[發(fā)明專利]雙頻激光光柵干涉測量方法及測量系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110174869.4
• 申請日: 2011-06-27
• 公開（公告）號: CN102353327A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顏樹華;王國超;楊俊;周衛(wèi)紅;楊東興
• 申請（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務(wù)所 43008
• 代理人: 趙洪;楊斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測量方法及測量系統(tǒng)，尤其涉及一種光柵干涉測量方法及測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

納米測量是先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，也是整個納米科技領(lǐng)域的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。隨著超精密加工和超微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，行程達(dá)100毫米量級、運(yùn)動分辨率達(dá)到納米級的超精密和超微細(xì)加工設(shè)備，對大量程、納米級高精度的測試手段提出了迫切需求。在眾多納米測量儀器中，光柵測量儀器具有測量范圍大、測量分辨率高等特點(diǎn)。

光柵測量儀器將柵距周期內(nèi)的絕對式測量和周期外的增量式測量結(jié)合起來，測量基準(zhǔn)是光柵的柵距而不是光波的波長。測量精度主要取決于光柵的刻制精度，受入射光波長變化的影響相對較小。目前，光柵測量儀器雖然可以得到較高的測量分辨率，但其測量精度受到了較多因素的限制，尚未達(dá)到應(yīng)有的納米級水平。首先，絕大部分光柵測量儀器是一個直流信號系統(tǒng)，而直流系統(tǒng)存在一個根本問題，即計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平完全取決于干涉系統(tǒng)的輸出光強(qiáng)，而輸出光強(qiáng)的波動有可能使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，除非觸發(fā)電平重新得到調(diào)整。其次激光器的老化、大氣湍流引起的光束偏轉(zhuǎn)及波面變形、外界振動等因素都有可能造成光強(qiáng)的波動。尤其是對于較快速度的測量，即使對觸發(fā)電平進(jìn)行自動調(diào)整，也難以跟蹤上輸出光強(qiáng)的快速變化。因此，現(xiàn)有光柵測量儀器雖然能夠得到納米級的測量分辨率，但測量精度尚未達(dá)到納米級水平。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種大量程、高精度、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的雙頻激光光柵干涉測量方法，并相應(yīng)提供一種結(jié)構(gòu)簡單、布局優(yōu)化、使用方便、測量精度高的測量系統(tǒng)。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為一種雙頻激光光柵干涉測量方法，包括以下步驟：先利用雙頻激光器輸出雙頻激光，給干涉條紋隨待測參量的變化引入一個載波，使普通光柵干涉測量的直流信號系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣餍盘栂到y(tǒng)，然后讓所述雙頻激光通過一分光鏡以形成參考光路和測量光路，所述參考光路上的光束經(jīng)檢偏器后形成參考光路光學(xué)拍干涉場；所述測量光路上的光束經(jīng)單根光柵衍射疊加形成測量光路光學(xué)拍干涉場；通過將待測參量的變化轉(zhuǎn)換為所述光柵的運(yùn)動，光柵的運(yùn)動則使得所述測量光路光學(xué)拍干涉場的拍頻發(fā)生變化，最后用數(shù)字相位測量法將各光學(xué)拍干涉場得到的高倍數(shù)光學(xué)細(xì)分信號再進(jìn)行高倍數(shù)電子細(xì)分，即可實(shí)現(xiàn)待測參量的納米級精度測量。

上述的雙頻激光光柵干涉測量方法中，所述光柵優(yōu)選為低熱膨脹系數(shù)的石英或零膨脹材料制作的光柵。這樣可以更好地保證測量基準(zhǔn)穩(wěn)定可靠、零點(diǎn)漂移極小，并可減小溫度對測量精度的影響，提高本發(fā)明干涉測量方法對環(huán)境的適應(yīng)能力。

一種雙頻激光光柵干涉測量系統(tǒng)，其特征在于：所述測量系統(tǒng)包括雙頻激光器和用于分開該雙頻激光器輸出的雙頻激光的第一分光鏡；經(jīng)第一分光鏡后的反射光束形成參考光路，參考光路上設(shè)有檢偏器和用于記錄檢偏器輸出光信號的第一光電探測器；經(jīng)第一分光鏡后的透射光束形成測量光路，測量光路上設(shè)有主要由偏振分光鏡、光柵和反射鏡組組成的光柵衍射干涉系統(tǒng)，所述光柵衍射干涉系統(tǒng)后的輸出光路上還設(shè)有記錄該光柵衍射干涉系統(tǒng)輸出光信號的第二光電探測器。

作為對上述的雙頻激光光柵干涉測量系統(tǒng)的改進(jìn)，所述光柵衍射干涉系統(tǒng)中的偏振分光鏡、反射鏡組和光柵沿測量光路依次布設(shè)，經(jīng)所述第一分光鏡后的透射光束入射至所述偏振分光鏡，并由偏振分光鏡分成不同頻率的兩激光束，不同頻率的兩激光束分別經(jīng)由反射鏡組中的各反射鏡對稱入射至所述光柵，經(jīng)光柵衍射后，選擇對稱的兩級衍射光疊加后輸出。

上述的雙頻激光光柵干涉測量系統(tǒng)中，所述偏振分光鏡和所述反射鏡組中一個反射鏡之間的光路上設(shè)有半波片，且所述半波片的快軸方向與所述雙頻激光器輸出的雙頻激光的兩正交線偏振分量的夾角均優(yōu)選為45°。

作為對上述的雙頻激光光柵干涉測量系統(tǒng)的另一種改進(jìn)：

所述光柵衍射干涉系統(tǒng)中的光柵、反射鏡組和偏振分光鏡沿測量光路依次布設(shè)，經(jīng)所述第一分光鏡后的透射光束垂直入射至所述光柵，經(jīng)光柵衍射后，選取對稱的且均包含雙頻激光的兩級衍射光束，該兩級衍射光束分別經(jīng)由反射鏡組中的各反射鏡對稱入射至所述偏振分光鏡，并由偏振分光鏡合并疊加后輸出。

上述的雙頻激光光柵干涉測量系統(tǒng)中，所述第一分光鏡和光柵之間的光路上優(yōu)選設(shè)有用于保證所述透射光束垂直入射至光柵的調(diào)節(jié)反射鏡。

上述的各雙頻激光光柵干涉測量系統(tǒng)中，所述光柵優(yōu)選為反射光柵或透射光柵。

上述的各雙頻激光光柵干涉測量系統(tǒng)中，所述檢偏器的方向與所述雙頻激光器輸出的雙頻激光的兩正交線偏振分量的夾角均優(yōu)選為45°。