[發明專利]一種基于雙頻激光干涉原理的精確位移監測系統

在審

• 申請號: 201710601334.8
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107339941A
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 孔令豹;周攀宇;徐敏
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01B11/03
• 分類號: G01B11/03
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司31200
• 代理人: 陸飛,陸尤

技術領域

本發明屬于光學測量技術領域，具體涉及精確位移監測系統。

背景技術

目前，針對回轉體工件的幾何測量方面，主要有三坐標測量機、輪廓儀、光學三維測量技術等。盡管光學探頭的測量精度可以達到數十納米或者是納米級別，但是在很多情況下，由于定位及監測精度不夠，使用該測頭給出的測量精度往往微米量級，甚至更差。為實現精密乃至超精密的測量，無論是三坐標或者是光學三維測量技術，都需要對測量傳感器進行精確的定位，也就是需要對傳感器的位置精確監測。

目前商品化測量系統中，較為典型的定位監測系統結構如圖1所示，其中，可移動標準平面鏡4代表定位系統與Z軸方向的相對移動，可移動標準平面鏡5代表定位系統與X軸方向的相對移動，多波長干涉測頭3和多波長干涉測頭1分別測量的是測量系統在Z軸和X軸方向上的位移變化量。多波長干涉測頭6通過監測與標準柱面鏡9之間的距離變化，可以監測測頭8在工作過程中的跳動。多波長干涉測頭6和多波長干涉測頭8保持同軸心并且與旋轉臺7的旋轉軸相交。通過測頭1、3、6測量到的位移變化，可以實現對運動部件7和8的位置的實時精確監測。但是這樣的系統需要精度極高的標準柱面鏡以及3個多波長干涉測頭，成本較高。

激光具有高強度、高方向性、高單色性和高相干性等優點，雙頻激光干涉儀則是以激光波長為已知長度，利用邁克爾遜系統測量位移的一種通用長度測量設備。雙頻激光干涉儀具有大測量范圍、高精度、高分辨率以及高速度等優點，可以通過與其他運動部件聯動，可以完成長度、角度、直線度和垂直度等參數的測量，在超精密測量與檢測領域有著廣泛的應用。比如精密機床的標定，高精度傳感器的標定，以及光刻機工作臺的精確定位等。

發明內容

本發明的目的是提供一種精確監測運動部件位置變化的解決方案-基于雙頻激光干涉原理的精確位移監測系統，以實現對運動部件位移的精確、實時監測，提高運動部件的定位精度。

本發明的基本思想就是在激光光源后加上一塊分光鏡，分出兩路光，分別作為兩個雙頻激光干涉儀的光源，實現在兩個方向對運動部件的實時位置監控。

本發明的技術解決方案如下：

一種位移監測裝置，包括一臺雙頻激光器，在該激光器的輸出光路上設置一個四分之一波片，在四分之一波片后放置一塊分光鏡，該分光鏡的分光面與激光器輸出光路呈45°夾角，在該分光鏡的兩路輸出光方向分別放置兩個與輸出光路呈45°夾角的偏振分光鏡，在偏振分光鏡的反射方向放置一塊固定標準平面鏡，在透射方向放置一塊與輸出光路呈45°的反射鏡，在反射鏡輸出光方向放置一塊凸透鏡，凸透鏡焦點位置在標準球面的球心，在偏振分光鏡的反射光路的反側還分別有一個探測器。參見圖2所示。

本發明由于使用了兩路雙頻激光干涉儀，實現了對運動部件的精確實時定位，提升了使用光學三坐標方法測量回轉體幾何參量的測量精度。

附圖說明

圖1 是現有的位移精確監測系統結構示意圖。

圖2 是本發明位移精確監測系統結構示意圖。

具體實施方式

請先參閱圖2，圖2是本發明的基于雙頻激光干涉原理的精確位移監測裝置結構示意圖。本定位監測系統包含了一臺雙頻激光器7以及一個光纖耦合準直系統1，雙頻激光器產生的激光為左旋和右旋兩種頻率的圓偏激光光源，經過一個四分之一波片2，會產生偏振方向垂直的兩束線偏振光。在輸出光路上設置一個分光鏡3，該分光鏡的分光面與激光的輸出光路呈45°。光源經過分光鏡會產生兩束光，分別作為透射光路方向測量光路和反射光路方向測量光路的光源。由于兩側光路完全對稱，對透射光路方向光路進行詳細分析。

在輸出光路上設置一偏振分光鏡4，分光面與輸出光路呈45°。由于偏振方向不同，不同偏振方向光分開，分開為兩束頻率為 f₁和f₂的兩束光。其中測量光沿分光鏡反射方向前進，經過相對運動的標準平面鏡5，反射回的光由于多普勒效應產生了Δf的頻率偏移，經過分光面進入光電探測器12。參考光沿分光鏡透射方向前進，在光路前進方向放置一塊反射鏡，反射鏡與光路呈45°，在光路方向上放置一塊凸透鏡14，凸透鏡的焦點處于標準球15的球心，參考光照射到標準球面上沿原光路返回，經過偏振分光鏡4分光面反射進入光電探測器12.同理，探測器13也能采集到相應的信息。