按需添加的额外补偿板（10）组成：其特征在于：第二平面镜(6)和第三平面镜(7)同向平行放置，其中第二平面镜(6)安置在位移轨道(M)上的滑块上；高相干光光源(2)和低相干光光源(1)同向放置，同时发出光束，其中高相干光经分束后分成两束平行光，分束后的高相干光和低相干光构成三束平行光束；补偿板(5)放置在分光片(3)透射光出来的一侧，并与分光片(3)平行；三平行光束射到分光片(3)上，分光片(3)把这三束光分成了两路光束，一路反射光束，一路透射光束，每一路光束都包含一束低相干光和两束高相干光，其中一路反射光束经过第一平面镜(4)反射后又从分光片(3)透射出；另一路透射光束中的低相干光光束和第一高相干光光束经过补偿板(5)后经第二平面镜(6)反射，又经补偿板(5)后返回到分光片(3)表面处；而透射光束中的第二高相干光光束经过补偿板(5)后经第三平面镜(7)反射，又经补偿板(5)后返回到分光片(3)表面处；三束光由于反射而与第一路光束中的各光束分别汇合成三束相干光，再被接收器（8）分别接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置，其特征在于：第三平面镜(7)固定在位移轨道(M)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于迈克尔逊干涉原理的复合干涉绝对位移测量装置，其特征在于：在第一高相干光光路和第二高相干光光路中放置一块额外补偿板(10)，或者去掉补偿板(5)在第一高相干光光路和第二高相干光光路通过的部分。