專利名稱：一種激光干涉測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種干涉法測(cè)量目標(biāo)的裝置。
背景技術(shù)：
激光干涉測(cè)量技術(shù)是當(dāng)今最主要的精密測(cè)量技術(shù)之一，它的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)是nm-μm級(jí)非接觸精密測(cè)量，可以非接觸地測(cè)量目標(biāo)的絕對(duì)位置、相對(duì)位移、移動(dòng)速度、加速度等參數(shù)。激光干涉測(cè)量裝置之所以得到迅猛發(fā)展，主要得益于激光的普及。
激光是一種相干性好、方向性好、亮度高的優(yōu)質(zhì)光源，它是精密光學(xué)測(cè)量中光源的最佳選擇，用它作為干涉光源可使干涉條紋更容易獲得，而且更清晰敏銳，這就使基于分析干涉條紋的精密測(cè)量更容易、更準(zhǔn)確的進(jìn)行。
但是激光的單色性仍然是有限的，普通的激光器實(shí)際的相干長(zhǎng)度約為cm-m級(jí)，普通單縱模激光器相干長(zhǎng)度約為10m級(jí)，特別穩(wěn)頻的單縱模激光器才可達(dá)km級(jí)以上的相干長(zhǎng)度，但已嚴(yán)重受技術(shù)、成本、設(shè)備機(jī)動(dòng)性、系統(tǒng)可靠性、激光輸出能量等的制約，事實(shí)上除個(gè)別發(fā)達(dá)國家外，很難找到商品化的可以實(shí)用的穩(wěn)頻激光器。因此精密干涉測(cè)量距離范圍就受到激光相干長(zhǎng)度指標(biāo)有限的限制。若激光的相干長(zhǎng)度為L(zhǎng)，采用常規(guī)的邁克爾遜不對(duì)稱光路，理論上僅可以測(cè)量距離約為L(zhǎng)/2的目標(biāo)。(國內(nèi)有采用復(fù)雜技術(shù)使測(cè)量距離達(dá)幾十米的報(bào)導(dǎo))。
激光干涉測(cè)量還受光程差的限制，即使激光的相干長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，采用不對(duì)稱光路遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，在長(zhǎng)光程差的情況下假設(shè)還可以發(fā)生干涉，但此時(shí)的干涉條紋將會(huì)十分密集，這會(huì)使條紋分析和記錄十分困難或無法進(jìn)行。
如圖1所示，現(xiàn)有的邁克爾遜干涉測(cè)量裝置包括激光器、半反鏡2、反光鏡4、透鏡及光闌組6、光電探測(cè)器(或稱光電傳感器)7、頻移分析系統(tǒng)8和計(jì)算機(jī)，調(diào)整光程差靠移動(dòng)(粗調(diào)、細(xì)調(diào))反光鏡4實(shí)現(xiàn)，使用此測(cè)量裝置在進(jìn)行遠(yuǎn)目標(biāo)分析時(shí)目標(biāo)光路9與參考光路3間的光程差會(huì)相當(dāng)大即2×OA＞＞2×OB，屬于非對(duì)稱光路且為長(zhǎng)光程差的干涉測(cè)量，此時(shí)兩路光在光電探測(cè)器7所在處一般難以發(fā)生干涉，即使發(fā)生干涉，其條紋也十分密集，頻移分析會(huì)十分困難，以致難以分析遠(yuǎn)距離目標(biāo)的微小位移和緩慢速度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量距離遠(yuǎn)的激光干涉測(cè)量裝置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種激光干涉測(cè)量裝置，它包括激光器、半反鏡2、光程調(diào)整裝置、光電探測(cè)器7、頻移分析系統(tǒng)8和計(jì)算機(jī)，半反鏡2與激光器的光源光路1成45度夾角，參考光路3與光源光路1相互垂直并位于半反鏡2的同一側(cè)，光程調(diào)整裝置的反光鏡位于參考光路3的入射線上，測(cè)量光路5與光源光路1相互垂直并位于半反鏡2的兩側(cè)，光電探測(cè)器7位于測(cè)量光路5的入射線上，光電探測(cè)器7由信號(hào)線與頻移分析系統(tǒng)8的輸入端相連，頻移分析系統(tǒng)8的輸出端由信號(hào)線經(jīng)I/O接口與計(jì)算機(jī)相連；其特征在于光程調(diào)整裝置包括第一反光鏡12、第二反光鏡13、第三反光鏡14、旋轉(zhuǎn)臺(tái)15，第一反光鏡12與第二反光鏡13的反光面相對(duì)，第一反光鏡12的反光面一端位于參考光路3的入射線上，參考光路3的入射線與第一反光鏡12的反光面的法線成α角，0°＜α＜90°；第三反光鏡14的反光面一端位于經(jīng)第一反光鏡12和第二反光鏡13反射后的反射光線19的CB段上，第三反光鏡14的反光面與反射光線19的CB段垂直；第一反光鏡12至少由1個(gè)第一精密調(diào)節(jié)螺釘16與第一反光鏡架固定連接，第二反光鏡13至少由1個(gè)第二精密調(diào)節(jié)螺釘18與第二反光鏡架固定連接，第三反光鏡14至少由1個(gè)第三精密調(diào)節(jié)螺釘17與第三反光鏡架固定連接，第一反光鏡架、第二反光鏡架、第三反光鏡架分別與旋轉(zhuǎn)臺(tái)15固定連接。第一精密調(diào)節(jié)螺釘16、第三精密調(diào)節(jié)螺釘17、第二精密調(diào)節(jié)螺釘18起固定反光鏡和調(diào)節(jié)反光鏡的雙重作用。
所述的第一反光鏡12與第二反光鏡13的反射光線處設(shè)有1-10個(gè)直角棱鏡20，直角棱鏡20的斜面面向反射光線。作用是進(jìn)一步增加光程。
本發(fā)明的光程調(diào)整裝置采用第一反光鏡12、第二反光鏡13、第三反光鏡14、旋轉(zhuǎn)臺(tái)15，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低；使參考光路在第一反光鏡12、第二反光鏡13間反射，通過調(diào)整光線反射的次數(shù)(可通過旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)臺(tái)15，調(diào)整α角的大小實(shí)現(xiàn)；或者通過調(diào)整β角的大小實(shí)現(xiàn)；也可同時(shí)進(jìn)行α角、β角的調(diào)整)，使參考光程與測(cè)量光程基本相當(dāng)，將不對(duì)稱光路變換為在一定范圍內(nèi)基本不受目標(biāo)距離影響的對(duì)稱光路進(jìn)行干涉測(cè)量，此時(shí)干涉條紋質(zhì)量高，易于分析測(cè)量；可以低成本地實(shí)現(xiàn)101-2m級(jí)(或更遠(yuǎn))光程差邁氏干涉(或其它干涉光路)測(cè)量，測(cè)量距離遠(yuǎn)；因而也對(duì)大型的相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和大型工件和工程的精密測(cè)量有重要意義。


圖1為現(xiàn)有的邁克爾遜干涉測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明實(shí)施例1的光程調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意4為本發(fā)明實(shí)施例2的光程調(diào)整裝置的結(jié)構(gòu)示意5為發(fā)明測(cè)得的長(zhǎng)光程目標(biāo)移動(dòng)的多普勒頻移信號(hào)中1-光源光路，2-半反鏡，3-參考光路，4-反光鏡，5-測(cè)量光路，6-透鏡及光闌組，7-光電探測(cè)器，8-頻移分析系統(tǒng)，9-目標(biāo)光路，10-目標(biāo)物，11-準(zhǔn)直擴(kuò)束器，12-第一反光鏡，13-第二反光鏡，14-第三反光鏡，15-旋轉(zhuǎn)臺(tái)，16-第一精密調(diào)節(jié)螺釘，17-第三精密調(diào)節(jié)螺釘，18-第二精密調(diào)節(jié)螺釘，19-反射光線，20-直角棱鏡。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖2、圖3所示，一種激光干涉測(cè)量裝置，它包括激光器、半反鏡2、光程調(diào)整裝置、光電探測(cè)器7、頻移分析系統(tǒng)(如頻譜分析儀)8和計(jì)算機(jī)，半反鏡2與激光器的光源光路1成45度夾角，參考光路3與光源光路1相互垂直并位于半反鏡2的同一側(cè)，光程調(diào)整裝置的反光鏡位于參考光路3的入射線上，測(cè)量光路5與光源光路1相互垂直并位于半反鏡2的兩側(cè)，光電探測(cè)器7位于測(cè)量光路5的入射線上，光電探測(cè)器7由信號(hào)線與頻移分析系統(tǒng)8的輸入端相連，頻移分析系統(tǒng)8的輸出端由信號(hào)線經(jīng)I/O接口與計(jì)算機(jī)相連；光程調(diào)整裝置包括第一反光鏡12、第二反光鏡13、第三反光鏡14、旋轉(zhuǎn)臺(tái)15，第一反光鏡12與第二反光鏡13的反光面相對(duì)，第一反光鏡12的反光面一端位于參考光路3的入射線上，參考光路3的入射線與第一反光鏡12的反光面的法線成α角，0°＜α＜90°，一般取較小值；第三反光鏡14的反光面一端位于經(jīng)第一反光鏡12和第二反光鏡13反射后的反射光線19的CB段上，第三反光鏡14的反光面與反射光線19的CB段垂直；第一反光鏡12至少由1個(gè)第一精密調(diào)節(jié)螺釘16與第一反光鏡架固定連接，第二反光鏡13至少由1個(gè)第二精密調(diào)節(jié)螺釘18與第二反光鏡架固定連接，第三反光鏡14至少由1個(gè)第三精密調(diào)節(jié)螺釘17與第三反光鏡架固定連接，第一反光鏡架、第二反光鏡架、第三反光鏡架分別與旋轉(zhuǎn)臺(tái)15固定連接。
所述的半反鏡2與第一反光鏡12之間的參考光路3的入射線上設(shè)有準(zhǔn)直擴(kuò)束器11。所述的光電探測(cè)器7與半反鏡2之間的測(cè)量光路5上設(shè)有透鏡及光闌組6。
本發(fā)明通過調(diào)整第一反光鏡12、第二反光鏡13的平行度以及入射光的角度來調(diào)整光線的反射次數(shù)使參考光的光程大致等于目標(biāo)光程，也就是使兩路光的光程差控制在相當(dāng)短的范圍內(nèi)(例如＜500mm)，使不對(duì)稱光路轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱光路。這時(shí)分析遠(yuǎn)距離目標(biāo)與分析近距離目標(biāo)光程情況相同，干涉分析可以同樣進(jìn)行。
光程調(diào)整方法如圖3所示，第一反光鏡12、第二反光鏡13、第三反光鏡14是高平面度高反鏡，通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)15旋轉(zhuǎn)可以調(diào)整參考光入射角度α，每個(gè)反射鏡都可以由1至4個(gè)(或多個(gè))精密調(diào)節(jié)螺釘調(diào)整其方向，調(diào)整第一反光鏡12、第二反光鏡13后的精密調(diào)節(jié)螺釘可以調(diào)整β角度(β角為反射光線與第二反光鏡13的垂直面之間的夾角)，即精密調(diào)節(jié)兩鏡間的平行度。調(diào)節(jié)第三反光鏡14的角度使反射光線19的CB段垂直于第三反光鏡14的鏡面，并在第三反光鏡14的邊沿反射，這樣從半反鏡入射的光線OE將會(huì)經(jīng)第一反光鏡12、第二反光鏡13多次反射后再由第三反光鏡14反射并沿原路線返回，最后再沿EO方向回到半反鏡方向。調(diào)節(jié)角度α、或/和β都可以調(diào)節(jié)光的反射次數(shù)，即都可以有效地調(diào)節(jié)參考光程。為計(jì)算方便一般可以將第一反光鏡12、第二反光鏡13嚴(yán)格調(diào)節(jié)為α＝β，即嚴(yán)格平行(不是必需只是計(jì)算方便)，若第一反光鏡12、第二反光鏡13的有效長(zhǎng)度為l，兩鏡間距為h如圖3所示，參考光路的光程將延長(zhǎng)s米，可以計(jì)算反射點(diǎn)間距Δ＝2h·tgα反射鏡1有效反射點(diǎn)數(shù)N=l2h·tgα+1]]>每點(diǎn)對(duì)應(yīng)雙程光程為s′=4hcosα]]>總光程為s=N·s′=(l2h·tgα+1)·4hcosα]]>若α角度很小，則s≈2lthα]]>反射鏡1有效反射點(diǎn)數(shù)取整數(shù)。若反射鏡長(zhǎng)度l＝0.3m，α調(diào)整為0.05度，則可以延長(zhǎng)光程s＝687m。若在保證平面度的前提下反射鏡可以加工的更長(zhǎng)，或通過擴(kuò)大兩反射鏡間距h等方法可以使α角度更小，或采用多級(jí)反射鏡組串聯(lián)使用，或采用類似原理的組合使用，還有可能使光程成倍度延長(zhǎng)。
關(guān)于具體以何標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整并增加參考光程，可以采用其它方法先估算出測(cè)量光路5的測(cè)量光路的長(zhǎng)度，再按上述推導(dǎo)的公式調(diào)整α或/和β角度使s基本等于測(cè)量光路的長(zhǎng)度，還可以采用一般的邁克爾遜干涉測(cè)量零光程差的判別方法在調(diào)整α、β和h的同時(shí)觀測(cè)零光程差特征，再選擇調(diào)整恰當(dāng)?shù)摩?、β角度，使干涉測(cè)量容易進(jìn)行(一般需要偏離零光程差位置)。
如圖5，是采用發(fā)明的方案，用邁克爾遜干涉測(cè)量法測(cè)量到的遠(yuǎn)目標(biāo)物10緩慢移動(dòng)的多普勒頻移信號(hào)。
同樣道理，發(fā)明還可以解決其它干涉測(cè)量中，如全息照相、干涉測(cè)量等等長(zhǎng)光程差干涉的問題。
實(shí)施例2與實(shí)施例1其本相同，不同之處在于所述的第一反光鏡12與第二反光鏡13的反射光線處設(shè)有1-10個(gè)直角棱鏡20，直角棱鏡20的斜面面向反射光線。直角棱鏡20可由兩個(gè)相互垂直的反光鏡代替。
一個(gè)稍加改進(jìn)(只需要增加直角棱鏡)便可僅用第一反光鏡12、第二反光鏡13而成倍延長(zhǎng)光程的方法是采用至少一個(gè)直角棱鏡(或起類似作用的光學(xué)元件，如兩個(gè)互相垂直的平面鏡等)反射光線，使光在第一反光鏡12、第二反光鏡13上重復(fù)排列至少多一次，即光程再延長(zhǎng)至少一倍，如圖4所示。圖4中光線CB仍應(yīng)垂直于反射鏡3的鏡面且照射在反射鏡3的邊沿。如果采用一個(gè)直角棱鏡，可使光程相對(duì)實(shí)施例1再延長(zhǎng)1倍。
若第一反光鏡12、第二反光鏡13的寬度足夠，依照同樣的方法，只需增加n個(gè)直角棱鏡便可使光程再增加n倍。
權(quán)利要求
1.一種激光干涉測(cè)量裝置，它包括激光器、半反鏡(2)、光程調(diào)整裝置、光電探測(cè)器(7)、頻移分析系統(tǒng)(8)和計(jì)算機(jī)，半反鏡(2)與激光器的光源光路(1)成45度夾角，參考光路(3)與光源光路(1)相互垂直并位于半反鏡(2)的同一側(cè)，光程調(diào)整裝置的反光鏡位于參考光路(3)的入射線上，測(cè)量光路(5)與光源光路(1)相互垂直并位于半反鏡(2)的兩側(cè)，光電探測(cè)器(7)位于測(cè)量光路(5)的入射線上，光電探測(cè)器(7)由信號(hào)線與頻移分析系統(tǒng)(8)的輸入端相連，頻移分析系統(tǒng)(8)的輸出端由信號(hào)線經(jīng)I/O接口與計(jì)算機(jī)相連；其特征在于光程調(diào)整裝置包括第一反光鏡(12)、第二反光鏡(13)、第三反光鏡(14)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)(15)，第一反光鏡(12)與第二反光鏡(13)的反光面相對(duì)，第一反光鏡(12)的反光面一端位于參考光路(3)的入射線上，參考光路(3)的入射線與第一反光鏡(12)的反光面的法線成α角，0°＜α＜90°；第三反光鏡(14)的反光面一端位于經(jīng)第一反光鏡(12)和第二反光鏡(13)反射后的反射光線(19)的CB段上，第三反光鏡(14)的反光面與反射光線(19)的CB段垂直；第一反光鏡(12)至少由1個(gè)第一精密調(diào)節(jié)螺釘(16)與第一反光鏡架固定連接，第二反光鏡(13)至少由1個(gè)第二精密調(diào)節(jié)螺釘(18)與第二反光鏡架固定連接，第三反光鏡(14)至少由1個(gè)第三精密調(diào)節(jié)螺釘(17)與第三反光鏡架固定連接，第一反光鏡架、第二反光鏡架、第三反光鏡架分別與旋轉(zhuǎn)臺(tái)(15)固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光干涉測(cè)量裝置，其特征在于所述的第一反光鏡(12)與第二反光鏡(13)的反射光線處設(shè)有1-10個(gè)直角棱鏡(20)，直角棱鏡(20)的斜面面向反射光線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光干涉測(cè)量裝置，其特征在于所述的半反鏡(2)與第一反光鏡(12)之間的參考光路(3)的入射線上設(shè)有準(zhǔn)直擴(kuò)束器(11)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種干涉法測(cè)量目標(biāo)的裝置。一種激光干涉測(cè)量裝置，它包括激光器、半反鏡(2)、光程調(diào)整裝置、光電探測(cè)器(7)、頻移分析系統(tǒng)(8)和計(jì)算機(jī)，其特征在于光程調(diào)整裝置包括第一反光鏡(12)、第二反光鏡(13)、第三反光鏡(14)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)(15)，第一反光鏡(12)與第二反光鏡(13)的反光面相對(duì)，第一反光鏡(12)的反光面一端位于參考光路(3)的入射線上，第三反光鏡(14)的反光面一端位于反射光線(19)的CB段上，第三反光鏡(14)的反光面與反射光線(19)的CB段垂直；第一反光鏡架、第二反光鏡架、第三反光鏡架分別與旋轉(zhuǎn)臺(tái)(15)固定連接。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1837756SQ20061001887
公開日2006年9月27日 申請(qǐng)日期2006年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月25日
發(fā)明者楊勇, 宋俊磊, 湯型正, 羅中杰 申請(qǐng)人:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)