[發(fā)明專利]基于巴俾涅補(bǔ)償器的干涉儀非正交誤差修正方法與裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910609300.2
• 申請日: 2019-07-08
• 公開（公告）號: CN110260782A
• 公開（公告）日: 2019-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 付海金;王珂;王錚;胡鵬程
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

基于巴俾涅補(bǔ)償器的干涉儀非正交誤差修正方法與裝置屬于激光測量技術(shù)領(lǐng)域；本發(fā)明在不需要改變系統(tǒng)原有光學(xué)器件位置與角度的前提下，通過在單頻激光干涉儀非偏振分光鏡后加入巴俾涅補(bǔ)償器，利用巴俾涅補(bǔ)償器偏振相關(guān)的相位延遲特性改變干涉光束中參考光束與測量光束之間的相位差，從光路原理結(jié)構(gòu)上修正了系統(tǒng)的非正交誤差，因此具有更高的修正精度和實時性。本發(fā)明能夠有效解決單頻激光干涉測量中非正交誤差的修正問題，在精密測量領(lǐng)域具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光測量技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種基于巴俾涅補(bǔ)償器的單頻激光干涉儀非正交誤差修正方法與裝置。

背景技術(shù)

隨著科學(xué)研究的快速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平飛速提高，科研和工業(yè)領(lǐng)域?qū)ξ灰茰y量也提出了更高的要求，位移測量的最小變化量也正朝著納米量級方向發(fā)展。單頻激光干涉是利用激光干涉原理進(jìn)行高精度位移測量的儀器，具有非接觸、高精度等優(yōu)點。一個單頻激光干涉儀包含至少一個能夠提供單頻激光的光源；一個將單頻光源分為參考光束和測量光束的偏振分光鏡；一個能夠反射參考光束的第一反射鏡；一個能夠反射測量光束的第二反射鏡，所述第二反射鏡通常被固定于被測物體上，隨被測物體一同運動；一個將所述偏振分光鏡出射的合成光束分為第一合成光束和第二合成光束的非偏振分光鏡；至少兩個能夠檢測干涉信號的光電探測器；以及信號處理單元，耦接所述光電探測器，適于采集所述光電探測器輸出的干涉信號；所述參考光束和所述測量光束具有相同的頻率。相比于雙頻激光干涉儀，由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、電路處理容易、對環(huán)境的要求較低、測量速度在原理上不受限制等諸多優(yōu)點，因而更加廣泛的應(yīng)用于位移測量領(lǐng)域。然而，實際應(yīng)用中非線性誤差，尤其是非線性誤差中的非正交誤差的存在卻一直成為限制單頻激光干涉儀實現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵問題。

圖2為典型的單頻激光干涉儀結(jié)構(gòu)，從激光器1發(fā)出的單頻激光通過偏振分光棱鏡A 2分光為參考光束和測量光束；其中反射光束作為參考光束經(jīng)過平面反射鏡A 4反射，并兩次通過1/4波片A 3，透射光束作為測量光束經(jīng)過平面反射鏡B 6反射，并兩次通過1/4波片B 5后，參考光束和測量光束分別透射和反射通過偏振分光棱鏡A 2；參考光束和測量光束先經(jīng)過1/2波片7后，被非偏振分光棱鏡8分為兩束光，透射光為第一合成光束，反射光為第二合成光束，第一合成光束通過1/4波片C 9后，被偏振分光棱鏡B 10分成兩束光，分別入射到光電探測器A 11和光電探測器B 12，兩路信號經(jīng)過運算器A 13做減法運算后得到干涉信號Ix；第二合成光束被偏振分光棱鏡C 14分成兩束光，分別入射到光電探測器C 15和光電探測器D 16，兩路信號經(jīng)過運算器B 17做減法運算后得到干涉信號Iy。理想狀態(tài)下，Ix和Iy可以表示為：(P.Hu,J.Zhu,X.Guo,and J.Tan,Compensation for theVariable CyclicError in Homodyne Laser Interferometers,Sensors,2015,15(2):3090-3106.)：

其中，A為干涉信號的交流幅值，φ為參考光路與測量光路之間的相位差。由此可以看出，Ix、Iy表現(xiàn)為關(guān)于φ的正余弦函數(shù)，在理想狀態(tài)下其幅值相等、直流偏置為零且相互正交。然而在實際情況中，由于光學(xué)器件等的不理想，Ix和Iy可以表示為：

其中，Ax、Ay分別為直流偏置誤差，Bx、By分別為不等幅誤差，δ為非正交誤差。由公式(2)可以看出，Ix、Iy實際表現(xiàn)為含有上述三差的正余弦函數(shù)。將上述兩路含有三差的干涉信號直接用于位移解算時，會產(chǎn)生周期性的非線性誤差，影響測量精度。因此必須通過獲取干涉信號的特征參數(shù)Ax、Ay、Bx、By和δ對Ix、Iy進(jìn)行修正，得到理想的正交干涉信號cosφ和sinφ，從而實現(xiàn)對非線性誤差修正。