专利名称：激光干涉仪光路准直瞄准装置及瞄准方法
技术领域：
本发明涉及激光干涉仪测量光路准直瞄准装置和瞄准方法，用于精密测试和精密计量技 术领域。当采用激光干涉仪进行长度测量时，用于快速准确地实现激光干涉仪测量光路与耙 镜移动方向的准直瞄准。
背景技术：
随着现代化国防建设、工业生产和、科学技术的飞跃发展，人们对位移测量及定位和标定 的精度以及测量速度提出越来越高的要求。激光干涉仪测量精度高，可达纳米级测量精度， 分辨率高，测量速度快，量程大，广泛用在精密或超精密测量中。但是，在激光干涉仪的长 度测量应用中，为了与激光干涉仪的长度测量精度相匹配，实现纳米量级测量精度，必须使 激光干涉仪的测量光路与被测对象的运动方向，即激光干涉仪的耙镜运动方向尽可能一致， 也就是准直，否则会产生不可忽略的余弦误差。
目前常用的激光干涉仪，不论是单频激光干涉仪或者双频激光干涉仪，精度都达到纳米 级，例如HP的5529A双频激光干涉仪，在线性测量时它的精度能够达到1.7ppm，即在l米的测 量范围内，它的测量精度是1.7pm。可是，当干涉仪测量方向与靶镜移动方向有一定的角度偏 差时，如10怖偏差会使测量结果与实际值相差4.2nm，即余弦误差达到4.2^1111，这一误差值 远远大于干涉仪本身的测量精度，由此可见激光干涉仪测量方向与耙镜移动方向因没有对准 而造成的测量误差非常大。为了减小该余弦误差，在测量前，需要对测量光路进行调节，使 干涉仪测量方向与靶镜移动方向在一条直线上，减小余弦误差，使测量精度与激光干涉仪的 测量精度相匹配。目前常用的办法是调节者通过肉眼观察激光器打在靶镜上的光斑，是否随 靶镜的运动而发生上下或左右的偏移，由此判断靶镜移动的方向是否与干涉仪测量的方向在 一条直线上，并以此为依据对光路进行调整。但是，这种方法只能定性地判断两个方向之间 的偏差，观察者也只能推断出靶镜的调整方向和大概的调整范围，而不能精确确定。在实际 操作中，由于人眼所能分辨的最小位移只有0.1mm，使得人工调整的精度往往达不到实际要 求，在实际测量中，尤其是远距离测量，非常细微的角度偏差都会对测量结果产生很大的影
响。表i所示为激光干涉仪的测量方向与靶镜移动方向的角度偏差e对测量结果的影响。
3表l
、度偏差 大小(鹏)\^5,10'20'30'50'r
100.0000110.0000420.0001690.0003810.0010580.001523
200.0000210.0000850.0003380.0007620.0021150.003046
300.0000320.0001270.0005080.0011420.0031730.004569
500.0000530.0002120.0008460. oo簡0.0052880.007615
1000.0001060.0004230.0016920. 003,0. 0105770.015230
2000.0002120.0008460.0033850.0076150.0211540.030461
3000.0003170. 0012690.0050770.0114230.0317300.045691
5000. 0005290.0021150. 00,20.0190380. 052,0.076152
画0. 0010580.0042310.0169230.0380770.1057680.15230
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种激光干涉仪光路准直瞄准装 置及瞄准方法，以期定量且快速、准确地实现干涉光路的调整，从而降低余弦误差对测量系 统的影响。
本发明解决技术问题采用如下技术方案
本发明激光干涉仪光路准直瞄准装置的结构特点是在靶镜的反射面上固定设置四象限探 测器，所述四象限探测器是四个性能相同的光电二极管按照直角坐标的方式，以"0"点为 坐标原点，排列成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，各光电二极管的光敏面朝向 激光器；以所述四个象限中的光电二极管为分别作为各个象限的光强探测器，分别以各个光 电二极管对应输出各象限光强电流信号I" 12、 13、 14;设置电信号转换电路，所述各象限光 强电流信号在经电信号转换电路之后以各象限电压信号Ui、 U2、 U3、 U4对应输出；设置运算 电路，在所述运算电路中分别输出激光光斑水平位移信号X为(UrMJ4) - (U2+U3)和激光 光斑垂直位移信号Y为(U—U2) - (U3+U4)。
本发明激光干涉仪光路准直瞄准装置的瞄准方法是按如下步骤进行
步骤1:在进行干涉光路的准直瞄准前，将靶镜固定在初始位置上，调整激光器位置， 使得由运算器输出的初始激光光斑水平位移信号XI和初始激光光斑垂直位移信号Yl均为 零，由此将激光器输出光路瞄准在所述坐标的原点"0"的位置上；
步骤2:按靶镜移动方向使靶镜移动，由运算器输出靶镜移动后激光光斑水平位移信号 X2，靶镜移动后激光光斑垂直位移信号Y2;
步骤3:若X2和Y2均为零，则判断为激光干涉仪的测量方向与耙镜移动的方向相一致； 若X2和Y2不为零，则依据X2和Y2获得所需调整的激光干涉仪测量方向与靶镜移动的方 向之间角度偏差。当激光干涉仪测量方向与靶镜移动的方向相一致时，靶镜的移动不会使照射在四象限探 测器上的光斑发生上下或左右方向的偏移，那么四象限探测器输出的光强电流信号I,、 I2、 I3、 14保持不变，经过运算器处理后的激光光斑水平位移信号X和激光光斑垂直位移信号Y也都 保持为零。
当激光干涉仪测量方向与靶镜移动的方向存在有角度偏差时，随着耙镜的移动，照射在 四象限探测器上的光斑发生偏移，此时四象限探测器输出的光强电流信号Ii、 I2、 I3、 14也会 相应的发生改变，由运算器分别获得激光光斑水平位移信号X和激光光斑垂直位移信号Y， 再经后续的滤波处理和模数转换，最终可以通过计算机直接读取激光干涉仪测量方向与耙镜 移动的方向的角度偏差。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在
1、 利用本发明激光干涉仪光路准直瞄准装置及瞄准方法可以快速准确地读取激光干涉仪 测量方向与靶镜移动方向的偏差方向和大小，从而方便操作者对激光器进行俯仰和左右偏摆 的调整，实现激光干涉仪测量光路与靶镜移动方向的准直瞄准。
2、 本发明采用四象限探测器代替人眼来检测激光光斑的偏移信息，大大提高了检测系统 的分辨率；同时有效避免了人眼直接观察激光，消除激光功率过强可能对人眼造成的伤害。
图l为本发明四象限探测器结构示意图；其中，图la为激光光斑与探测器中心未对准状 态示意图；图lb为激光光斑与探测器中心对准状态示意图。
图中标号l为第一象限探测器、2为第二象限探测器、3为第三象限探测器，4为第四 象限探测器、5为激光光斑。
图2为本发明电路原理图。
以下通过具体实施方式
，结合附图对本发明作进一步说明-
具体实施例方式
参见图1，本实施例中的激光干涉仪光路准直瞄准装置结构设置为
在靶镜的反射面上固定设置四象限探测器，即第一象限探测器l、第二象限探测器2、第
三象限探测器3和第四象限探测器4:四象限探测器是四个性能相同的光电二极管按照直角
坐标的方式，以"0"点为坐标原点，排列成第l、第2、第3和第4四个象限，各光电二极 管的光敏面朝向激光器；以四个象限中的光电二极管为分别作为各个象限的光强探测器，分 别以各个光电二极管对应输出各象限光强电流信号h、 12、 13、 14;设置电信号转换电路，各 象限光强电流信号在经电信号转换电路之后以各象限电压信号"、U2、 U3、 U4对应输出；设 置运算电路，在运算电路中分别输出激光光斑水平位移信号X为(U,+ U4) - (U2+U3)和激光光斑垂直位移信号Y为(U,+ U2) - (U3+U4)，该信号X和Y在经后续的滤波和模数转换 后，通过计算机处理便可以直接得到激光千涉仪测量方向与靶镜移动方向的偏移信息。 本实施例中激光干涉仪光路准直瞄准装置的瞄准方法是按如下步骤进行
步骤1:在进行干涉光路的准直瞄准前，将靶镜固定初始位置上，调整激光器位置，使 得由运算器输出的初始激光光斑水平位移信号X1和初始激光光斑垂直位移信号Yl均为零， 由此将激光器输出光路瞄准在所述坐标的原点"0"的位置上；此时，四象限探测器输出的 光强电流信号大小相等。
步骤2:按靶镜移动方向使靶镜移动，由运算器输出靶镜移动后激光光斑水平位移信号
X2，靶镜移动后激光光斑垂直位移信号Y2;
步骤3:若X2和Y2均为零，则判断为激光干涉仪的测量方向与耙镜移动的方向相一致；
若X2和Y2不为零，则依据X2和Y2获得所需调整的激光干涉仪测量方向与靶镜移动的方 向之间角度偏差。
图1所示，激光束经过光学系统后照射到四象限探测器的光敏面上，形成一个有一定尺寸 的光斑，使得四个象限的光电二极管分别输出光强电流Ii、 I2、 13、 14。设该光斑中心的位置 在水平方向和垂直方向上的偏移量分别为Ax和Ay，如图la所示；当激光器所在的光学系统 光轴对准坐标原点"0"时，圆形光斑的中心与四象限中心重合，即Ax-O， Ay = 0，如图lb 所示。此时，四个象限受照的光斑面积相同，输出的光强电流I卜12、 13、 14大小相等。由于 光强电流I卜12、 13、 U幅值较小，需要经运算放大器转换为电压U, ， U2 ， U3 ， U4。禾!J 用电压Ux， Uy代表光斑中心水平方向和垂直方向的偏移信息，见式(1)和式(2)
t/,C^+"4-(C/2+"3) (1)
",C^+(7广("3+"4) (2)
式中U,， U2， U3， U4为四象限输出的光电流信号I卜12、 13、 14经运算放大器转换得到的 电压信号。为了消除激光器自身功率变化对Ux， Uy的影响，通常，除以l^m，其中
H+"2+"3+"4 (3)
式中Us皿为四个象限输出光电流转变为电压值的和。
将Ux和Uy除以U，后，得到消除激光器自身功率变化影响后的光斑中心水平方向和垂直
方向偏移信息Ax， Ay的当量信号，分别用"和ey表示，见式(4)和式(5)，为四象限加减求解 算法，
s (4)<formula>formula see original document page 7</formula>式中"为水平方向的位移信号；ey为垂直方向的位移信号。由此即可对应出光斑上下 或左右移动的距离，以及具体测量范围内激光干涉仪测量方向与耙镜移动方向的角度偏差。
针对本实施例的实验使用HP5529A双频激光干涉仪，其光斑直径为6mm，信号经过电路 处理后的幅值为ilOV，噪声的幅值为10mV，系统的最小分辨率能够达到1.2nm，相比人眼的 分辨率提高了80倍。
依照图2所示电路，只要四象限探测器的光谱响应范围与激光器的波长相匹配，就可得 到稳定的输出，而与激光光斑的大小并无关联。
权利要求
1、激光干涉仪光路准直瞄准装置，其特征是在靶镜的反射面上固定设置四象限探测器，所述四象限探测器是四个性能相同的光电二极管按照直角坐标的方式，以“O”点为坐标原点，排列成第一象限、第二象限、第三象限和第四象限，各光电二极管的光敏面朝向激光器；以所述四个象限中的光电二极管为分别作为各个象限的光强探测器，分别以各个光电二极管对应输出各象限光强电流信号I1、I2、I3、I4；设置电信号转换电路，所述各象限光强电流信号在经电信号转换电路之后以各象限电压信号U1、U2、U3、U4对应输出；设置运算电路，在所述运算电路中分别输出激光光斑水平位移信号X为(U1+U4)-(U2+U3)和激光光斑垂直位移信号Y为(U1+U2)-(U3+U4)。
2、 一种权利要求1所述激光干涉仪光路准直瞄准装置的瞄准方法，其特征是按如下步骤 进行步骤1:在进行干涉光路的准直瞄准前，将靶镜固定在初始位置上，调整激光器位置， 使得由运算器输出的初始激光光斑水平位移信号XI和初始激光光斑垂直位移信号Yl均为零，由此将激光器输出光路瞄准在所述坐标的原点"0"的位置上；步骤2:按靶镜移动方向使耙镜移动，由运算器输出耙镜移动后激光光斑水平位移信号 X2，靶镜移动后激光光斑垂直位移信号Y2;步骤3:若X2和Y2均为零，则判断为激光干涉仪的测量方向与耙镜移动的方向相一致； 若X2和Y2不为零，则依据X2和Y2获得所需调整的激光干涉仪测量方向与耙镜移动的方 向之间角度偏差。
全文摘要
激光干涉仪光路准直瞄准装置及瞄准方法，其特征是在靶镜的反射面上固定设置四象限探测器，所述四象限探测器是四个性能相同的光电二极管按照直角坐标的方式，以“O”点为坐标原点，排列成四个象限，各光电二极管的光敏面朝向激光器；以四个象限中的光电二极管为分别作为各个象限的光强探测器，设置运算电路，在运算电路中分别输出激光光斑水平位移信号X值和激光光斑垂直位移信号Y值。本发明可以定量且快速、准确地实现干涉光路的调整，从而降低余弦误差对测量系统的影响。
文档编号G01B11/02GK101493314SQ20091011628
公开日2009年7月29日 申请日期2009年3月5日 优先权日2009年3月5日
发明者刘小为, 夏豪杰, 孙拉拉, 东 陈, 黄强先 申请人:合肥工业大学