专利名称：一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，具体涉及一种可以应用于纳米级准确度非接触式微位移测量的基于猫眼反射原理的平衡式干涉仪光学系统，属于几何量计量技术领域。
背景技术：
微纳米科学技术的发展和微机电系统的应用，对非接触式微位移测量技术提出了迫切需求。激光干涉测量技术以其量值可溯源、测量分辨力高等特点，一直在高准确度微位移测量中占主导地位，其测量准确度可达到纳米量级。但是，在干涉测量中通常采用的用角锥棱镜实现测量光束180°转折的方法，已无满足一些特殊场合的使用要求。例如在微小结构的微位移测量中，角锥棱镜会因其体积和重量而使应用受到限制；在材料线膨胀系数测量中，由于接 触变形、热传导等原因，不适于将角锥棱镜与被测件接触；再如在振动测量中，有时也不适于采用角锥棱镜。在这些情况下，就需要用一种非接触方法来实现测量光束的逆向反射。用透镜-反射镜式猫眼反射镜作为干涉仪的测量镜进行微位移测量，可以将测量光束直接会聚在被测物体表面，从而实现非接触测量，解决不适于安装角锥棱镜的场合的高精度微位移测量问题。然而，在采用猫眼反射原理测量位移的过程中，被测位移所引起的反射面离焦会使测量光束的波面发生变形，从而导致位移测量误差。该问题一直限制着这种方法在高准确度测量中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有干涉测量技术的局限，解决不适于使用角锥棱镜的情况的微位移测量问题，提供了一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统。具有双光程平衡式光学系统结构，并对猫眼反射镜引入的位移测量误差进行修正。该系统突破了基于猫眼反射原理的微位移干涉测量方法的原理性精度限制，可以用于实现纳米级准确度非接触式微位移测量。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，包括:稳频激光光源，小偏振分光镜，直角棱镜，半波片，角锥棱镜，1/4波片,透镜,平面反射镜,大偏振分光镜，偏振片和光电接收器；连接关系:以大偏振分光镜为中心，说明该系统各组成部分之间的位置关系；大偏振分光镜的左侧为两组上下并排放置的小偏振分光镜和直角棱镜的组合，小偏振分光镜和直角棱镜胶合在一起或紧贴着放置，两组镜子的总宽度约等于大偏振分光镜的宽度；在大偏振分光镜与每个直角棱镜之间，各放置一个半波片；下面的小偏振分光镜的左侧为稳频激光光源，上面的小偏振分光镜的左侧依次为偏振片和光电接收器；大偏振分光镜的下方为直角棱镜；大偏振分光镜的右侧为1/4波片，1/4波片的右侧依次放置透镜、平面反射镜和被测物；被测物的前表面位于透镜的焦面上；平面反射镜的中部开孔，以允许透镜和被测物之间的光束通过；透镜与平面反射镜中部的开孔对应平行。工作过程为:从稳频激光光源发出的光束，被小偏振分光镜分为两束，透过该小偏振分光镜的光束为测量光束，被该小偏振分光镜反射的光束为参考光束。测量光束经过大偏振分光镜和1/4波片后，被透镜会聚在被测物的表面。透镜和被测物的反射表面组成猫眼反射系统。测量光束在被测物的表面反射后，再次经过1/4波片，由于两次经过1/4波片，光束偏振方向旋转90°，因此，当它回到大偏振分光镜时，被该偏振分光镜反射。测量光束经过角锥棱镜反射后，回到大偏振分光镜时仍然被反射。然后，测量光束再次依次经过1/4波片、透镜、被测物、透镜和1/4波片。其偏振方向又旋转了90°，因此，它透过大偏振分光镜。然后，测量光束经过半波片，偏振方向旋转90°，经直角棱镜转折后，到达小偏振分光镜，被反射。参考光束经直角棱镜转折后，通过半波片，偏振方向旋转90°，然后通过大偏振分光镜和1/4波片，到达平面反射镜。被该反射镜反射后，该光束经过1/4波片，回到大偏振分光镜。与测量光束一样，它也被该偏振分光镜反射，经角锥棱镜反射后，回到大偏振分光镜，仍然被反射。然后，参考光束再次依次经过1/4波片、平面反射镜、1/4波片、大偏振分光镜。到小偏振分光镜后，透过该偏振分光镜。测量光束和参考光束在小偏振分光镜处相遇，然后经过偏振片。于是，两束光产生干涉，干涉信号由光电接收器接收。所述装置还可以将稳频激光光源与偏振片、光电接收器的组合互换位置，此时光束传播方向与原传播方向相反。对于猫眼反射镜引入的位移测量误差，本发明利用式(I)所示的误差修正数学模型，对测量结果进行修正，从而有效地提高这种微位移测量系统的测量准确度。
权利要求
1.本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，其特征在于:包括稳频激光光源(I)，小偏振分光镜(2)，直角棱镜(3)，半波片(4)，角锥棱镜(5)，I/4波片(6)，透镜(7)，平面反射镜(9),大偏振分光镜(10),偏振片(11)和光电接收器(12)； 以大偏振分光镜(10)为中心，说明该系统各组成部分之间的位置关系；大偏振分光镜(10)的左侧为两组上下并排放置的小偏振分光镜(2)和直角棱镜(3)的组合,小偏振分光镜(2)和直角棱镜(3)胶合在一起或紧贴着放置，两组镜子的总宽度约等于大偏振分光镜(10)的宽度；在大偏振分光镜(10)与每个直角棱镜(3)之间,各放置一个半波片(4);下面的小偏振分光镜(2)的左侧为稳频激光光源(I)，上面的小偏振分光镜(2)的左侧依次为偏振片(11)和光电接收器(12);大偏振分光镜(10)的下方为直角棱镜(5);大偏振分光镜(10)的右侧为1/4波片，1/4波片的右侧依次放置透镜(7)、平面反射镜(9)和被测物(8)；被测物(8)的前表面位于透镜(7)的焦面上；平面反射镜(9)的中部开孔，以允许透镜(7)和被测物(8)之间的光束通过；透镜(7)与平面反射镜(9)中部的开孔对应平行。
2.如权利要求1所述的本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，其特征在于:工作过程为:从稳频激光光源(I)发出的光束，被小偏振分光镜(2)分为两束,透过该小偏振分光镜的光束为测量光束，被该小偏振分光镜反射的光束为参考光束；测量光束经过大偏振分光镜(10)和1/4波片(6)后，被透镜(7)会聚在被测物(8)的表面；透镜(7)和被测物(8)的反射表面组成猫眼反射系统；测量光束在被测物(8)的表面反射后，再次经过1/4波片￠)，由于两次经过1/4波片，光束偏振方向旋转90°，因此，当它回到大偏振分光镜(10)时，被该偏振分光镜反射；测量光束经过角锥棱镜(5)反射后，回到大偏振分光镜(10)时仍然被反射；然后，测量光束再次依次经过1/4波片(6)、透镜(7)、被测物(8)、透镜(7)和1/4波片(6);其偏振方向又`旋转了 90°，因此，它透过大偏振分光镜(10);然后，测量光束经过半波片，偏振方向旋转90°，经直角棱镜转折后，到达小偏振分光镜，被反射； 参考光束经直角棱镜(3)转折后，通过半波片(4)，偏振方向旋转90°，然后通过大偏振分光镜(10)和1/4波片(6)，到达平面反射镜(9);被该反射镜反射后，该光束经过1/4波片(6),回到大偏振分光镜(10);与测量光束一样,它也被该偏振分光镜反射,经角锥棱镜(5)反射后，回到大偏振分光镜(10)，仍然被反射；然后，参考光束再次依次经过1/4波片(6)、平面反射镜(9)、1/4波片￠)、大偏振分光镜(10);到小偏振分光镜后，透过该偏振分光镜； 测量光束和参考光束在小偏振分光镜处相遇，然后经过偏振片(11);于是，两束光产生干涉，干涉信号由光电接收器(12)接收。
3.如权利要求1所述的本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，其特征在于:所述装置还可以将稳频激光光源(I)与偏振片(11)、光电接收器(12)的组合互换位置，此时光束传播方向与原传播方向相反。
4.如权利要求1所述的本发明的一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，其特征在于:对于猫眼反射镜引入的位移测量误差，本发明利用式(I)所示的误差修正数学模型，对测量结果进行修正，从而有效地提高这种微位移测量系统的测量准确度；
全文摘要
本发明涉及一种基于猫眼反射原理的干涉微位移测量系统，属于几何量计量技术领域。其特征是将猫眼反射原理用于干涉法微位移测量，提出猫眼反射镜引入的位移测量误差修正数学模型，并采用平衡式双光程光学系统结构以提高系统的抗干扰能力。本发明的误差修正方法可以将猫眼反射镜引入的测量误差减小到纳米量级。本系统硬件由稳频激光光源、偏振分光镜、透镜-反射镜式猫眼反射镜、角锥棱镜、波片、偏振片、必要的反射镜和直角棱镜、以及光电接收器等组成。本系统具有测量分辨力高、抗干扰能力强、可实现非接触测量等特点，可用于解决无法使用角锥棱镜的情况下的微位移干涉测量问题，在微位移、微振动、热膨胀系数等测量方面有重要的推广应用价值。
文档编号G01B11/02GK103105134SQ201310005758
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月8日 优先权日2013年1月8日
发明者任冬梅, 朱振宇, 牛立新, 段小艳 申请人:中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所