專(zhuān)利名稱：基于法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量的干涉系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以采用光學(xué)方法為特征的計(jì)量裝置，尤其是涉及一種基于法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量的干涉系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
測(cè)量的高精度，大范圍，多自由度始終是計(jì)量領(lǐng)域一貫追求的目標(biāo)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)空間物體的多自由度測(cè)量越來(lái)越顯示出迫切性和重要性，它在航空航天、生物細(xì)胞工程、機(jī)器人、柔性制造、自動(dòng)裝配、數(shù)控機(jī)床檢測(cè)、光纖對(duì)接耦合及多自由度平臺(tái)等領(lǐng)域有著非常重要的作用。常見(jiàn)的多自由度測(cè)量手段包括三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、立體視覺(jué)六自由度測(cè)量、基于全息透鏡的六自由度測(cè)量，激光跟蹤測(cè)量技術(shù)，基于干涉技術(shù)的多自由度測(cè)量等等，這些測(cè)量技術(shù)雖可以達(dá)到一定的測(cè)量范圍，但測(cè)量精度普遍不高?；诟缮婕夹g(shù)的多自由度測(cè)量采用成熟先進(jìn)的激光干涉測(cè)量技術(shù)進(jìn)行定位和測(cè)量，測(cè)量步驟相對(duì)簡(jiǎn)單，精度較高。但是該方法單參數(shù)測(cè)量的特性就決定了其只能進(jìn)行多自由度分時(shí)測(cè)量，無(wú)法滿足多自由度動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。一般三軸數(shù)控類(lèi)加工設(shè)備總共需要檢測(cè)21項(xiàng)誤差分量，安裝一次僅測(cè)量一項(xiàng)誤差分量，其檢測(cè)過(guò)程煩瑣而漫長(zhǎng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量的干涉系統(tǒng)。利用激光干涉原理，即實(shí)現(xiàn)了其他多自由度測(cè)量方法不能實(shí)現(xiàn)的納米級(jí)精度和大范圍測(cè)量特性，又克服了基于干涉技術(shù)的多自由度測(cè)量的單參數(shù)特性。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是雙頻激光器發(fā)出的正交線偏振光經(jīng)第一分束鏡分成參考光束和測(cè)量光束兩路，參考光束經(jīng)第一檢偏器拍頻后接第一探測(cè)器；測(cè)量光束再次被第二分束鏡分成透射光束和反射光束兩路，透射光束經(jīng)一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置后入射置于被測(cè)物體上的測(cè)量平面鏡，反射光束經(jīng)平面反射鏡反射后入射同樣結(jié)構(gòu)的另一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置，出射后入射置于被測(cè)物體上的同一測(cè)量平面鏡；入射和出射兩個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置中的兩路光束相互平行。
所述的兩路同樣結(jié)構(gòu)的基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置之一路，包括兩個(gè)偏振分光鏡、第二檢偏器、第二探測(cè)器、兩個(gè)1/4波晶片、參考平面鏡、法拉第旋光器、固定平面鏡和角錐棱鏡；每一路光束上依次放置第一偏振分光鏡、法拉第旋光器、第二偏振分光鏡和第二1/4波晶片，在測(cè)量平面鏡反射光一側(cè)設(shè)置角錐棱鏡，在與入射光束垂直的第一偏振分光鏡的一側(cè)依次設(shè)置第二檢偏器和第二探測(cè)器，另一側(cè)依次設(shè)置第一1/4波晶片和參考平面鏡；在與入射光束垂直的第二偏振分光鏡的一側(cè)設(shè)置固定平面鏡，其反射面與第二偏振分光鏡的透振方向平行。
把測(cè)量鏡放置在空間微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，在離開(kāi)微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)不遠(yuǎn)處放置一個(gè)角錐棱鏡，這樣無(wú)論空間微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)如何運(yùn)動(dòng)，只要反射光線被角錐棱鏡捕捉，利用角錐棱鏡的逆反射特性保證了入射到測(cè)量鏡的光束與經(jīng)測(cè)量鏡反射回來(lái)的光束嚴(yán)格平行，通過(guò)第二偏振分光鏡反射后垂直入射到固定平面鏡，根據(jù)光路的可逆原理和元件的偏振特性，光束將按原路返回。但這樣只能導(dǎo)致測(cè)量光束返回激光器的激光出射孔，因此中間加個(gè)法拉第旋光器，改變光束的偏振態(tài)，使得測(cè)量光束與參考光束拍頻進(jìn)入探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)激光干涉測(cè)量。
在微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的x方向放置基于法拉第旋光器的位移角度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)x方向的位移測(cè)量和繞z軸的角度測(cè)量；在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)y方向放置基于法拉第旋光器的位移角度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)之一路干涉儀，測(cè)量微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在y方向的位移。
本發(fā)明具有的有益效果是1)基于法拉第旋光器的位移角度實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)采用了激光干涉測(cè)量，所以有納米級(jí)測(cè)量精度；2)采用角錐棱鏡作為激光逆反射器件，微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的角度偏轉(zhuǎn)，仍能夠保證光路按原路返回，構(gòu)成激光干涉。因此有較大的位移和角度測(cè)量范圍；3)克服了多自由度測(cè)量系統(tǒng)中普通激光干涉儀單參數(shù)測(cè)量的缺點(diǎn)，可以進(jìn)行位移角度同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量；4)光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便。
本發(fā)明主要適用于納米技術(shù)、微光機(jī)電技術(shù)、集成電路芯片制造技術(shù)、生物技術(shù)等領(lǐng)域所涉及的磁懸浮式、氣浮式納米級(jí)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)領(lǐng)域。


圖1是基于法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量干涉系統(tǒng)框圖。
圖2是法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量原理圖。
圖1中1、雙頻激光器，2、第一分束鏡，3、第一檢偏器，4、第一探測(cè)器，5、第二分束鏡，6、平面反射鏡，7、第一偏振分光鏡，8、第二檢偏器，9、第二探測(cè)器，10、第一1/4波晶片，11、參考平面鏡，12、法拉第旋光器，13、第二偏振分光鏡，14、固定平面鏡，15、第二1/4波晶片，16、角錐棱鏡，17、測(cè)量平面鏡。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，雙頻激光器1發(fā)出的正交線偏振光經(jīng)第一分束鏡2分成參考光束和測(cè)量光束兩路，參考光束經(jīng)第一檢偏器3拍頻后接第一探測(cè)器4；測(cè)量光束再次被第二分束鏡5分成透射光束和反射光束兩路，透射光束經(jīng)一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置后入射置于被測(cè)物體上的測(cè)量平面鏡17，反射光束經(jīng)平面反射鏡6反射后入射同樣結(jié)構(gòu)的另一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置，出射后入射置于被測(cè)物體上的同一測(cè)量平面鏡17；入射和出射兩個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置中的兩路光束相互平行。
以透射光束接入基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置為例，透過(guò)第二分束鏡5的光束被第一偏振分光鏡7分成頻率不同的兩束線偏振光，被第一偏振分光鏡7反射的光束，其偏振態(tài)平行于紙面，它透過(guò)第一1/4波晶片10后，被參考平面鏡11垂直反射后，再次透過(guò)第一1/4波晶片10，由于兩次透過(guò)第一1/4波晶片10，其偏振態(tài)改變90°，透過(guò)第一偏振分光鏡7后成為參考光，其偏振態(tài)與紙面垂直；透過(guò)第一偏振分光鏡7的光束，其偏振態(tài)垂直于紙面，經(jīng)過(guò)能夠旋光45°的法拉第旋光器12，從入射方向看，偏振方向順時(shí)針?lè)较蚋淖兞?5°，入射至第二偏振分光鏡13，偏振分光鏡13與x-y平面呈45°放置，因此其透振方向與入射光的透振方向一致，它透過(guò)偏振分光鏡13，經(jīng)第二1/4波晶片15被裝在被測(cè)物體上的測(cè)量平面鏡17反射至角錐棱鏡16，由角錐棱鏡16的逆反射特性，平行出射后重新入射至測(cè)量平面鏡17，經(jīng)測(cè)量平面鏡17反射后再次透過(guò)第二1/4波晶片15，由于兩次透過(guò)第二1/4波晶片15，其偏振態(tài)又改變了90°，與偏振分光鏡13的透振方向垂直，經(jīng)偏振分光鏡13反射后垂直入射到固定平面鏡14，固定平面鏡14的反射面與偏振分光鏡13的透振方向平行放置。由光路的可逆原理和器件的偏振特性，被參考平面鏡垂直反射后將按原路返回經(jīng)偏振分光鏡13反射，第二1/4波晶片15-測(cè)量平面鏡17-角錐棱鏡16-測(cè)量平面鏡17-第二1/4波晶片15，重新射至偏振分光鏡13，由于在返回過(guò)程中，再次兩次透過(guò)于1/4波晶片，其偏振態(tài)在原來(lái)基礎(chǔ)上又改變了90°，與偏振分光鏡13的透振方向一致，使得其按原路透過(guò)偏振分光鏡13，最后經(jīng)法拉第旋光器順時(shí)針旋光45°后，成為按原路返回的振動(dòng)方向平行于紙面的線偏振光，經(jīng)第一偏振分光鏡7反射，透過(guò)第二檢偏器8后，與參考光拍頻進(jìn)入第二探測(cè)器9。
從中可以看出，無(wú)論測(cè)量鏡怎樣運(yùn)動(dòng)，其反射光線只要被角錐棱鏡16捕捉，就能保證激光按原路返回。若測(cè)量鏡作繞z方向的平面運(yùn)動(dòng)，x為其沿X軸的平動(dòng)位移，θ為其繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角位移，則系統(tǒng)的光程差可表示為OPD(x，θ)＝f(θ，α)x+g1(θ)Ls+g2(θ；n)Dr(1)f(θ,α)=8cos2(α-θ)cosα---(2)]]>g1(θ)＝-8sin2θ (3)g2(θ;n)=2n2-1+cos4θ-2n---(4)]]>其中Dr為角錐棱鏡的直徑，Ls為起始時(shí)刻測(cè)量鏡的反射點(diǎn)到角錐棱鏡的垂直距離，n為角錐棱鏡的折射率，α為初始時(shí)刻測(cè)量鏡與入射激光的夾角。
在圖2中，L1、L2兩束相互平行的光束的距離為H，兩束激光與測(cè)量鏡起始夾角為α，當(dāng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)作平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，17’為測(cè)量平面鏡的運(yùn)動(dòng)后的位置，其旋轉(zhuǎn)角度為θ，x1，x2為需要測(cè)量的位移。此時(shí)兩路干涉儀的光程差可以由式(1)式得到OPD(x1，θ)＝f(θ，α)x1+g1(θ)Ls+g2(θ；n)Dr+g3(θ)cd(5)OPD(x2，θ)＝f(θ，α)x2+g1(θ)Ls+g2(θ；n)Dr+g3(θ)cd(6)由式(6)-(5)可以得到ΔOPD＝OPD(x2，θ)-OPD(x1，θ)＝f(θ；α)(x2-x1) (7)由圖2可以得到x2-x1=sinθcos(α+θ)H---(8)]]>把式(7)式代入(8)式得ΔOPD=8Hcosαcos(α+θ)sinθ---(9)]]>
由(9)式可以得到旋轉(zhuǎn)角度θθ=12[sin-1(ΔOPDcosα4H+sinα)-α]]]>得到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度θ以后，就可以根據(jù)式(5)、式(6)得到位移x1，x2。在微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的y軸方向放置基于法拉第旋光效應(yīng)的位移角度同時(shí)測(cè)量之一路激光干涉儀，就可以同時(shí)測(cè)量y軸方向的位移。這樣就實(shí)現(xiàn)了微運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位移角度的同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種基于法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量的干涉系統(tǒng)，其特征在于雙頻激光器(1)發(fā)出的正交線偏振光經(jīng)第一分束鏡(2)分成參考光束和測(cè)量光束兩路，參考光束經(jīng)第一檢偏器(3)拍頻后接第一探測(cè)器(4)；測(cè)量光束再次被第二分束鏡(5)分成透射光束和反射光束兩路，透射光束經(jīng)一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置后入射置于被測(cè)物體上的測(cè)量平面鏡(17)，反射光束經(jīng)平面反射鏡(6)反射后入射同樣結(jié)構(gòu)的另一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置，出射后入射置于被測(cè)物體上的同一測(cè)量平面鏡(17)；入射和出射兩個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置中的兩路光束相互平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量的干涉系統(tǒng)，其特征在于所述的兩路同樣結(jié)構(gòu)的基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置之一路，包括兩個(gè)偏振分光鏡(7、13)、第二檢偏器(8)、第二探測(cè)器(9)、兩個(gè)1/4波晶片(10、15)、參考平面鏡(11)、法拉第旋光器(12)、固定平面鏡(14)和角錐棱鏡(16)；每一路光束上依次放置第一偏振分光鏡(7)、法拉第旋光器(12)、第二偏振分光鏡(13)和第二1/4波晶片(15)，在測(cè)量平面鏡(17)反射光一側(cè)設(shè)置角錐棱鏡(16)，在與入射光束垂直的第一偏振分光鏡(7)的一側(cè)依次設(shè)置第二檢偏器(8)和第二探測(cè)器(9)，另一側(cè)依次設(shè)置第一1/4波晶片(10)和參考平面鏡(11)；在與入射光束垂直的第二偏振分光鏡(13)的一側(cè)設(shè)置固定平面鏡(14)，其反射面與第二偏振分光鏡(13)的透振方向平行。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了基于法拉第旋光效應(yīng)的位移和角度同時(shí)測(cè)量的干涉系統(tǒng)。雙頻激光器發(fā)出的正交線偏振光經(jīng)第一分束鏡分成參考和測(cè)量光束兩路，參考光束經(jīng)第一檢偏器拍頻后接第一探測(cè)器；測(cè)量光束再次被第二分束鏡分成透射和反射光束兩路，透射光束經(jīng)一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置后入射置于被測(cè)物體上的測(cè)量平面鏡，反射光束經(jīng)平面反射鏡反射后入射同樣結(jié)構(gòu)的另一個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置，出射后入射置于被測(cè)物體上的同一測(cè)量平面鏡；入射和出射兩個(gè)基于法拉第旋光效應(yīng)的入射光原路返回裝置中的兩路光束相互平行。它實(shí)現(xiàn)了高精度、大范圍的位移和角度同時(shí)測(cè)量，適用于納米、微光機(jī)電、集成電路芯片制造和生物技術(shù)領(lǐng)域的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01D5/26GK1920620SQ200610053378
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2006年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月13日
發(fā)明者陳本永, 楊濤, 鐘挺, 孫政榮, 張麗瓊 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)