CN114353671B - 实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统及方法，属于光学测量领域，该系统以光纤光路和空间光路相结合的方式，实现了双干涉仪的近似共光路集成，利用光纤器件代替大部分空间光学元件，实现激光干涉仪的实用化和集成化，有效减少环境因素对干涉仪影响，提高稳定性；采用衍射光栅作为分光元件，实现了双波长混合光束的分离和单波长光束的分光，可同时同步测量两个位置的位移量，进而直接计算出被测目标的偏转角度。因此，本发明系统集成度高、便携性好、抗干扰能力强，可用于复杂环境下高精度位移和角度的同时同步测量。

Description

实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统及方法

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，涉及一种用于位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统及方法。

背景技术

随着超精密加工、半导体芯片制造和生物医学工程等高新技术的迅速发展，对位移和角度的测量技术及仪器提出了更高的要求，既要求大的测量范围又要求达到纳米级的测量精度。例如：超精密机床和光刻机的运动机构要求在上百毫米的范围达到纳米级定位精度；在生物医学方面，对细胞亚细胞的微纳操作要求多自由度的纳米定位控制技术。对压电驱动位移工作台、电磁驱动位移工作台和电机驱动直线位移工作台等的监测及校准，不仅要对直线位移进行测量，还要给出偏转角度。现有方法一般采用多个传感器同时进行测量，或者分时测量位移和偏转角，而解决位移和角度的同时步测量问题具有重要的应用价值。

激光干涉测量法具有高精度、大范围的特点，是实现纳米位移测量的主要手段。利用双干涉仪结构可同时获得被测物表面两点的位移量，进一步计算出被测物的偏转角度。但是，由于激光干涉测量方法极高的测量分辨力和灵敏度，使得测量过程中微小的振动、噪声、气流和温度等环境干扰，将对测量结果产生较大影响。在抗干扰性方面，大多采用被动抗干扰技术，通过各种隔离措施、某些特殊算法、同步高速采集等，方法复杂，过程繁琐。如何同步进行大光程位移和大角度偏移测量，如何减小和消除环境干扰误差、开发具有稳定性的激光干涉测量系统，成为当前激光干涉测量领域中亟待解决的技术难题。

因此，开发一种结构简单、操作方便、测量结果准确、抗环境干扰能力强、能够同时实现空间位移和角度同步测量的系统及方法，对于激光干涉测量领域的发展具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种光纤集成、工作稳定、测量简便、抗干扰能力强的双波长激光干涉测量系统及方法，解决现有技术中存在的无法同时实现空间位移和角度同步测量以及抗环境干扰能力差的问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统，包括用光纤连接的第一光源、第二光源、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、第三光纤耦合器、准直器、隔离器、光纤布拉格光栅、第一光电探测器和第二光电探测器，信号采集与处理电路以及空间布置的闪耀光栅、参考反射镜、准直透镜和测量镜；

第一光源发出的波长为λ₁的第一光波和第二光源发出的波长为λ₂的第二光波分别从第一光纤耦合器的输入端进入，输出后依次通过第二光纤耦合器和准直器，到达闪耀光栅，并在闪耀光栅上发生衍射，零级衍射光投射到参考反射镜上，经参考反光镜反射后，沿原路返回闪耀光栅；波长为λ₁的第一一级衍射光和波长为λ₂的第二一级衍射光分散出射到准直透镜上，经准直透镜两束一级衍射光间隔距离垂直投射到测量镜上，测量镜将两束一级衍射光反射，沿原路返回到闪耀光栅上，与参考反射镜反射回的零级衍射光在闪耀光栅处发生干涉，形成波长为λ₁的第一干涉光和波长为λ₂的第二干涉光；第一干涉光和第二干涉光依次经准直器、第二光纤耦合器、隔离器和第三光纤耦合器进入光纤布拉格光栅，其中第一干涉光通过光纤布拉格光栅到达第一光电探测器，第二干涉光经光纤布拉格光栅反射后反向通过第三光纤耦合器并进入第二光电探测器。

本发明进一步的改进在于：

所述第二光纤耦合和第三光纤耦合器之间连接有隔离器，用于阻断第二干涉光回流进入第二光纤耦合器对干涉信号产生影响。

所述第一光电探测器和第二光电探测器分别连接信号采集与处理电路以及计算机。

一种实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉方法，包括以下步骤：

第一光源发出的波长为λ₁的第一光波经第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、准直器到达闪耀光栅后分为第一零级衍射光和第一一级衍射光，第一零级衍射光入射到参考反射镜，后经反射沿原路返回，第一一级衍射光经准直透镜入射到测量镜，后经反射沿原路返回，两束返回光束在闪耀光栅上相遇并产生第一干涉光，第一干涉光被准直器接收后，依次通过第二光纤耦合器、隔离器、第三光纤耦合器、光纤布拉格光栅后被第一光电探测器接收；

第一光电探测器检测第一干涉光的光强变化，经信号采集与处理电路转换为电脉冲信号，通过电脉冲计数和相位检测技术，计算测量镜沿第一一级衍射光入射方向的位移量；

第二光源发出的波长为λ₂的第二光波经第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、准直器到达闪耀光栅后分为第二零级衍射光和第二一级衍射光，第二零级衍射光入射到参考反射镜，后经反射沿原路返回，第二一级衍射光经准直透镜入射到测量镜，后经反射沿原路返回，两束返回光束在闪耀光栅上相遇并产生第二干涉光，第二干涉光被准直器接收后，依次通过第二光纤耦合器、隔离器、第三光纤耦合器到达光纤布拉格光栅，被光纤布拉格光栅反射后反向经过第三光纤耦合器被第二光电探测器接收；

第二光电探测器检测第二干涉光的光强变化，经信号采集与处理电路转换为电脉冲信号，通过电脉冲计数和相位检测技术，计算测量镜沿第二一级衍射光入射方向的位移量；

根据测量镜沿第一一级衍射光入射方向的位移量和沿第二一级衍射光入射方向的位移量，以及两束一级衍射光的间隔距离，计算测量镜相对偏转角度。

上述方法进一步的改进在于：

所述测量镜的位移计算方法为：

其中，Δz₁为测量镜沿第一一级衍射光入射方向的位移量，Δz₂为测量镜沿第二一级衍射光入射方向的位移量，λ₁为第一光源的波长，λ₂为第二光源的波长，N₁为第一光电探测器接收计算得到的电脉冲总数，N₂为第二光电探测器接收计算得到的电脉冲总数。

所述测量镜相对偏转角度的计算方法为：

其中，α为测量镜相对偏转角度，Δz₁为测量镜沿第一一级衍射光入射方向的位移量，Δz₂为测量镜沿第二一级衍射光入射方向的位移量，H为两束一级衍射光的间隔距离。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用双波长近似共光路激光干涉结构，利用光纤器件代替大部分空间光学元件，实现激光干涉仪的实用化和集成化，有效减少环境因素对干涉仪影响，提高稳定性，可用于复杂环境下高精度位移和偏转的同步测量。另外，闪耀光栅的设置，使干涉的零级和一级衍射光同时满足时间相干性与空间相干性的要求，且随着闪耀光栅的移动和偏移，可以对测量镜不同方向的位移和偏移角度的测量，从而实现对测量镜空间偏移程度的测量。该方法原理简单，操作方便且测量结果准确、稳定，易于实现。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明的双波长衍射干涉系统结构图。

图2为本发明的双波长衍射干涉方法步骤图。

图3为本发明的位移角度测量方法示意图。

其中：1-第一光源，2-第二光源，3-第一光纤耦合器，4-第二光纤耦合器，5-第三光纤耦合器，6-准直器，7-隔离器，8-光纤布拉格光栅，9-第一光电探测器，10-第二光电探测器，11-信号采集与处理电路，12-闪耀光栅，13-参考反射镜，14-准直透镜，15-测量镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明提供一种用于位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统，包括光纤光路和空间光路两部分，光纤光路中以光纤连接的方式集成了光源、光纤耦合器、准直器、隔离器和光纤布拉格光栅，实现了光束传输、干涉信号收集和探测功能；空间光路部分作为测量探头，整体封装后安装在被测面一定距离处，用于对两种波长的光波进行分光并产生干涉信号，并且将两种波长的光波的一级衍射光以一定间隔距离垂直投射向测量镜。该系统采用迈克尔逊式干涉结构，第一光源1发出的波长为λ₁的光波和第二光源2发出的波长为λ₂的光波分别从第一光纤耦合器3左侧输入端进入，在右侧输出端输出为混合光，从左到右依次经第二光纤耦合器4和准直器6后，入射到闪耀光栅12表面，并在入射点发生衍射；衍射后的零级衍射光垂直入射到参考反射镜13，并由参考反射镜13反射后沿原路返回到闪耀光栅12；衍射后的一级衍射光是角度分离的两束光(分散角由入射光波长、入射角以及闪耀光栅的线距参数决定)，分别为波长为λ₁的一级衍射光和波长为λ₂的一级衍射光，两束一级衍射光经准直透镜14后以一定间隔距离投射到测量镜15，在测量镜15表面反射后沿原路返回到闪耀光栅12，并与由参考反射镜13反射回闪耀光栅12的零级衍射光形成干涉，作为携带了测量镜15两处位移信息的混合干涉光(此处包含波长为λ₁的第一干涉光和波长为λ₂的第二干涉光)从右到左经准直器6返回第二光纤耦合器4中，并经隔离器7和第三光纤耦合器5进入光纤布拉格光栅8；第一干涉光通过布拉格光栅8，由第一光电探测器9记录光强变化；第二干涉光被光纤布拉格光栅8反射，沿反向从左到右传播经第三光纤耦合器5中，由第二光电探测器10记录光强变化；然后经过信号采集与处理电路11后传送至计算机，计算获取稳定的测量结果；其中，隔离器7的作用为阻断第二干涉光回流进入第二光纤耦合器4对干涉信号产生不利影响。

参见图2，利用上述双波长衍射干涉系统的测量方法具体为：

1)第一光源1发出的波长为λ₁的光波依次经第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、准直器6到达闪耀光栅12后分为零级衍射光和一级衍射光，零级衍射光入射到参考反射镜13，后经反射沿原路返回，一级衍射光经准直透镜14入射到测量镜15，后经反射沿原路返回，两束返回光在闪耀光栅12上相遇并发生干涉，干涉光被准直器6接收后，依次通过第二光纤耦合器4、隔离器7、第三光纤耦合器5、光纤布拉格光栅8后被第一光电探测器9接收；

第一光电探测器9检测第一干涉光的光强变化并转换为电脉冲信号，通过电脉冲计数和相位检测技术，计算测量镜15沿波长为λ₁的一级衍射光入射方向的位移量Δz₁，计算公式如下：

其中，λ₁为第一光源1的波长，N₁为第一光电探测器9接收计算得到的电脉冲总数。

2)第二光源2发出的波长为λ₂的光经第一光纤耦合器3、第二光纤耦合器4、准直器6到达闪耀光栅12后分为零级衍射光和一级衍射光，零级衍射光入射到参考反射镜13，后经反射沿原路返回，一级衍射光经准直透镜14入射到测量镜15，后经反射沿原路返回，两束返回光在闪耀光栅12上相遇并发生干涉，干涉光被准直器6接收后，依次通过第二光纤耦合器4、隔离器7、第三光纤耦合器5到达光纤布拉格光栅8，被光纤布拉格光栅8反射后反向经过第三光纤耦合器5被第二光电探测器10接收；

第二光电探测器10检测第二干涉光的光强变化并转换为电脉冲信号，通过电脉冲计数和相位检测技术，计算测量镜15沿波长为λ₂的一级衍射光入射方向的位移量Δz₂，计算公式如下：

其中，λ₂为第二光源2的波长，N₂为第二光电探测器10接收计算得到的电脉冲总数。

3)参见图3，两路不同波长的光波的一级衍射光因衍射角不同，经过准直透镜6后可以投射在测量镜15的两个不同位置，通过测量两个位置的位移量，并根据已知的两束一级衍射光的间隔距离，进而可以计算出测量镜15的相对偏移角度，计算公式如下：

其中，α表示测量镜15相对偏转角度，Δz₁表示测量镜15沿波长为λ₁的一级衍射光入射方向的位移量，Δz₂表示测量镜15沿波长为λ₂的一级衍射光入射方向的位移量，H表示两束一级衍射光的间隔距离。

本发明的特点还在于，步骤1)和步骤2)同时同步完成，保证了偏转角度的计算精度。

本发明的特点还在于，设计集成式光纤光路和共光路双波长激光干涉测量系统。采用光纤器件代替一部分空间光学元件，实现激光干涉仪的实用化和集成，有效减少环境因素对干涉仪影响，提高稳定性；同时，激光干涉测量系统主体部分为两个近似共光路，两路干涉光路只在光源耦合前、空间光路的测量及干涉信号检测时分离，其余部分均为共光路，可以通过差分的方法消除外界干扰(如机械振动、温度起伏、环境噪声、电磁干扰等)引起的误差，进而提高测量的准确性，从而实现空间不同位置位移量的同步精确测量，进一步计算被测目标的偏转角度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统，其特征在于，包括用光纤连接的第一光源(1)、第二光源(2)、第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、第三光纤耦合器(5)、准直器(6)、隔离器(7)、光纤布拉格光栅(8)、第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)，信号采集与处理电路(11)以及空间布置的闪耀光栅(12)、参考反射镜(13)、准直透镜(14)和测量镜(15)；

第一光源(1)发出的波长为λ₁的第一光波和第二光源(2)发出的波长为λ₂的第二光波分别从第一光纤耦合器(3)的输入端进入，输出后依次通过第二光纤耦合器(4)和准直器(6)，到达闪耀光栅(12)，并在闪耀光栅(12)上发生衍射，零级衍射光投射到参考反射镜(13)上，经参考反光镜(13)反射后，沿原路返回闪耀光栅(12)；波长为λ₁的第一一级衍射光和波长为λ₂的第二一级衍射光分散出射到准直透镜(14)上，经准直透镜(14)两束一级衍射光间隔距离垂直投射到测量镜(15)上，测量镜(15)将两束一级衍射光反射，沿原路返回到闪耀光栅(12)上，与参考反射镜(13)反射回的零级衍射光在闪耀光栅(12)处发生干涉，形成波长为λ₁的第一干涉光和波长为λ₂的第二干涉光；第一干涉光和第二干涉光依次经准直器(6)、第二光纤耦合器(4)、隔离器(7)和第三光纤耦合器(5)进入光纤布拉格光栅(8)，其中第一干涉光通过光纤布拉格光栅(8)到达第一光电探测器(9)，第二干涉光经光纤布拉格光栅(8)反射后反向通过第三光纤耦合器(5)并进入第二光电探测器(10)。

2.根据权利要求1所述的实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统，其特征在于，所述第二光纤耦合器(4)和第三光纤耦合器(5)之间连接有隔离器(7)，用于阻断第二干涉光回流进入第二光纤耦合器(4)对干涉信号产生影响。

3.根据权利要求1所述的实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉系统，其特征在于，所述第一光电探测器(9)和第二光电探测器(10)分别连接信号采集与处理电路(11)，信号采集与处理电路(11)连接计算机。

4.一种利用权利要求1-3任一项所述的双波长衍射干涉系统的实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一光源(1)发出的波长为λ₁的第一光波经第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、准直器(6)到达闪耀光栅(12)后分为第一零级衍射光和第一一级衍射光，第一零级衍射光入射到参考反射镜(13)，后经反射沿原路返回，第一一级衍射光经准直透镜(14)入射到测量镜(15)，后经反射沿原路返回，两束返回光束在闪耀光栅(12)上相遇并产生第一干涉光，第一干涉光被准直器(6)接收后，依次通过第二光纤耦合器(4)、隔离器(7)、第三光纤耦合器(5)、光纤布拉格光栅(8)后被第一光电探测器(9)接收；

第一光电探测器(9)检测第一干涉光的光强变化，经信号采集与处理电路(11)转换为电脉冲信号，通过电脉冲计数和相位检测技术，计算测量镜(15)沿第一一级衍射光入射方向的位移量；

第二光源(2)发出的波长为λ₂的第二光波经第一光纤耦合器(3)、第二光纤耦合器(4)、准直器(6)到达闪耀光栅(12)后分为第二零级衍射光和第二一级衍射光，第二零级衍射光入射到参考反射镜(13)，后经反射沿原路返回，第二一级衍射光经准直透镜(14)入射到测量镜(15)，后经反射沿原路返回，两束返回光束在闪耀光栅(12)上相遇并产生第二干涉光，第二干涉光被准直器(6)接收后，依次通过第二光纤耦合器(4)、隔离器(7)、第三光纤耦合器(5)到达光纤布拉格光栅(8)，被光纤布拉格光栅(8)反射后反向经过第三光纤耦合器(5)被第二光电探测器(10)接收；

第二光电探测器(10)检测第二干涉光的光强变化，经信号采集与处理电路(11)转换为电脉冲信号，通过电脉冲计数和相位检测技术，计算测量镜(15)沿第二一级衍射光入射方向的位移量；

根据测量镜(15)沿第一一级衍射光入射方向的位移量和沿第二一级衍射光入射方向的位移量，以及两束一级衍射光的间隔距离，计算测量镜(15)相对偏转角度。

5.根据权利要求4所述的实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉方法，其特征在于，所述测量镜(15)的位移计算方法为：

其中，Δz₁为测量镜(15)沿第一一级衍射光入射方向的位移量，Δz₂为测量镜(15)沿第二一级衍射光入射方向的位移量，λ₁为第一光源(1)的波长，λ₂为第二光源的波长，N₁为第一光电探测器(9)接收计算得到的电脉冲总数，N₂为第二光电探测器(10)接收计算得到的电脉冲总数。

6.根据权利要求4所述的实现位移和角度同步测量的双波长衍射干涉方法，其特征在于，所述测量镜(15)相对偏转角度的计算方法为：

其中，α为测量镜(15)相对偏转角度，Δz₁为测量镜(15)沿第一一级衍射光入射方向的位移量，Δz₂为测量镜(15)沿第二一级衍射光入射方向的位移量，H为两束一级衍射光的间隔距离。

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