一種用于角度測量無非線性誤差的激光外差干涉系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)檢測領(lǐng)域，具體涉及一種用于角度測量無非線性誤差的激光 外差干涉系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 幾何量精密測量在軍工、航天、數(shù)控機床等高科技領(lǐng)域具有重要的作用，特別是對 運動導(dǎo)軌偏擺角、俯仰角的測量技術(shù)，越來越受到重視。外差激光干涉儀的結(jié)構(gòu)簡單、抗干 擾能力強、檢測方便，通過相位比較即可達到很高的測量分辨率，在納米測量中有著獨特的 優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用。
[0003] 理論上，激光干涉儀工作時，激光源發(fā)出的兩個具有一定頻差的正交線偏振光，經(jīng) 偏振分光鏡分光后，兩個偏振分量分別經(jīng)測量臂和參考臂后各自攜帶相應(yīng)的相移信息，經(jīng) 干涉后獲得與被測長度成線性關(guān)系的拍頻信號。
[0004] 實際應(yīng)用時，由于激光光源的橢圓偏振化，干涉儀中各光學(xué)元器件的非理想性及 其安調(diào)誤差等各種非理想因素，使得干涉光路中兩種頻率的偏振光不能完全分開，從而使 被測信號中出現(xiàn)一個附加的周期相位誤差。這一相位誤差使測得的相位位移和實際被測長 度不成線性關(guān)系，且該誤差隨著被測長度的變化以2p為周期變化，形成一個較大的周期性 非線性誤差，其幅值可達幾個納米，對于納米測量系統(tǒng)而言，成為影響測量精度的一項重要 誤差源。
[0005] 由于這一周期性的非線性誤差使得基于外差干涉技術(shù)的角度測量難以進一步提 高測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有激光干涉儀存在的較大非線性誤差，提出了一種用于角度測量無 非線性誤差的激光外差干涉系統(tǒng)，用于實現(xiàn)小角度偏擺角或俯仰角的高精度測量，結(jié)構(gòu)簡 單且調(diào)試方便。
[0007] 本發(fā)明技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的： 一種用于角度測量無非線性誤差的激光外差干涉系統(tǒng)，由單頻激光源、聲光頻移單元、 光干涉裝置、平面反射鏡以及相位檢測裝置組成;其特點是： 所述單頻激光源提供穩(wěn)定的單一頻率線偏振光； 所述聲光頻移單元包括:分光鏡、兩個聲光頻移器、三個直角棱鏡； 所述聲光頻移器用于調(diào)整偏振分量光的頻率，所述直角棱鏡用于調(diào)整光束的傳輸方 向；使所述光束與另一光束傳輸方向平行，且兩束光產(chǎn)生頻率差； 所述光干涉裝置包括:兩個偏振分光鏡、角錐棱角、第四直角棱鏡、四分之一波片； 所述偏振分光鏡用于對調(diào)整后的光束進行分光，四分之一波片用于改變線偏振光的偏 振態(tài)； 將所述平面反射鏡固定于被測件，作為偏擺傳感器； 所述相位檢測裝置包括:兩個檢偏器，兩個光電檢測器，相位計;其中：檢偏器用于混合 一個光路中偏振態(tài)正交的兩個光束，并產(chǎn)生新的干涉測量光束； 所述相位計用于接收電測量信號，經(jīng)過比相處理計算輸出被測件的偏擺角； 具體光路連接如下： CD將所述單頻激光源產(chǎn)生的第一光束入射到所述聲光頻移單元； ?聲光頻移單元的分光鏡對第一光束進行分光，產(chǎn)生兩個偏振分量光分別作為所述 聲光頻移器的輸入光束;其中第一聲光頻移器用于調(diào)整所述兩個分量光中一個分量光的頻 率，輸出光束為第二光束，第二聲光頻移器用于調(diào)整所述兩個分量光中另一個分量光的頻 率，輸出光束為第三光束;所述第一直角棱鏡、第二直角棱鏡和第三直角棱鏡用于調(diào)整所述 第二光束的傳輸方向，使所述第二光束和第三光束傳輸方向平行;結(jié)果產(chǎn)生具有不同頻率 差、偏振態(tài)相同、空間平行的第二光束和第三光束； (!)所述第一偏振分光鏡對所述第二光束進行分光，其中s分量光經(jīng)所述第一偏振分光 鏡的一面出射，經(jīng)所述角錐棱角及第一偏振分光鏡再次反射后成為第四光束;其中P分量經(jīng) 所述第一偏振分光鏡的另一面出射，經(jīng)第二偏振分光鏡透射后，經(jīng)過所述四分之一波片入 射至所述平面反射鏡，成為第五光束，所述第五光束經(jīng)所述平面反射鏡反射后返回并再次 經(jīng)過所述四分之一波片；由于兩次通過所述四分之一波片，P分量光改變偏振態(tài)為s偏振態(tài)， 并經(jīng)所述第二偏振分光鏡反射至所述第四直角棱鏡，反射后再次由所述第二偏振分光鏡反 射，經(jīng)所述四分之一波片入射至所述平面反射鏡，為第六光束，所述第六光束從所述平面反 射鏡返回再次經(jīng)過四分之一波片后改變偏振態(tài)，從所述第二偏振分光鏡透射，并經(jīng)第一偏 振分光鏡透射后成為第七光束； 所述第一偏振分光鏡也對所述第三光束進行分光，其中S分量光經(jīng)所述第一偏振分光 鏡出射，經(jīng)所述角錐棱角及第一偏振分光鏡再次反射后成為第八光束;其中P分量從所述第 一偏振分光鏡出射，經(jīng)第二偏振分光鏡透射后經(jīng)過所述四分之一波片，入射至所述平面反 射鏡，成為第九光束，所述第九光束經(jīng)所述平面反射鏡反射后返回并再次經(jīng)過所述四分之 一波片，由于兩次通過所述四分之一波片，P分量光改變偏振態(tài)為s偏振態(tài)，并經(jīng)所述第二偏 振分光鏡反射至所述第四直角棱鏡，反射后再次由所述第二偏振分光鏡反射，經(jīng)所述四分 之一波片入射至所述平面反射鏡，成為第十光束，所述第十光束從所述平面反射鏡返回再 次經(jīng)過四分之一波片后改變偏振態(tài)，從第二偏振分光鏡透射，并經(jīng)第一偏振分光鏡透射后 成為第i 光束； @第一檢偏器，用于混合偏振態(tài)正交的第四光束和第i 光束產(chǎn)生第一干涉光束;第 二檢偏器，用于混合偏振態(tài)正交的第七光束和第八光束產(chǎn)生第二干涉光束;第一光電檢測 器，接收所述第一干涉光束產(chǎn)生第一電測量信號;第二光電檢測器，接收所述第二干涉光束 產(chǎn)生第二電測量信號;相位計，接收第一電測量信號和第二電測量信號，經(jīng)過比相處理計算 輸出被測件的偏擺角或俯仰角。
[0008] 所述光干涉裝置的角錐棱角設(shè)置在第一偏振分光鏡上表面一側(cè)，角錐棱角的軸線 與上表面垂直，且角錐棱角和上表面的中心軸線相互平行，優(yōu)選位于同一直線上。
[0009] 所述光干涉裝置的第四直角棱鏡設(shè)置在第二偏振分光鏡上表面一側(cè)，第四直角棱 鏡的軸線與第二偏振分光鏡的上表面垂直;直角棱鏡的底面和第二偏振分光鏡的上表面的 中心軸線相互平行，優(yōu)選位于同一直線上。
[0010] 所述光干涉裝置的四分之一波片位于第二偏振分光鏡的側(cè)面與平面反射鏡之間， 且四分之一波片與第二偏振分光鏡的側(cè)面平行。
[0011] 所述光干涉裝置的第一偏振分光鏡、第二偏振分光鏡、四分之一波片、平面反射鏡 的中心軸線平行或位于同一直線上，通過調(diào)整所述角錐棱角和第四直角棱鏡，使所述第五 光束和第九光束位于同一高度，所述第六光束和第十光束位于同一高度，所述第四光束和 所述第十一光束位置重合;所述第七光束和所述第八光束位置重合。
[0012] 所述第五光束、第六光束、第九光束和第十光束在所述平面反射鏡的入射位置構(gòu) 成一個矩形的四個頂點，所述第五光束和第六光束構(gòu)成所述矩形一側(cè)的兩個頂點，所述第 九光束和第十光束構(gòu)成所述矩形另一側(cè)的兩個頂點。
[0013] 本發(fā)明采用兩個聲光頻移器件從光源到干涉測量前，不同頻率的測量光沒有產(chǎn)生 頻率混疊，而光干涉裝置中，兩個不同頻率的測量光光路分開，分別攜帶各自的測量信息， 整個干涉測量系統(tǒng)中，測量光從光源到干涉前，傳輸路徑分開，空間獨立的，不存在頻率混 疊，避免了周期性非線性誤差的產(chǎn)生，有利于系統(tǒng)測量精度的提高。此外，利用光干涉裝置 和平面反射鏡實現(xiàn)了光學(xué)四倍頻，提高了測量分辨率，