CN102175141B - 一种双路单频激光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双路单频激光干涉仪，其特征在于：它包括一双频激光头、一偏振分光棱镜和两组相同的单频激光干涉系统；每一组单频激光干涉系统包括两个1/4波片，一个半波片，三个偏振分光棱镜，一个消偏振分光棱镜，两个角反射镜，一个反射镜和四个光电探测器，其中一个角反射镜作为测量镜固定不动，另一角反射镜放置在测量目标上；所述双频激光头发出正交偏振的线偏振光束，经偏振分光棱镜分成两束线偏振光，其中透射的线偏振光入射到第一组单频激光干涉系统中，反射的线偏振光入射到第二组单频激光干涉系统中。本发明可以广泛用于高精度移动台测量定位以及其它高精度长度计量场合。

Description

一种双路单频激光干涉仪

技术领域

本发明涉及一种干涉仪，特别是关于一种双路单频激光干涉仪。

背景技术

激光干涉仪由于其测量精度高且测量范围广，已经广泛应用于长度测量领域。目前在工业上应用较多的有单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。早期的单频激光干涉仪受限于直流漂移等因素的影响，一般仅用于实验室专用设备中，很长一段时间没能在工业中得到应用。后来以RENISHAW公司为代表，较好地解决了这一问题，使得单频激光干涉仪实用性大大提高。与双频激光干涉仪相比，单频激光干涉仪的结构和电路处理更为简单，而且其测量速度在原理上没有限制，主要取决于放大器的带宽和电子器件的速度，因此在高测速的场合具备优势。制造业中，机床测量不仅具有高测速的需求，而且常常需要同时测量工作台x轴、y轴的位移。这一般需要两个高测速干涉仪来完成。这使得测量系统较为复杂，而且成本很高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种采用一个双频激光头便能实现两台干涉仪同时高速测量功能的双路单频激光干涉仪。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种双路单频激光干涉仪，其特征在于：它包括一双频激光头、一偏振分光棱镜和两组相同的单频激光干涉系统；每一组单频激光干涉系统包括两个1/4波片，一个半波片，三个偏振分光棱镜，一个消偏振分光棱镜，两个角反射镜，一个反射镜和四个光电探测器，其中一个角反射镜作为测量镜固定不动，另一角反射镜放置在测量目标上；所述双频激光头发出正交偏振的线偏振光束，经偏振分光棱镜分成两束线偏振光，其中透射的线偏振光入射到第一组单频激光干涉系统中，反射的线偏振光入射到第二组单频激光干涉系统中。

本发明还可以包括一直角棱镜，所述双频激光头发出正交偏振的线偏振光束，经偏振分光棱镜分成两束线偏振光后，其中反射的线偏振光先经过所述直角棱镜反射后，再入射到第二组单频激光干涉系统中。

进入每一组所述单频激光干涉系统的光束经过1/4波片转成圆偏振光，再经过偏振分光棱镜分成两束线偏振光，两束线偏振光分别经过一角反射镜反射后返回，再次经过所述偏振分光镜后合成一束正交偏振光；所述正交偏振光束经过反射镜反射后，入射经过半波片偏振方向旋转45°，再经过消偏振分光棱镜等分成两束光；其中一束光入射到偏振分光棱镜上分成两束线偏振光，两束偏线振光被两个光电探测器探测；另一束光经过一1/4波片后转成一束叠加的左旋和右旋圆偏振光，再经过一偏振分光棱镜后分成两束线偏振光，两束偏线振光被另外两个光电探测器探测。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用了一个双频激光头和两组单频激光干涉系统的光路设计，因此不但可以用一台设备代替两台干涉仪对工作台x轴、y轴的位移进行同时高速测量，还可以对一个在平动同时又有微小转动的物体进行位移和转角的测量。2、本发明由于设置了两组单频激光干涉系统，因此在高测速的应用场合下与双路双频干涉仪相比具有明显的优势。3、本发明由于对光电探测信号进行差动处理，因此可以极大地抑制共模噪声，提高测量精度和稳定性。本发明可以广泛用于高精度移动台测量定位以及其它高精度长度计量场合。

附图说明

图1是本发明结构示意图

图2是本发明另一实施例结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括一双频激光头A、一偏振分光棱镜B和两组单频激光干涉系统。

本发明第一组单频激光干涉系统包括1/4波片P1、P2，半波片P3，偏振分光棱镜PBS1、PBS2、PBS3，消偏振分光棱镜NBS1，角反射镜CR1、CR2，反射镜M1以及光电探测器D1、D2、D3、D4。

本发明第二组单频激光干涉系统包括1/4波片P4、P6，半波片P5，偏振分光棱镜PBS4、PBS5、PBS6，消偏振分光棱镜NBS2，角反射镜CR3、CR4，反射镜M2以及光电探测器D5、D6、D7、D8。

本发明由双频激光头A发出正交偏振的线偏振光束，经偏振分光棱镜B分成两束线偏振光，其中透射的线偏振光入射到第一组单频激光干涉系统中，反射的线偏振光入射到第二组单频激光干涉系统中。

透射的线偏振光入射到第一组单频激光干涉系统后，经过1/4波片P1(P1光轴与水平方向成45度角)转成圆偏振光，该圆偏振光再经过偏振分光棱镜PBS1分成两束线偏振光，两束线偏振光分别经过角反射镜CR1、CR2反射后返回，再次经过偏振分光镜PBS1合成一束正交偏振光。合成的正交偏振光束经过反射镜M1反射并入射经过1/2波片P3(P3光轴与水平方向成22.5度角)偏振方向旋转了45度(仍是正交线偏振光)，再经过消偏振分光棱镜NBS1等分成两束光。其中一光束入射到偏振分光棱镜PBS2上分成两束线偏振光，两束线偏振光分别被光电探测器D1、D2探测；另一光束经过1/4波片P2后(P2光轴与水平线平行)转成一束叠加的左旋和右旋圆偏振光，再经过偏振分光棱镜PBS3后分成两束偏振光，两束偏振光分别被光电探测器D3、D4探测。

反射的线偏振光入射到第二组单频激光干涉系统后，经过1/4波片P4(P4光轴与水平方向成45度角)转成圆偏振光，该圆偏振光再经过偏振分光棱镜PBS4分成两束线偏振光，两束线偏振光分别经过角反射镜CR3、CR4反射后返回，再次经过偏振分光镜PBS4合成一束正交偏振光。合成的正交偏振光束经过反射镜M2反射并入射经过1/2波片P6(P6光轴与水平方向成22.5度角)偏振方向旋转了45度(仍是正交线偏振光)，再经过消偏振分光棱镜NBS2等分成两束光。其中一光束入射到偏振分光棱镜PBS5上分成两束线偏振光，两束线偏振光分别被光电探测器D5、D6探测；另一光束经过1/4波片P5后(P5光轴与水平线平行)转成一束叠加的左旋和右旋圆偏振光，再经过偏振分光棱镜PBS6后分成两束偏振光，两束偏振光分别被光电探测器D7、D8探测。

系统进行测量时，角反射镜CR1和角反射镜CR3作为参考镜固定不动，而角反射镜CR2和角反射镜CR4作为测量镜，放置在测量目标上。当测量目标移动时，角反射镜CR2的位移ΔL1引入了第一单频激光干涉系统中参考臂和测量臂的光程差n·ΔL1(n为空气折射率)。光电探测器D1～D4接收到的光强信号I1～I4为：

I1＝a+b·sin(4π·n·ΔL1)]

I2＝a-b·sin(4π·n·ΔL1)]

I3＝a+b·cos(4π·n·ΔL1)]

I4＝a-b·sin(4π·n·ΔL1)]

其中a是信号的直流分量，b是信号的交流振幅。这四路输出信号的相位依次相差90°。采用差动的信号处理方法，则有：

(I1-I2)/(I3-I4)＝tan(4π·n·ΔL1)

所以，根据输出信号求出(I1-I2)/(I3-I4)，即可求出CR2的位移ΔL1。

角反射镜CR4的位移ΔL2引入了第二单频激光干涉系统中参考臂和测量臂的光程差n·ΔL2。光电探测器D5～D8接收到的光强信号I5～I8为：

I5＝a+b·sin(4π·n·ΔL2)]

I6＝a-b·sin(4π·n·ΔL2)]

I7＝a+b·cos(4π·n·ΔL2)]

I8＝a-b·sin(4π·n·ΔL2)]

这四路输出信号的相位也是依次相差90°。同样采用差动的信号处理方法，则有：

(I5-I6)/(I7-I8)＝tan(4π·n·ΔL2)

根据输出信号求出(I5-I6)/(I7-I8)，即可求出CR4的位移ΔL2。

上述对于角反射镜CR2和角反射镜CR4测量过程可以同步进行，所以能够用于同一物体x，y方向的二维测量。

如图2所示，本发明还可以增设一直角棱镜C，这样由双频激光头A发出正交偏振的线偏振光束，经偏振分光棱镜B后分成两束线偏振光，其中透射的线偏振光入射到第一组单频激光干涉系统中，而反射的偏振光要先经过直角棱镜C反射后，再入射到第二组单频激光干涉系统中。本实施例可以实现对一个在平动同时又有微小转动的物体W的位移和转角进行测量。根据测出的ΔL1和ΔL2可以得到物体W的平动位移为(ΔL1+ΔL2)/2，物体D的转动角度为(ΔL1-ΔL2)/Lm，其中Lm为两个测量位置间的间距。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，特别是在每一组单频激光干涉系统的组成和光路设计上，既可以采用已有的其它干涉系统的设置，也可以有其它变化的，这些基于发明构思基础上的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (2)

1.一种双路单频激光干涉仪，其特征在于：它包括一双频激光头、一偏振分光棱镜和两组相同的单频激光干涉系统；每一组单频激光干涉系统包括第一至第二1/4波片，一个半波片，第一至第三偏振分光棱镜，一个消偏振分光棱镜，第一至第二角反射镜，一个反射镜和第一至第四光电探测器，其中第一1/4波片光轴与水平方向成45°角，第二1/4波片光轴与水平线平行，半波片光轴与水平方向成22.5°角，第一角反射镜作为参考镜固定不动，第二角反射镜作为测量镜放置在测量目标上；所述双频激光头发出正交偏振的线偏振光束，经偏振分光棱镜分成两束线偏振光，其中透射的线偏振光入射到第一组单频激光干涉系统中，反射的线偏振光入射到第二组单频激光干涉系统中；

进入每一组所述单频激光干涉系统的光束经过第一1/4波片转成圆偏振光，再经过第一偏振分光棱镜分成两束线偏振光，两束线偏振光分别经过第一、第二角反射镜反射后返回，再次经过第一偏振分光棱镜后合成一束正交偏振光；所述正交偏振光束经过反射镜反射后，入射经过半波片偏振方向旋转45°，再经过消偏振分光棱镜等分成两束光；其中一束光入射到第二偏振分光棱镜上分成两束线偏振光，两束线偏振光被第一、第二光电探测器探测；另一束光经过第二1/4波片后转成一束叠加的左旋和右旋圆偏振光，再经过第三偏振分光棱镜后分成两束线偏振光，两束线偏振光被第三、第四光电探测器探测。

2.如权利要求1所述的一种双路单频激光干涉仪，其特征在于：它还包括一直角棱镜，所述双频激光头发出正交偏振的线偏振光束，经偏振分光棱镜分成两束线偏振光后，其中反射的线偏振光先经过所述直角棱镜反射后，再入射到第二组单频激光干涉系统中。

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