光路折叠组件及具有其的位移检测装置

1.本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及一种光路折叠组件及具有其的位移检测装置。


背景技术：

2.迈克尔干涉仪通常用于纳米级位移的测量，其是一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的光学仪器，目前，根据迈克尔逊干涉仪的基本原理制成的各种精密仪器已广泛应用于生产和科研领域。迈克尔逊干涉仪有多种多样的形式，其基本光路图如图1所示：从光源s发出的一束光，在分光镜g1上被分成光强近似相等的透射光束1和反射光束2，透射光束1射出g1后经过补偿板g2投向反射镜m1，反射回来再穿过g1，并在分光镜g1上反射；反射光束2投向反射镜m2，反射回来再通过g1，于是，这两束相干光在空间相遇并产生干涉，通过望远镜或人眼可以观察到干涉条纹。根据光的干涉原理，若光源s的波长已知，反射镜m1沿反射光束1的光路移动，其移动的位移δd＝δn*λ/2，式中，λ为入射光的波长；δn为反射镜m1移动过程中观察到的干涉条纹冒出或缩进的条纹的数量，当δd值每改变λ/2时，干涉条纹变化一级，也就是说，反射镜m2每移动λ/2的距离，干涉条纹的圆心就冒出或缩进一个干涉圆环。
3.从上式可知，当入射光的波长确定时，若反射镜m1移动的位移过小，则光束的光程变化量也过小，在不改变光源的前提下，若反射镜m1移动的位移小于λ/2，迈克尔逊干涉仪检测的灵敏度不够，难以判断得到的干涉条纹的变化，进而无法实现对位移的精确测量，难以满足现代化对于高精度分析的需要。


技术实现要素：

4.本实用新型旨在至少解决上述存在的问题之一，提供一种光路折叠组件，其能够增加光束的光程变化量，以提高位移检测的灵敏度及精度。
5.为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
6.一种光路折叠组件，包括相对间隔设置的两个反射镜组，两反射镜组之间围成间隔腔；
7.每一反射镜组包括两排第一直角棱镜、一平行四边形反射镜及一第二直角棱镜；
8.每一反射镜组中的两排第一直角棱镜层叠设置；每排第一直角棱镜中的若干第一直角棱镜沿间隔腔的长度方向排列；第一直角棱镜用对应的两直角面对光产生反射；两反射镜组的第一直角棱镜的斜面相对，两反射镜组的第一直角棱镜错开设置；
9.平行四边形反射镜设置于其中一排第一直角棱镜中的相邻两个第一直角棱镜之间；
10.两反射镜组的第二直角棱镜分别位于该光路折叠组件的相对两端，第二直角棱镜与第一直角棱镜相互垂直，第二直角棱镜的主截面朝向对应反射镜组的第一直角棱镜，第二直角棱镜用对应的两直角面对光产生反射；每一反射镜组的第二直角棱镜的斜面与另一
反射镜组对应端的两排第一直角棱镜的斜面相对；
11.光束经由其中一组反射镜组的平行四边形反射镜入射，通过两反射镜组的多个第一直角棱镜及第二直角棱镜反射后经由另一组反射镜组的平行四边形反射镜出射。
12.进一步地，两个反射镜组关于光路折叠组件的中心点对称。
13.进一步地，第一直角棱镜的两直角面及第二直角棱镜的两直角面上均镀履有反射膜。
14.进一步地，平行四边形反射镜与对应排的若干第一直角棱镜位于同一平面上。
15.进一步地，平行四边形反射镜上设有两个平行相对设置的反射面及两个平行相对设置的入射出射面，两个反射面分别面向对应排相邻的两个第一直角棱镜，两个反射面上均镀履有反射膜，其中一入射出射面面向另一反射镜组。
16.进一步地，每一反射镜组的第一直角棱镜、平行四边形反射镜及第二直角棱镜均固定在一固定架上。
17.本实用新型还提供一种位移检测装置，包括光干涉模组及权利要求所述的光路折叠组件；
18.光干涉模组包括光源、分光镜、移动反射镜、固定反射镜及光电探测器，分光镜及移动反射镜依次设于光源发射光的光路上，固定反射镜及光电探测器分别设于分光镜的相对两侧；
19.所述光路折叠组件设于分光镜与移动反射镜之间，所述光路折叠组件的两个反射镜组沿光源出射光的光路相对间隔设置，其中一反射镜组与移动反射镜同步移动；
20.分光镜将光源的出射光一部分反射至固定反射镜上，经该固定反射镜反射后经过分光镜入射到光电探测器上；
21.分光镜将光源的出射光另一部分沿光源出射光的光路投射至光路折叠组件的其中一平行四边形反射镜上，并经由光路折叠组件的另一平行四边形反射镜出射至移动反射镜上，经移动反射镜反射后再次从光路折叠组件出射至分光镜，并被分光镜反射至光电探测器上。
22.进一步地，每一反射镜组的第一直角棱镜、平行四边形反射镜及第二直角棱镜均固定在一固定架上，其中一反射镜组通过对应的固定架与所述移动反射镜连接在一起。
23.进一步地，光源为激光器。
24.由于采用上述技术方案，本实用新型具有以下有益效果：
25.上述光路折叠组件，光束进入光路折叠组件后能够在两反射镜组之间进行多次反射后再出射，增加了光程变化量，其光程变化量为实际位移
△
d的(n+1)倍，在不改变光源的前提下，能够提高位移检测的灵敏度，进而能够进一步提高位移测量的精度。此外，两反射镜组通过平行四边形反射镜的设置，能够使从光路折叠组件出射的出射光与进入光路折叠组件的入射光平行，进而更方便光路的调整，也更方便后续位移的计算。
附图说明
26.图1为现有技术中迈克尔逊干涉仪的基本光路图；
27.图2为本实用新型一较佳实施方式的位移检测装置的结构示意图；
28.图3为图2所示光路折叠组件的立体图；
29.图4为图3所示光路折叠组件在另一视角的立体图；
30.图5为图3所示光路折叠组件的俯视图，进入光路折叠组件的光束沿光路a运动；
31.图6为图3所示光路折叠组件的右视图；
32.图7为图3所示光路折叠组件的仰视图；
33.图8为图3所示光路折叠组件的左视图；
34.图9为图3所示光路折叠组件的俯视图，进入光路折叠组件的光束沿光路e出射；
35.图10为图8所示光路折叠组件其中一反射镜组相对另一反射镜组运动后的示意图；
36.主要元件符号说明
37.10、光干涉模组；11、光源；12、分光镜；13、固定反射镜；14、移动反射镜；15、光电探测器；20、光路折叠组件；21、反射镜组；210、间隔腔；22、第一直角棱镜；23、平行四边形反射镜；24、第二直角棱镜；25、直角面；26、斜面；27、反射面；28、入射出射面；29、主截面。
具体实施方式
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.请参见2，本实用新型一较佳实施方式提供一种位移检测装置，包括光干涉模组10及光路折叠组件20。
42.在本实施方式中，光干涉模组10采用迈克尔逊光干涉原理，光干涉模组10包括光源11、分光镜12、移动反射镜14、固定反射镜13及光电探测器15。其中，光源11优选采用激光器。分光镜12及移动反射镜14沿光源11的发射光出射方向依次设置，固定反射镜13及光电探测器15分别设于分光镜12的相对两侧，光电探测器15用于探测光能量。在本实施方式中，光电探测器15为ccd图像传感器，其能够将探测到的光辐射转换成电量，使用时，将ccd图像传感器的输出信号接到示波器、图像显示器或其他信号存储、设备中，就可以使ccd图像传感器检测到的信号再现以得到光的能量分布图。ccd图像传感器的结构属于现有技术，为省略篇幅，这里不再赘述。
43.请一并参见图3至图4，在本实施方式中，光路折叠组件20包括沿光源11出射光的光路相对间隔设置的两个反射镜组21，两反射镜组21之间形成间隔腔210。
44.每一反射镜组21包括两排第一直角棱镜22、一平行四边形反射镜23及一第二直角棱镜24，每一反射镜组21的两排第一直角棱镜22层叠设置，每排第一直角棱镜22中的若干第一直角棱镜22沿间隔腔210的长度方向排列。第一直角棱镜22用对应的两直角面25对光产生反射。第一直角棱镜22的两直角面25上均镀履有反射膜(图未示)。两反射镜组21的第一直角棱镜22的斜面26相对，两反射镜组21的第一直角棱镜22错开设置；在本实施方式中，两个反射镜组21关于光路折叠组件20的中心点对称，使得第一直角棱镜22的直角与另一反射镜组21中相邻两第一直角棱镜22的相接处相对。
45.平行四边形反射镜23设置于对应反射镜组21的其中一排第一直角棱镜22中的相邻两个第一直角棱镜22之间。在本实施方式中，平行四边形反射镜23与对应排的若干第一直角棱镜22位于同一平面上。请一并参见图5，平行四边形反射镜23包括两个平行相对的反射面27及两个平行相对的入射出射面28，两个反射面27分别面向对应排相邻的两个第一直角棱镜22，两个反射面27上均镀履有反射膜(图未示)，其中一入射出射面28面向另一反射镜组21。
46.在本实施方式中，每一反射镜组21设有平行四边形反射镜23的一排第一直角棱镜22包括六个第一直角棱镜22，六个第一直角棱镜22平均分为两组，平行四边形反射镜23设置在对应排的两组第一直角棱镜22之间；每一反射镜组21未设有平行四边形反射镜23的一排第一直角棱镜22中包括七个第一直角棱镜22。
47.第二直角棱镜24设置于对应反射镜组21的其中一端，两反射镜组21的两个第二直角棱镜24分别位于光路折叠组件20的相对两端。第二直角棱镜24与第一直角棱镜22相互垂直，第二直角棱镜24的主截面29朝向对应反射镜组21的第一直角棱镜22，第二直角棱镜24的斜面26与另一反射镜组21对应端的两排第一直角棱镜22的斜面26相对。第二直角棱镜24用对应的两直角面25对光产生反射，从而将光束从另一反射镜组21其中一排的第一直角棱镜22反射至另一反射镜组21另一排的第一直角棱镜22内。在本实施方式中，第二直角棱镜24的两直角面25上均镀履有反射膜(图未示)。
48.在本实施方式中，两反射镜组21的总体长度大致相等。反射镜组21组装时，可以直接将第一直角棱镜22、平行四边形反射镜23及第二直角棱镜24通过胶水等相互连接在一起；或可将反射镜组21的第一直角棱镜22、平行四边形反射镜23及第二直角棱镜24先固定在一固定架(图未示)上，然后再通过该固定架使其中一反射镜组21与移动反射镜14连接在一起，以随移动反射镜14同步运动。
49.使用时，可将移动反射镜14及其中一反射镜组21与待检测位移的运动物体(图未示)连接在一起。检测时，分光镜12将光源11的出射光一部分反射至固定反射镜13上，经该固定反射镜13反射后经过分光镜12入射到光电探测器15上；分光镜12将光源11的出射光的另一部分投射至其中一反射镜组21的平行四边形反射镜23上，该光束从其中一反射镜组21的平行四边形反射镜23入射，经由两反射镜组21的第一直角棱镜22及第二直角棱镜24反射后经由另一组反射镜组21的平行四边形反射镜23出射至移动反射镜14上，移动反射镜14将光束反射，被移动反射镜14反射的光束经由其中一组反射镜组21的平行四边形反射镜23入射，经由两反射镜组21的第一直角棱镜22及第二直角棱镜24反射后经由另一组反射镜组21的平行四边形反射镜23朝分光镜12出射，再经过分光镜12反射到光电探测器15上。光束在光路折叠组件20中的光路具体为：
50.假设设有平行四边形反射镜23的一排第一直角棱镜22为第一排第一直角棱镜，未设有平行四边形反射镜23的一排第一直角棱镜22为第二排第一直角棱镜；
51.光束从其中一反射镜组21中平行四边形反射镜23的入射出射面28入射，依次通过该平行四边形反射镜23两个反射面27的反射后经由该平行四边形反射镜23的另一入射出射面28出射至另一反射镜组21的第一排第一直角棱镜的其中一第一直角棱镜22中，如图5所示；
52.光束进入第一直角棱镜22中后，被第一直角棱镜22的两个直角面25反射，沿图5所示的光路a交替在中两反射镜组21中第一排的若干第一直角棱镜22中进行反射，直至到达一第二直角棱镜24中；
53.该第二直角棱镜24的直角面25将入射的光束沿图6所示的光路b反射至第二排的第一直角棱镜22中；
54.光束进入第二排的第一直角棱镜22中后，被第二排的第一直角棱镜22的两个直角面25反射，沿图7所示的光路c交替在两反射镜组21中第二排的若干第一直角棱镜22中进行反射，直至到达另一第二直角棱镜24中；
55.该另一第二直角棱镜24的直角面25将入射的光束沿图8所示的光路d反射至第一排的第一直角棱镜22中；
56.光束进入第一排的第一直角棱镜22中后，被第一排的第一直角棱镜22的两个直角面25反射，沿图9所示的光路e交替在中两反射镜组21中第一排的若干第一直角棱镜22中进行反射，直至到达另一平行四边形反射镜23中，通过该平行四边形反射镜23两个反射面27的反射后经由该另一平行四边形反射镜23的入射出射面28出射。
57.因此，入射的光束依次经由光路a、b、c、d、e通过两反射镜组21的所有第一直角棱镜22及第二直角棱镜24，在此过程中，光束在间隔腔210折返次数为(n+1)次，即光束穿过间隔腔210的次数为(n+1)次，若其中一反射镜组21相对另一反射镜组21位移
△
d(图10)，则其光程变化量为实际位移
△
d的(n+1)倍，n为光路折叠组件20中第一直角棱镜22及第二直角棱镜24的数量之和。在本实施方式中，光束在间隔腔210折返的次数为29次；又由于其中一反射镜组21背向分光镜12的一侧设有移动反射镜14，从光路折叠组件20出射的光束会被移动反射镜14发射再次进入光路折叠组件20中进行多次反射，最后再从光路折叠组件20出射，此时，光束穿过间隔腔210的次数为2(n+1)次，在本实施方式中，光束在间隔腔210折返的次数为58次。相应的，若其中一反射镜组21相对另一反射镜组21位移
△
d(图10)，光束通过光路折叠组件20后的光程变化量为2(n+1)*δd，其光程变化量为原来位移
△
d的2(n+1)倍。
58.在位移检测过程中，移动反射镜14及其中一反射镜组21与待检测位移的运动物体同步运动，在此过程中，可通过观察位移测量光电探测器15所探测得到的光的能量分布图像中光强明暗交替的次数或条纹的移动来得到移动反射镜14相对固定反射镜13移动的位移d，具体地，在本实施方式中，移动反射镜14与固定反射镜13相互垂直，此时，光能在整个ccd图像传感器上是均匀的，移动反射镜14与固定反射镜13相对移动，是在ccd整个面上产生光强的交替变化，就是说整个面从亮到暗再从暗到亮的变化，因此，在本实施方式中，通过观察位移测量光电探测器15所探测得到的光的能量分布图像中光强明暗交替的次数来得到移动反射镜14相对固定反射镜13移动的位移d，d＝nλ/4，λ为光源11所发出的入射光波
长，n为移动反射镜14相对固定反射镜13移动过程中光的能量分布图像中光强明暗交替的次数。可以理解，移动反射镜14与固定反射镜13也可以不相互垂直，此时，光能在整个ccd图像传感器上产生直的干涉条纹，移动反射镜14与固定反射镜13相对移动，是在ccd整个面上产生干涉条纹的移动，此时，可通过观察转角测量光电探测器165所探测得到的光的能量分布图像中条纹的移动来得到移动反射镜14相对固定反射镜13移动的位移d，d＝n’λ/2，n’为移动反射镜14相对固定反射镜13移动过程中光的能量分布图像中干涉条纹左右移动的的数量。
59.在本实施方式中，由于设置有光路折叠组件20，移动反射镜14与其中一反射镜组21一同运动，移动反射镜14相对固定反射镜13移动的距离与两个反射镜组21相对移动的距离δd相等，因此，当移动反射镜14相对固定反射镜13移动d距离时，d＝2(n+1)*δd，则移动反射镜14相对固定反射镜13实际位移的距离为δd＝d/2(n+1)。
60.本发明实施例的光路折叠组件20，光束进入光路折叠组件20后能够在两反射镜组21之间进行多次反射后再出射，增加了光程变化量，其光程变化量至少为实际位移
△
d的(n+1)倍，在不改变光源的前提下，能够提高位移检测的灵敏度，进而能够进一步提高位移测量的精度。此外，两反射镜组21通过平行四边形反射镜23的设置，能够使从光路折叠组件20出射的出射光与进入光路折叠组件20的入射光平行，进而更方便光路的调整，也更方便后续位移的计算。
61.可以理解，第一直角棱镜22的数量不限于本实施例，其也可以根据需要设置为其他数目。
62.可以理解，光路折叠组件20不限于用在本实施例的位移检测装置中，其也可以用于其他需要增加光束光程变化量的情况。
63.上述说明是针对本实用新型较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本实用新型的专利申请范围，凡本实用新型所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本实用新型所涵盖专利范围。