一种基于光学倍频的纳米位移计量传感器及检测仪的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本实用新型涉及精密测量领域，涉及一种高精度的纳米位移计量方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的不断发展，人们对测量技术的精度要求也越来越高。其中高精度 的纳米位移计量装置成为众多领域前进发展的关键技术。常用的位移计量装置为光栅尺和 激光干涉测量仪。光栅尺是通过记录静尺和动尺相互移动对产生的莫尔斯干涉条纹数来测 量位移的。但是光栅尺易受温度的影响，测量分辨率严重依赖于光栅尺的光栅常数，且测量 范围有限。单个光栅尺检测的最大允许速度往往与其测量分辨率成反比，故存在着测量速 度与分辨率的矛盾。而激光干涉测量仪是利用激光在真空中的波长作为长度基准，可以达 到纳米级的测量分辨率。利用参考光路与测量光路的光程差对位移进行测量，通过光学倍 频布局可以使得测量的分辨率达到几个纳米，同时由于激光的相干长度较大，测量的范围 要远远大于光栅尺的测量范围。专利[CN200910069745.2]涉及一种共路激光干涉仪，它包 括激光器、偏振分光镜、反射镜、衍射光栅、偏振片、凸透镜和光电探测器，在激光器发出光 束方向上放置偏振分光镜，偏振分光镜的分光面与激光器发出光束方向成45° ;在偏振分光 镜的分光面方向上的上侧和下侧分别放置反射镜和衍射光栅;在出射光的方向上依次放置 偏振片、凸透镜和光电探测器，这三个元件的光轴方向与偏振分光镜的分光面成45°，与激 光器发出光束方向成90°。将激光多普勒技术与激光偏振干涉技术相结合，增强光路对外界 环境的抗干扰能力，提高了激光干涉仪的测量分辨力和精度，但其在光学结构对位移只进 行了 4细分。
【发明内容】
[0003] 本实用新型的目的在于提供一种基于光学倍频的纳米位移计量传感器，该传感器 采用光学倍频技术，直接在光学结构上将位移进行8细分，由此提高了精度。同时采用偏振 分光棱镜和1/4玻片组合，减少了光能损失。本实用新型技术方案如下：
[0004] -种光学倍频的纳米位移计量传感器，包括偏振分光棱镜、1/4玻片、第一平面反 射镜、第二平面反射镜，第一角锥棱镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、第四角锥棱镜和偏振 片，其特征在于：
[0005] 所述的偏振分光棱镜居中置放于两个镜面平行相对的第一角锥棱镜和第四角锥 棱镜之间，第一、第四角锥棱镜的结构尺寸相同、且反射面均平行于偏振分光棱镜;所述1/4 玻片安装在偏振分光棱镜的正下部，1/4玻片工作面与偏振分光棱镜底边平行，1/4玻片光 学中心轴到第一、第四角锥棱镜的镜面等距，其下方平行设置有左右对称第一平面反射镜、 第二平面反射镜;第一平面反射镜下方设有第二角锥棱镜，第二平面反射镜下方设有第三 角锥棱镜;所述第二、第三角锥棱镜结构和尺寸相同，共同固定在上下运动部件上，第二、第 三角锥棱镜镜面共面且均向上分别与第一、第二平面反射镜的镜面相对;偏振片安装在偏 振分光棱镜的上部;偏振片、1/4玻片、第二、第三角锥棱镜镜面和第一、第二平面反射镜的 镜面相互平行；
[0006]所述偏振分光棱镜上部的一端用于激光入射，另一端正对偏振片，为激光出射部。
[0007] 工作时，偏振分光棱镜将入射激光分为正交的两路线偏振光输出，一路为透射光 Tp，一路为反射光Rs;
[0008] 所述透射光TPgl/4玻片后，再经第二角锥棱镜反射到第一平面反射镜，然后在第 一平面反射镜的反射作用下，按原光路再次经1/4玻片;两次经过1/4玻片，光束偏振方向改 变90度变成反射光Rl，返回偏振分光棱镜，由偏振分光棱镜反射到第一角锥棱镜;经第一 角锥棱镜反射到偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射到1/4玻片，入射至第三角锥棱镜，然 后被反射到第二平面反射镜;在第二平面反射镜作用下，按原光路再次经1/4玻片返回，光 束偏振方向再次改变90度变成透射光T2，透射过偏振分光棱镜，投射到偏振片上；
[0009] 所述反射光Rs射入第四角锥棱镜后，被反射回偏振分光棱镜，进而被偏振分光棱 镜投射到偏振片上，与所述透射光T2经过偏振后发生干涉；
[0010]两干涉光的光程差与安装第二、第三角锥棱镜的运动部件上下位置有关，随运动 部件相对于偏振分光棱镜或1/4玻片的距离变化而变化，从而引起干涉条纹数量变化，结合 已知的激光波长，即求出微小的位移变化。
[0011] 进一步的，所述纳米位移计量传感器的偏振片的上方还设有光电探测器，便于干 涉光条纹信号接收。
[0012] 进一步的，所述纳米位移计量传感器的偏振片是线偏振型，通过调节偏振方向实 现两束光的相干程度。
[0013] 进一步的，本实用新型基于所述纳米位移计量传感器，提出一种纳米位移检测仪， 包括依次电信号连接的纳米位移计量传感器、差分电路、放大整形电路、辨向细分电路、A/D 转换电路和计算机；
[0014] 其中，所述纳米位移计量传感器输出的干涉光条纹信号经差分电路转换为相位差 为90度的正余弦信号，一路送入放大整形电路，变成数字方波输至辨向细分电路进行四细 分计数，该电路对超过1/4周期的条纹移动进行计数；另一路经A/D转换电路，通过A/D转换 器对不足1/4周期的条纹移动进行细分处理;两路信号的计数值送入计算机，进行同步相加 处理，由计算机计算出位移值。
[0015] 本实用新型提出的技术方案，采用了偏振分光棱镜和1/4玻片组合，保证了干涉条 纹的强度，具有测量范围大，抗干扰能力强等特点，并且相比于单路光束系统在某种程度 上可减小非直线运动所造成的误差。由于采用了差动式的结构，直接在采用光学倍频布局， 实现光学8细分，提高了灵敏度，同时可使得结构紧凑、减少温度、空气及机械干扰的影响， 保证了测量的高精度要求。
【附图说明】
[0016] 图1光学倍频的纳米位移计量传感器的结构图；
[0017] 图2基于纳米位移计量传感器的纳米微位移检测仪结构图；
[0018] 在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0019] 1-激光器、2-偏振分光棱镜、3-第一角锥棱镜、4-底座、5-第一平面反射镜、6-第二 角锥棱镜、7-第三角锥棱镜、8-第二平面反射镜、9-1/4玻片、10-第四角锥棱镜、11-偏振片。
【具体实施方式】
[0020] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所 涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0021] 如图1示，本实施提供的光学倍频的纳米位移计量传感器，包括激光器1、偏振分光 棱镜2、1/4玻片9、第一平面反射镜5、第二平面反射镜8,第一角锥棱镜3、第二角锥棱镜6、第 三角锥棱镜7、第四角锥棱镜10，偏振片11和底座4。
[0022]偏振分光棱镜2将激光器输出激光分为正交的两路线偏振光，一路为透射光Tp，一 路为反射光Rs;
[0023]透射光TPgl/4玻片9后，然后经第二角锥棱镜6反射到第一平面反射镜5,然后在 第一平面反射镜5的反射作用下，按原光路再次经1/4玻片9返回，两次经过1/4玻片9,光束 偏振方向改变90度变成反射光Rl，返回偏振分光棱镜2,由偏振分