[發(fā)明專利]一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510367368.6
• 申請(qǐng)日: 2015-06-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105004273B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉曉軍;李千;趙昊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心42201
• 代理人: 廖盈春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種光學(xué)八倍程細(xì)分的超精密激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

目前，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，位移測(cè)量變得十分重要，而諸如機(jī)床在承載條件下微形變位移的測(cè)量、精密光學(xué)元件輪廓的測(cè)量等，對(duì)位移測(cè)量速度和精度的要求非常高。常見(jiàn)的位移測(cè)量包括機(jī)械式、電子式和幾何光學(xué)式，游標(biāo)卡尺等機(jī)械式位移測(cè)量?jī)x存在測(cè)量精度低、測(cè)量結(jié)果嚴(yán)重依賴人工的缺點(diǎn)，電感電容式精密位移傳感器測(cè)量范圍小、容易受到環(huán)境電磁場(chǎng)以及自身電子噪聲的干擾，光學(xué)干涉位移測(cè)量由于具有更高的測(cè)試靈敏度和精度，得到了廣泛的應(yīng)用。其中，最常用的光學(xué)干涉位移測(cè)量裝置有邁克爾遜干涉位移傳感器、外差式激光干涉位移傳感器和光柵干涉位移傳感器。

邁克爾遜干涉位移傳感器是最經(jīng)典的光學(xué)干涉位移測(cè)量方法，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究與發(fā)展，技術(shù)成熟可靠，電路細(xì)分之后的分辨率可以達(dá)到1nm。但是其測(cè)量的精度直接與光源波長(zhǎng)的穩(wěn)定性相關(guān)，因此對(duì)光源及光路所處的環(huán)境要求高，另外由于正弦誤差的存在，測(cè)量范圍受到較大的限制。

外差式激光干涉位移傳感器俗稱雙頻激光干涉儀，具有測(cè)量范圍大、分辨率與精度極高的特點(diǎn)。德國(guó)JENAer公司的ZLM700系列雙拼激光干涉儀的直線測(cè)量范圍達(dá)到40m，測(cè)量分辨率為0.1nm，在真空環(huán)境下測(cè)量精度為±0.08ppm，具備充當(dāng)計(jì)量基準(zhǔn)的能力，可以對(duì)其他測(cè)量設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定與校準(zhǔn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、對(duì)使用者要求甚高，因而并不適用于工業(yè)生產(chǎn)中的快速測(cè)量。

光柵干涉位移傳感器是光柵衍射與激光干涉相結(jié)合的一種技術(shù)，海德漢公司的LIP300系列敞開(kāi)式光柵尺具有70mm的測(cè)量范圍、1nm的分辨率和±0.5μm的測(cè)量精度，在超精密機(jī)床、半導(dǎo)體工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是光柵測(cè)量裝置必須時(shí)刻貼近光柵，對(duì)位置有著十分苛刻的要求，不僅安裝不便、調(diào)整困難，其位置的局限性還會(huì)限制工作機(jī)的運(yùn)動(dòng)行程、運(yùn)動(dòng)精度等性能參數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)光學(xué)八倍程細(xì)分，大幅提高測(cè)量系統(tǒng)的分辨率，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，且結(jié)構(gòu)上安裝方便、簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，適用范圍廣。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種激光干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、起偏器、第一消偏振分光棱鏡、第一偏振分光棱鏡、第一1/4波片、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第二1/4波片、角錐鏡和第三平面反射鏡；

定義X軸與所述激光器出射的光束方向相同，Y軸垂直于X軸，X軸和Y軸所在的平面為P；

工作時(shí)，所述激光器發(fā)出的光束通過(guò)所述起偏器后變?yōu)榕c平面P成45°角的線偏振光；線偏振光經(jīng)過(guò)所述第一消偏振分光棱鏡后，一部分沿X軸透射到達(dá)所述第一偏振分光棱鏡，另一部分沿Y軸反射；

由所述第一消偏振分光棱鏡到達(dá)所述第一偏振分光棱鏡的光束中，偏振方向垂直于平面P的分量穿過(guò)所述第一偏振分光棱鏡，沿X軸方向經(jīng)過(guò)所述第一1/4波片到達(dá)所述第一平面反射鏡，被所述第一平面反射鏡反射后再經(jīng)過(guò)所述第一1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，被所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射后到達(dá)所述第二平面反射鏡，被所述第二平面反射鏡反射后原路返回至所述第一偏振分光棱鏡，經(jīng)所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射，再次經(jīng)過(guò)所述第一1/4波片到達(dá)所述第一平面反射鏡，被所述第一平面反射鏡反射之后再經(jīng)過(guò)所述第一1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡中，從所述第一偏振分光棱鏡透射而出，此光束為參考光；

由所述第一消偏振分光棱鏡到達(dá)所述第一偏振分光棱鏡的光束中，偏振方向平行于平面P的分量被所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射，沿Y軸方向經(jīng)過(guò)所述第二1/4波片到達(dá)所述角錐鏡，依次被所述角錐鏡和所述第三平面反射鏡反射之后再經(jīng)過(guò)所述角錐鏡和所述第二1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，由所述第一偏振分光棱鏡透射到所述第二平面反射鏡，被所述第二平面反射鏡反射后原路返回至所述第一偏振分光棱鏡，從所述第一偏振分光棱鏡透射之后，再次經(jīng)過(guò)所述第二1/4波片到達(dá)所述角錐鏡，依次由所述角錐鏡和所述第三平面反射鏡反射之后再經(jīng)過(guò)所述角錐鏡和所述第二1/4波片原路返回到所述第一偏振分光棱鏡，被所述第一偏振分光棱鏡的分光面反射而出，此光束為測(cè)量光。

優(yōu)選地，上述測(cè)量系統(tǒng)還包括第三1/4波片、第二消偏振分光棱鏡、第二偏振分光棱鏡、第三偏振分光棱鏡、第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器、第三光電探測(cè)器和第四光電探測(cè)器；