一种基于差分波前测量物体横向位移的装置

本发明属于物体横向位移测量，更具体地，涉及一种基于差分波前测量物体横向位移的装置。

背景技术：

1、精确的三维测量技术在现代技术中扮演着重要的角色，其中包括动态位移、目标位置、材料变形和转子振动等。将目标表面平面作为参考，三维测量可以被分解为二维平面测量和一维垂直测量，其中物体在二维的移动距离即为物体的横向位移。普通光学干涉仪因其非接触、高分辨率和广泛的动态测量范围等优点而广泛用于垂直平面位移测量。虽然可以使用多个彼此垂直安装的激光干涉仪，但这两个光束不会照射在同一个点上，任何机械或光学调整误差都会导致测量误差。同时独立测量平面内和垂直平面位移是需要解决的重要问题。

2、目前测量物体横向位移的手段有多种方法。常用的手段包括非对称fp干涉仪、光栅干涉仪，光子齿轮，自混合干涉仪，以及基于角锥棱镜的光斑位置测量方法。其中非对称干涉仪和光栅干涉仪需要特殊结构反射镜，存在对准或加工困难。光子齿轮和自混合干涉仪只能测量自由度一个方向的横向位移。基于角锥棱镜的光斑位置测量方法则在精度低的问题。

3、因此，如何提升测量物体横向位移精度是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，旨在解决传统测量物体横向位移精度低的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，包括：

3、外差光源机构，用于提供不同频率的两束激光；

4、激光干涉机构，用于将两束激光转变为两束准直激光，之后将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束，其中，所述测量光束经过透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束被反射，所述参考光束经过透射后与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉，最后将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号；

5、数据处理机构，用于将四路干涉拍频信号转换为数字信号，并通过相位解调算法得到四象限上干涉拍频信号的相位变化φ1～φ4，然后根据该相位变化φ1～φ4计算待测物体的横向位移；当待测物体为角锥棱镜时，所述横向位移为角锥棱镜在垂直于接收光束方向上的二维横向位移δx和δy，当待测物体为直角棱镜时，所述横向位移为直角棱镜在垂直于其直角棱方向上的一维横向位移δx，其中，δx＝kx(φ1+φ2-φ3-φ4)，δy＝ky(φ1-φ2-φ3+φ4)，式中kx和ky为相位差变化对应到两个方向上的横向位移的转换系数。

6、本发明提供的基于差分波前测量物体二维横向位移的装置，激光干涉机构将两束激光进行准直以及先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束，可增大两束激光的波前曲率参数，大幅提高差分波前信号的灵敏度；另外，利用干涉原理，使用差分相位信号计算物体横向位移信息，灵敏度高，噪声低，可有效提高测量横向位移的精度。

7、在其中一个实施例中，在所述激光干涉机构中，采用两准直器将两束激光转变为两束准直激光。

8、在其中一个实施例中，在所述激光干涉机构中，采用两透镜将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束。

9、在其中一个实施例中，两透镜均采用凸透镜，所述透镜上镀有增透膜。

10、在其中一个实施例中，所述激光干涉机构还包括分光镜和四象限光电探测器；其中，所述测量光束经过分光镜透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束再次经过分光镜反射至四象限光电探测器，参考光束经过分光镜透射后到达四象限光电探测器，并与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉；所述四象限光电探测器用于将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号。

11、在其中一个实施例中，所述外差光源机构包括激光器、分束器和两移频器；其中，分束器用于将激光器出射的激光分成两束相同的相干激光；两移频器用于调整两束相干激光的频率，以产生不同频率的两束激光。

12、在其中一个实施例中，所述数据处理机构包括相位解调器和数据处理器。

技术特征：

1.一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，在所述激光干涉机构中，采用两准直器将两束激光转变为两束准直激光。

3.根据权利要求2所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，在所述激光干涉机构中，采用两透镜将两束准直激光进行先会聚再发散后产生波前弯曲的测量光束和波前弯曲的参考光束。

4.根据权利要求3所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，两透镜均采用凸透镜，所述透镜上镀有增透膜。

5.根据权利要求3或4所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，所述激光干涉机构还包括分光镜和四象限光电探测器；其中，所述测量光束经过分光镜透射后到达待测物体，经过待测物体反射回的测量光束再次经过分光镜反射至四象限光电探测器，参考光束经过分光镜透射后到达四象限光电探测器，并与经过待测物体反射回的测量光束合束发生干涉；所述四象限光电探测器用于将干涉光分为四个象限进行探测，并使干涉光信号转换为四路干涉拍频信号。

6.根据权利要求1所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，所述外差光源机构包括激光器、分束器和两移频器；其中，分束器用于将激光器出射的激光分成两束相同的相干激光；两移频器用于调整两束相干激光的频率，以产生不同频率的两束激光。

7.根据权利要求1所述的基于差分波前测量物体横向位移的装置，其特征在于，所述数据处理机构包括相位解调器和数据处理器。

技术总结
本发明公开了一种基于差分波前测量物体横向位移的装置，包括：外差光源机构，用于提供不同频率的两束激光；激光干涉机构，用于传感待测物体的横向位移信号，产生四路干涉拍频信号；数据处理机构，用于将四路干涉拍频信号转换为数字信号，并通过相位解调算法得到四象限上干涉拍频信号的相位变化φ<subgt;1</subgt;～φ<subgt;4</subgt;，然后根据该相位变化φ<subgt;1</subgt;～φ<subgt;4</subgt;计算物体的横向位移，当物体为角锥棱镜时，得到二维横向位移Δx和Δy，当物体为直角棱镜时，得到一维横向位移Δx，其中，Δx＝k<subgt;x</subgt;(φ<subgt;1</subgt;+φ<subgt;2</subgt;‑φ<subgt;3</subgt;‑φ<subgt;4</subgt;)，Δy＝k<subgt;y</subgt;(φ<subgt;1</subgt;‑φ<subgt;2</subgt;‑φ<subgt;3</subgt;+φ<subgt;4</subgt;)。本发明使用差分相位信号计算物体横向位移信息，可有效提高测量横向位移的精度。

技术研发人员：梁浴榕,夏琦,颜浩,周泽兵
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15