一种基于双频激光干涉原理的精确位移监测系统的制作方法

本发明属于光学测量技术领域，具体涉及精确位移监测系统。

背景技术：

目前，针对回转体工件的几何测量方面，主要有三坐标测量机、轮廓仪、光学三维测量技术等。尽管光学探头的测量精度可以达到数十纳米或者是纳米级别，但是在很多情况下，由于定位及监测精度不够，使用该测头给出的测量精度往往微米量级，甚至更差。为实现精密乃至超精密的测量，无论是三坐标或者是光学三维测量技术，都需要对测量传感器进行精确的定位，也就是需要对传感器的位置精确监测。

目前商品化测量系统中，较为典型的定位监测系统结构如图1所示，其中，可移动标准平面镜4代表定位系统与z轴方向的相对移动，可移动标准平面镜5代表定位系统与x轴方向的相对移动，多波长干涉测头3和多波长干涉测头1分别测量的是测量系统在z轴和x轴方向上的位移变化量。多波长干涉测头6通过监测与标准柱面镜9之间的距离变化，可以监测测头8在工作过程中的跳动。多波长干涉测头6和多波长干涉测头8保持同轴心并且与旋转台7的旋转轴相交。通过测头1、3、6测量到的位移变化，可以实现对运动部件7和8的位置的实时精确监测。但是这样的系统需要精度极高的标准柱面镜以及3个多波长干涉测头，成本较高。

激光具有高强度、高方向性、高单色性和高相干性等优点，双频激光干涉仪则是以激光波长为已知长度，利用迈克尔逊系统测量位移的一种通用长度测量设备。双频激光干涉仪具有大测量范围、高精度、高分辨率以及高速度等优点，可以通过与其他运动部件联动，可以完成长度、角度、直线度和垂直度等参数的测量，在超精密测量与检测领域有着广泛的应用。比如精密机床的标定，高精度传感器的标定，以及光刻机工作台的精确定位等。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种精确监测运动部件位置变化的解决方案-基于双频激光干涉原理的精确位移监测系统，以实现对运动部件位移的精确、实时监测，提高运动部件的定位精度。

本发明的基本思想就是在激光光源后加上一块分光镜，分出两路光，分别作为两个双频激光干涉仪的光源，实现在两个方向对运动部件的实时位置监控。

本发明的技术解决方案如下：

一种位移监测装置，包括一台双频激光器，在该激光器的输出光路上设置一个四分之一波片，在四分之一波片后放置一块分光镜，该分光镜的分光面与激光器输出光路呈45°夹角，在该分光镜的两路输出光方向分别放置两个与输出光路呈45°夹角的偏振分光镜，在偏振分光镜的反射方向放置一块固定标准平面镜，在透射方向放置一块与输出光路呈45°的反射镜，在反射镜输出光方向放置一块凸透镜，凸透镜焦点位置在标准球面的球心，在偏振分光镜的反射光路的反侧还分别有一个探测器。参见图2所示。

本发明由于使用了两路双频激光干涉仪，实现了对运动部件的精确实时定位，提升了使用光学三坐标方法测量回转体几何参量的测量精度。

附图说明

图1是现有的位移精确监测系统结构示意图。

图2是本发明位移精确监测系统结构示意图。

具体实施方式

请先参阅图2，图2是本发明的基于双频激光干涉原理的精确位移监测装置结构示意图。本定位监测系统包含了一台双频激光器7以及一个光纤耦合准直系统1，双频激光器产生的激光为左旋和右旋两种频率的圆偏激光光源，经过一个四分之一波片2，会产生偏振方向垂直的两束线偏振光。在输出光路上设置一个分光镜3，该分光镜的分光面与激光的输出光路呈45°。光源经过分光镜会产生两束光，分别作为透射光路方向测量光路和反射光路方向测量光路的光源。由于两侧光路完全对称，对透射光路方向光路进行详细分析。

在输出光路上设置一偏振分光镜4，分光面与输出光路呈45°。由于偏振方向不同，不同偏振方向光分开，分开为两束频率为f1和f2的两束光。其中测量光沿分光镜反射方向前进，经过相对运动的标准平面镜5，反射回的光由于多普勒效应产生了δf的频率偏移，经过分光面进入光电探测器12。参考光沿分光镜透射方向前进，在光路前进方向放置一块反射镜，反射镜与光路呈45°，在光路方向上放置一块凸透镜14，凸透镜的焦点处于标准球15的球心，参考光照射到标准球面上沿原光路返回，经过偏振分光镜4分光面反射进入光电探测器12.同理，探测器13也能采集到相应的信息。

由于光电探测器的频率响应特性，光电探测器12，13可以采集到频率为(f1-f2±δf)的信号，其中频率变化量δf可以通过多普勒频移公式计算出与运动标准反射镜5的相对运动速度ν的关系表达式。计算出运动时间和运动速度的积分可以得到测头16相对于标准反射镜5的位移变化量，通过对光电探测器12中的信息解耦合，可以得到测头16在z轴方向上的跳动。同理，光电探测器13可以得到测头16相对于标准反射镜8在x轴方向上的位移与测头16在工作时在x轴向上的跳动。

相对于图1中商品化的运动元件的定位监测系统，本发明只需要两个干涉测量光路，两个光电探测器，在不降低测量精度的情况下，节约了成本。对于运动部件的精确定位提供了很好的解决方案。

技术特征：

技术总结
本发明属于光学测量技术领域，具体为一种基于双频激光干涉原理的精确位移监测系统。本发明系统包括双频激光器，在该激光器的输出光路上设置一个四分之一波片，在波片后放置分光镜，分光镜的分光面与激光器输出光路呈45°夹角，在分光镜的两路输出光方向分别放置两个与输出光路呈45°夹角的偏振分光镜，在偏振分光镜的反射方向放置一块固定标准平面镜，在透射方向放置一块与输出光路呈45°的反射镜，在反射镜输出光方向放置一块凸透镜，凸透镜焦点位置在标准球面的球心，在偏振分光镜的反射光路的反侧还分别有一个探测器。本发明使用两路双频激光干涉仪，实现了对运动部件的精确实时定位，提升了使用光学三坐标方法测量回转体几何参量的测量精度。

技术研发人员：孔令豹;周攀宇;徐敏
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2017.07.21
技术公布日：2017.11.10