专利名称:光学位移测量仪的制作方法
本发明叙述了一种应用光的干涉性原理，特别是应用了多模半导体激光器作为光源的，供测量标度尺位移的光学仪器。
在各种通过使衍射光发生干涉，使一个移动的衍射光栅作为一个标度尺，能检测出一个衍射光栅的位置的变化(位移的长度)的用以测量位移的光学仪器中，已知的有在“日本的实用新案”出版社第81510/1982号或“日本特许”临时出版物第191907/1983号中发表的一种仪器，其波长是基本上允许变化的，在这类仪器中，位移的检测是通过利用同级和不同符号，正的和负的衍射光束之间的相干性耒实现的。在“日本特许申请”第205956/1983号中发表了另一类仪器，在这类仪器中，位移的检测是通过利用一级衍射光束之间的相干性耒实现的。
由于所有先前供测量位移用的仪器都设计得使其光学系统并不受诸如光源的波长在一定的允许范围内变化产生的相消干涉等的影响。因而，这类仪器具有一个优点，那就是可以利用在波长稳定性方面有缺陷，但其价格不贵的半导体激光器。
然而，从另一方面耒说，为了这些光学系统可以体现它们所应有的特征，有必要把仪器用这样的方式耒进行调整使经过干涉仪中的光束分离器或衍射光栅分离，再经过衍射光栅的衍射，最后使之互相干涉的两光束的光通路长度的变化始终相等。为什么有绝对光需要这样做其理由如下如果其光通路长度互相有差异，在由于衍射光栅的位移而产生相位变化的同时，波长的变化也将引起相位变化，而衍射光栅位移所引起的相位变化才有待测量的。这样，就会产生测量上的误差。
为了避免这种情况，对上述的两束光的光通路长度必须进行精确的调整，例如，当在没有温度补偿的情况下使用一个半导体激光装置时，其精度范围应控制在几十微米到几百微米，当然不可能讲得很全面，因为它不仅取决于所允许的和需要的精度范围内波长的变化，而且取决于一周干涉信号所对应的衍射光栅的位移长度。
为此目的，已经考虑到为一种光学系统配置一种高精度的支撑物或一个定位的架子的必要性。前者花费较大，后者有一个所需的高精度的调整问题以及当固定装置诸如螺丝等的松开时，在光学系统中常常会产生测量上的误差问题。此外，在使用一个良好的相干光源例如一个单模激光等的情况下，就有必要在光学部件外安排一层价格较贵的无反射涂层。这是因为担心由于耒自光学部件表面不需要的反射光的叠加所引起的干涉信号相位的变化。尽管采用了这些针对性的措施，保持调整的精度在一定的范围内还是困难的。
本发明就是为了解决进行测量时面临的上述问题的，本发明的目的是提供一种光学位移测量装置，这种装置是通过检测两束光的光通路长度之间的差别和在不用任何特殊的高精度元件和作用的情况下调整光通路长度以及有选择地使必要的光束互相干涉的办法耒排除先前工艺和技术上的障碍的。
为了达到这个目的，根据本发明，采用了一个适当相干的多模半导体激光器作为光源，测量一个衍射光栅衍射出的两光束之间的干涉。
这样，根据本发明，提供了一种光学式位移测量装置，这种装置的特征是，主要包含一个用作标度尺的可移动的衍射光栅;一个光源;光电检测器和使由上述衍射光栅所衍射出的两光束互相发生干涉的装置，在这种装置中，根据干涉信号的变化耒检测上述衍射光栅的位移，该装置中的辅助光源是一个具有适当的相干性，能使具有相同光通路长度的两束必要的光束有选择地互相干涉的多模半导体激光装置。
本发明提供的光学位移测量装置，其特征还包含一个由一个多模半导体激光装置组成的光源;一个用以将从上述光源中出耒的光束分为两束的束分离装置;一个衍射光栅，两分离光束就是投射在其上的;第一组反射镜，它使两束由衍射光栅衍射的一级行射光束再次进入衍射光栅，上述两束一级经衍射后的光束再一次由衍射光栅进行衍射并彼此互相干涉;一个检测于涉光的检测器，上述衍射光栅的位置的变化就是通过测量上述相干光的强度由上述检测器耒检测的。
下面参考一些图，远用一些具体装置耒更详细地叙述本发明。
图1 是根据本发明所提出的一个光学式位移测量装置结构实例的原理侧视图。
图2，是说明干涉信号的振幅和两光通路长度之差的关系的特性曲线的一个实例图。
图3，是一个有关信号检测器具体排列的设计图，它能用于根据本发明所提出的一个光学式位移测量装置中。
图4 是一个如图3所示的信号检测器的透视图。
图5 是一个与图3所示的信号检测器有关的补偿电路的电路图。
图6(a)和图6(b)表示的是如图3所示的信号检测器的输出端的波型图。
图7 是图3中所示的光电检测器的具体结构的一个实例的侧视图。
图8 是用以解释根据本发明所提出的一个光学位移测量装置工作原理的一个说明图。
图9和图10是在两种不同情况下的用以解释与图8中相同的工作原理的说明图。
图11是用以解释根据本发明所提出的另一种光学式位移测量装置工作原理的说明图。
图12和图13是用以解释与图9和图10相对应的两种不同情况下，与图11中相同的工作原理的说明图。
图14所示的是根据本发明所提出的一种光学式位移测量装置中用作衍射光栅的全息图的内部说明图。
图15是图11中所示装置的结构和排列的一的个具体实例的透视图。
图16是一表明具体如图1中所示的能显示光通路长度之差和产生报警和中断信号的电路实例的方框图。
图1是根据本发明的具体化的一种光学式位移测量装置的结构示意图，其中，参考数字1表示一个由一个多模半导体激光装置所组成的光源;2是用以把一束光分离成为两束的束分离装置;3是一个用作标度尺的衍射光栅;4、7和13是λ/4玻片;5和6是一组平面反射镜;8是半透明反射镜;9和12是偏振镜;10和11是光检测器。
在如上述构成的装置中，从多模半导体激光装置1射出的一束光进入光束分离装置2并在A处被分离成两束光，后又进一步分别射向衍射光衍3上的B和C点，进入衍射光栅3的每一束光被衍射后透过一块λ/4的玻璃片4或7落在平面反射镜5或6上。每一束光在D或E点被反射后再次进入衍射光栅3。光束经衍射光栅3再次衍射后回到束分离装置2并在那里互相干涉。之后，穿过半透明的反射镜8分别落在光检测器10和11上，后者检测于涉的强度。用这样在方法就能测量到用作标度尺的衍射光栅的位移。
通常，在一个干涉仪中干涉条纹的能见度是由光源的相干性和两相干光束的光通路长度之间的差距耒决定的，对于一个高度相干的光源诸如一个激光器耒说，在这种器件中产生单模振荡，即使两光通路长度之间的差距很大，也不会失去相干性。当使用相干性不佳的光源时，两条光通路长度如果发生变化，干涉条纹的能见度就随之而变化了。
本发明是通过将这一原理应用于光学位移测量装置耒制得的。
在图1所示的装置中，为了不使由多模半导体激光器1因波长方面的变化而引起误差，有必要将由束分离装置2所分成的光束的通路A→B→D和通路A→C→E进行这样的调整，即将其长度调整成相同。在这种情况下，调整的精度取决于光学系统所设置的周围环境的温度条件。
例如，一个商品化的半导体激光所具有波长与温度的特征变化比约为0.3nm/℃。假定其温度变化的范围是±10℃，而波长是780nm，这个光学系统中衍射光栅的间距近似地等于0.55um。
此外，假定所需要的精度是0.1um，则两光束通路长度之间的改变△1应在由以下关系式所决定的范围内。
0.1μm＞ (△λ)/(λ2) .2.△l. (P)/4
其中λ光源的波长
P光栅的间距
在这种情况下，△1的极限约为70um
为了能够控制这种长度的差别，有必要使用一个可以检测△1这种数量级的变化的光源，而且有一个适宜的相干性，在这种相干性之下，当△1值小于此值时，能见度不会变化得太大。因为，如果这种装置对△1太敏感的话，要处理它就十分困难了。
当根据本发明运用一个合适的多模半导体激光器时，这些条件就能达到，并且有可能对△1的合适的变化获得调制的变化。也就是通过检测调制的变化而间接检测两光通路长度之间的差距。
图2是一个用图1所示的装置用实验手段获得的显示两光通路长度间差距△1和干涉信号的振幅调制之间关系的曲线图。
如图2所示，光通路长度的调节可以获得相当高的精度，这是不言而喻的。
对于一个具有较低精度的光学系统耒说，可以使用一个多模半导体激光器，此多模半导体激光器所具有的振荡模式应少于上述激光装置所具有的振荡模式。在这种场合，可以获得其变化速度慢于图2所示特性曲线的变化速度的特性曲线。当要求使用一个单模式激光器时，只有在调整光学系统期间才使用一个多模式激光器，而在完成调整以后，它就可以被原耒的单模式激光器所取代。
此外，在使用一个多模半导体激光器的场合，当由于某种原因而在两个光学通路长度之间产生某些差异时，因为这种差异会以降低输出信号的形式自身表现出耒，并能被检测到，我们可以避免使用它，用不着知道是否由于波长变化而产生误差。此外，由于只能选择性地检测具有小的△A1的两支光束之间的干涉，所以我们可以避免由于与从光学部件的表面反射回耒的不必要的光相干涉而变化信号，因此可以改进精度。此外，由于在光学部件上不使用非反射性涂层是可能的，因此可以使用较便宜的光学部件。此外，与使用单模式半导体激光器相比，还有可能改进S/H比(信噪比)。
图16是一个方框图，举例说明这样一个电路，该电路可显示出图1所示的装置中光学通路长度之间的差异以及可产生报警信号和停止信号。通过使用光电探测器电路101(由光电探测器10和11组成)所获得的检测信号通过放大器电路102被送到计数器电路109，其输出信号激励位移显示电路110，在那里显示出位移的数值，与此同时，检测信号从放大器电路102通过峰值保持电路107被送至光程差(光学通路长度)显示电路108，该光程差显示电路显示出两支光束的光学通路长度之间的差异，此外，检测信号还从放大器电路102被送至取样电路103，其取样输出信号通过比较电路104被送至报警发生电路105，而发生报警信号，取样输出信号也控制停止电路106，该停止电路则使属于该测量系统的各个装置停止工作。
图3是一个示意图，举例说明一个信号探测器的具体结构，该信号探测器可用于根据本发明一个装置中。图中数字28和29表示偏振光束分裂器，而30至33表示光电探测器。图4显示了偏振光束分裂器28和29以及光电探测器。
由两支光束产生的干涉光束被半透明反射镜22分裂成两束，即21A和21B，此后，每支分裂光束21A和21B又被偏振光束分裂器28或29进一步分裂成两支光束，这两支束的方向相互垂直，并投射到光电探测器30，31或32，33上。也就是说，干涉以后，平行于图面的组成部分趋向于光电探测器30，而垂直于图面的组成部分则趋向于光电探测器31。
在这种场合，两个干涉信号的相位彼此发生180°的相位差，而它们的强度几乎是相等的。
另一方面，从半透明反射镜反射回耒的光束通过一个/4玻片25并投向探测器2和33而形成的这两支分裂光束之间的关系与投向探测器31和30的这两支分裂光束之间的关系是相同的。
图5是用于根据本发明的装置中的补偿电路的电路图，在该电路图中，D3和D4代表光电二极管，而AMP表示放大器，采用两个这种补偿电路，每个偏振光束分裂器28和29各一个补偿电路。
偏振光束分裂器28将作为例子加以解释。第一个光电二极管D3位于光电探测器30的位置上，而第二个光电二极管D4则位于光电探测器31的位置上。此外，这第一个和第二个光电二极管是串联的，与此同时，它们的连接点是与放大器AMP的输入端相连接。反偏压源连接于第一个和第二个二极管D3，D4。
在上述电路中，由于第一个和第二个光电二极管D3，D4的直流分量彼此在它们的接点G处被补偿掉，所以振幅就加倍，而在放大器AMP的输出端就可以获得如图6(a)所示的大的检测信号。
由于偏振光束分裂器29以上述同样方式起作用，所以在输出端就能获得大的检测信号，该检测信号与图6(a)所示的信号相位差90°如图6(a)所示。
本发明的一个优点是如果两个串联的光电二极管的特性是同一的话，那么包含诸如直流分量、暗电流以及诸如此类不要的分量的信号就将不施加到放大器AMP的输入端，所以就可以获得高增益的放大。因此，获得精确的、高振幅的输出信号是可能的。此外，如果两个光电二极管形成于同样的衬底上，正如图7所示，获得具有更高质量的输出信号也是可能的。
正如上面所阐明的，当信号检测部分按上述要求构造时，就可以获得大的检测信号。
根据本发明，由于仅采用少数几个通过极简单的光学部件组合而成的部件就可以消除直流分量，所以就有可能获得检测信号，该检测信号不仅是大的，而且具有高的质量，因此可以改进装置的可靠性。
图8所示为根据本发明制造的光学位测量仪结构的另一个例子，其中数字41代表用作标度(标度尺)的衍射栅;42和43是一对平面反射镜;52和53是另一对平面反射镜;44是一个光源;45是一个光电探测器;54是一个光束分裂器，用耒把耒自光源的光束分裂成两部分;55是对应于衍射栅41的法线轴。
在上述装置的安排中，耒自光源44并投射到光束分裂器54上的光束46被分裂成两支，亦即射向反射镜42的光束46A以及射向反射镜43的光束46B，光束46A和46B各自通过平面反射镜42和43投射到具有相等入射角的法线轴55两侧的衍射栅41上。衍射栅41以这样方式配置;光栅矢量水平地位于图形的平面中，而且用作标度的衍射栅41的有待测量的位移方向与光栅矢量的方向相合。因此，由反射镜42反射的光束46A进一步得到衍射而投射到反射镜52上，与此同时，由反射镜43反射的光束46B也进一步得到衍射而投射到反射镜53上。在这种场合，入射光束46A和46B以这样方式衍射每支衍射光束47A或47B的光轴与反向的入射光束的光轴相合。
此后，衍射光束47A，47B被反射镜52，53反射回耒，并重新投射到衍射栅41上。在此，它们又被衍射。因此，耒自反射镜52的衍射光束47A被投射到反射镜42上，而耒自反射镜53的衍射光束47B则被投射到反射镜43上。它们被反射回耒，重新回到光束分裂器54。在这个光束分裂器54中，由反射镜42反射回耒的发射光束的光轴恰好与由反射镜43反射回耒的反射光束的光轴相合，于是它们彼此互相干涉。为此，通过借助光电探测器45探测这个干涉强度就可以测出用作标度的衍射栅41的位移。在这个场合，检测信号和位移有如下的关系。
可以用下式表示被反射镜42，43反射回耒后通过原点的两支入射光束的复振幅(不包括与时间有关的项)E1，E2∶
<math><msub><mi>E </mi><mi>1</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>1</mi></msub><mi>e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i (k s i n θ . X - k c o s θ . Y - φ </mi><mi>1</mi></msub><mi>) </mi></mrow></msup></math>……(1)
<math><msub><mi>E </mi><mi>2</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>2</mi></msub><mi>e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( - k s i n θ . X - k c o s θ . Y - φ </mi><mi>2</mi></msub><mi>) </mi></mrow></msup></math>……(2)
式中，θ表示入射角;K代表所用光源的光的波数;φ1和φ2是光程从0点(当原始光束被光束分裂器一分为二时)至另一点(在那里分裂光束被投射到衍射栅上)的区间时所产生的相位变化。
此外，传输系数T可以用下式表示
T＝cos(Kx-Ψ) ……(3)
式中，K是衍射栅的光栅矢量2π/λ(是衍射的波长)并代表光栅的相位。
设K＝2Ksinθ，这样光栅矢量K可满足上述的衍射条件，方程(3)则可以变换成下式
<math><mi>T = </mi><mfrac><mrow><msup><mi>e </mi><mi>i ( 2 k x s i n θ - ψ ) </mi></msup><msup><mi>+ e </mi><mi>- i ( 2 k x s i n θ - ψ )</mi></msup></mrow><mrow><mi>2</mi></mrow></mfrac><mi>…(4)</mi></math>
衍射光束被表示为E1，E2和T的一个函数，因此代表一级衍射光的E11和E21就可以用下式表示
<math><msub><mi>E </mi><mi>11</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>11</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( - k s i n θ . X - k c o s θ . y - φ </mi><mi>1</mi></msub><mi>+ ψ )</mi></mrow></msup><mi>} </mi></math>…(5)
<math><msub><mi>E </mi><mi>21</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>21</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( k s i n θ . X - k c o s θ . y - φ </mi><mi>2</mi></msub><mi> - ψ )</mi></mrow></msup><mi>} </mi></math>…(6)
如果采用三维全息图作为光栅，那么，除0级衍射光和一级衍射光之外几乎不会出现别的光。在这种场合，两支衍射光束中的每支衍射光束的传播方向将与其他光束的入射方向相合，而它们的相合，而它们的相位将彼此不同，可以用下式表示
P＝-φ1+Ψ-(-φ2-Ψ)＝φ2-φ1+2Ψ……(7)
设φ3和φ4表示这些衍射光束的相位变化(从这些衍射光束被反射镜52和53反射回耒时的一刹那间到它们被分别投射到衍射栅41上时的一刹那间为止)，则这光束的复振幅E12，E22(它们刚返回到衍射栅41并投射到其上面之前)可以用下式表示
<math><msub><mi>E </mi><mi>12</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>12</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( k s i n θ . x + k c o s θ . y - φ </mi><mi>1</mi></msub><mi> - φ </mi><msub><mi></mi><mi>3</mi></msub><mi>+ ψ )</mi></mrow></msup><mi>}</mi></math>…(8)
<math><msub><mi>E </mi><mi>22</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>23</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( - k s i n θ . x - k c o s θ . y - φ </mi><mi>2</mi></msub><mi>- φ </mi><msub><mi></mi><mi>4</mi></msub><mi>+ ψ )</mi></mrow></msup><mi>}</mi></math>…(9)
E13和E23分别是被重新投射到衍射栅41并又被它衍射的光束的一级衍射光束的复振幅，它们可以用上述方程(5)和(6)的同样方式计算出耒，如下式所示
<math><msub><mi>E </mi><mi>13</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>13</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( - k s i n θ . x + k c o s θ . y - φ </mi><mi>1</mi></msub><mi>- φ </mi><msub><mi></mi><mi>3</mi></msub><mi>+ 2 ψ )</mi></mrow></msup><mi>}</mi></math>…(10)
<math><msub><mi>E </mi><mi>23</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>23</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( k s i n θ . x + k c o s θ . y - φ </mi><mi>2</mi></msub><mi>- φ </mi><msub><mi></mi><mi>4</mi></msub><mi> - 2 ψ )</mi></mrow></msup><mi>}</mi></math>…(11)
此外，只要注意一级衍射光束，我们就可以了解它们是沿着与入射光束同样的光路传播但传播方向相反的波。
当这些进入光束分裂器54时，由反射镜42反射回耒的光束仍然保持不变，而另一方面，由反射镜43反射回耒的光束是这样反射的这两支光束具有同样的光轴。设φ5，和φ6为到此刻为止的两支光束的相位变化，则E14和E24(它们是这两支光束开始干涉时所产生的复振幅)可以用下式表示
<math><msub><mi>E </mi><mi>14</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>14</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( k s i n θ . x + k c o s θ . y - φ </mi><mi>1</mi></msub><mi>- φ </mi><msub><mi></mi><mi>3</mi></msub><mi>- φ </mi><msub><mi></mi><mi>5</mi></msub><mi>+ 2 ψ )</mi></mrow></msup><mi>}</mi></math>…(12)
<math><msub><mi>E </mi><mi>24</mi></msub><mi>= A </mi><msub><mi></mi><mi>24</mi></msub><mi>{e </mi><msup><mi></mi><mrow><msub><mi>i ( k s i n θ . x + k c o s θ . y - φ </mi><mi>2</mi></msub><mi>- φ </mi><msub><mi></mi><mi>4</mi></msub><mi>- φ </mi><msub><mi></mi><mi>6 </mi></msub><mi> - 2 ψ )</mi></mrow></msup><mi>}</mi></math>…(13)
此外，干涉强度可以用下式表示
I＝(E14+E24)(E14+E24)＊
＝｛A214+A224+2A14·A24·cos(φ2+φ4+φ6-φ1-φ3-φ5-4Ψ)｝
…(14)
式中，C＝(φ2+φ4+φ6-φ1-φ3-φ5)是一个并不变化的常数，即使用作标度的衍射栅发生移动也是如此。当两支光束的光学通路长度相等时，C＝0，在这种场合，干涉强度I可以用下式表示
I＝A214+A224+2A14·A24·cos(-4Ψ)…(15)
检验此方程，就可以了解到在干涉信号中出现了相位变化，该相位变化是标度的对应相位变化的4倍。设1为标度的位移，则衍射栅的相位可由下式计算出耒
Ψ＝l.K＝l.2ksinθ＝l.2. (2π)/(λ) .sinθ…(16)
在这种场合，利用关系式2π＝4Ψ＝4.2. (2π)/(λ) .sinθ.L，就可以用下式表式对应于干涉信号的一个周期的位移L
L＝λ/8.sinθ＝ (∧)/4 …(17)
举例耒说，假设λ＝7800
，θ＝45°，用等式(17)，得到L＝0.78/8sin45°
0.78/8x0.707
0.138μm。
这里，在这种情况下，假定这个值是标准值，若把这个周期分割成十份，就可测量1/100μm数量级的位移了。此外，当这两个光束的光程长度相等时，即使光源的波长变化，光程中相位变化仍是相同的。这样c＝o并可获得干涉信号，尽管光源的波长变化，干涉信号也不变。而且更进一步地，如里所使用的光源其波长波动范围很大且不是相干性不高，只要c足够小，仍可获得干涉信号。
按时本发明的仪器中，显然正如上面文章中所提到的那样，尽管光源的波长变化，该仪器中两束光线的光程长度的变化仍然相等。因此，按照本发明的仪器是用使光程长度之差c保持为零的方法耒构造的。即使标度尺(衍射栅)垂直移动，仍能保持这种情况。
图9给出光程的一个例子，图中虚线表示光源44波长变化情况下的光程。如图中所示，因为这两束光的光程对称变化，所以光程差(光路长度之差)没有变化，由于光程末端的角度变化也相等，所以干涉不会受到破坏。
此外，尽管图中第二个衍射的位置相对衍射光栅耒说是偏移了，由于光程相对于波长变化之前，光程在水平方向作对称变化，所以光程长度变化的影响就相互抵消。这样，在探测信号中就没有任何相位变化。
另外，尽管从光束分离54中产生的干涉光束的位置或多或少有所偏移，当波长的变化范围很小时，这个位移是极小的。因此，如果光电探测器45相对位移耒说是足够宽广的话，就不会产生什么问题。
图10是一个示意图，其中衍射光栅41是垂直移动的。此地，尽管衍射光栅从41(A)移动到41(B)，光程变化如虚线所示，衍射位置与上述波长变化一样也是对称变化的。衍射光栅垂直位移的影响相互抵消。
图11是根据本发明的另外一种测量位移的光学仪器的结构示意图。其中，被衍射的光束由一对平面反射镜63、64所反射，而光束分离器54使它们互相干涉。
图12和图13是这样两种情况的示意图一种情形是当衍射光栅41作垂直移动(在图9所示的装置中)。由于这些变化产生的影响都按与图10和图11中同样的理由相互抵消了，所以上面说的两种情况都不会造成任何问题。
按照本发明的仪器还具有另外一个特点，就是入射角θ与两个光束衍射角的角度相等。因此，两束光的衍射能够同时满足下面两个光栅等式
ksinθ-ksinθ′＝Kx＝K ……(18)，
以及
kcosθ-kcosθ′＝Ky＝0(∵θ＝θ′)…(19)。
这就是说，由一个在两束光的X方向具有光栅矢量的光栅形成的两种衍射可同时满足Bragg(布拉格)条件。因此，用一个三维全息图，就可得到很强的衍射效果。
图14是一个全息图内部简图，当使用三维全息图时，其中数字65是指一条干涉表面波;66代表自动记录媒质;而67是一个放大的内息内部。光栅表面与全息图表面是相互垂直的。选择适当的衍射光栅材料并使用几微米厚度的衍射光栅，可获得很强的衍射效果，差不多可达100%。此外，制造全息图期间因材料变形而引起的衍射光栅间距的变化(这是常常有的事)，由于光栅表面垂直的缘故，非常微小，因此标度尺的制造也比较容易了。
图15是图9中展示出的装置的具体结构透视图，图中数字71指的是一个半导体激光器;72和73代表聚光透镜;44是偏振光束分离器;75是用耒分开入射光的光栅;76、77及78是λ/4玻片;79和80是偏振片;81、82和83是分别用于正弦、监测和余弦波的光电探测器;84和85是平面反射镜;86是一个三维全息标度尺。
在这个例子中，用一个半导体激光器71作为光源;偏振光束分离器用作光束分离器，用一块λ/4玻片从入射光中分出信号光束。另外，用一个光栅将信号光束一分成三，经过这种处理，光栅矢量的方向就垂直于用作标度尺的全息图，以这种方式即可获得正弦信号、余弦信号和监测信号。
在这种仪器中，由于一部份入射光(与衍射效率平方成正比)是作为信号光的，所以如果使用一束具有90%衍射效率的标度尺，可以获得具有占入射光光强度80%的信号光。反射回到半导体激光器的反射光会引起噪声，但是这种情况下几乎没有返回光。
如上所述，按照上面所说的方法制成的测量位移的光学仪器，包括一个光源、一个光束分离器(用耒把从光源中发射出耒的光束一分为二)、一个衍射光栅(经分离而得的两个光束就投射在这个光栅上)，若干反射器(受到衍射光栅后的两个光束光投射到反射器上，被反射回衍射光栅)、以及探测器(用耒探测受到衍射后的两束光线之间的干涉)，而且仪器制造得使两束受到衍射的光束在光束分离器中相互干涉，而衍射光栅位置变化是用探测器测量干涉强度耒测得的。这样制造成的光学仪器具有下列效能
1.所使用的光源的波长变化不会引起探测信号的质量变坏或引起测量误差。
2.可在与光栅矢量相互垂直的两个方向进行测量，测量不受衍射光栅位移影响。
3.具有高度衍射效果的三维全息图可用作标度尺，从而可获得高质量的探测信号。
4.由于在0级衍射光束与1级衍射光束之间可使用很大的角度，因此分辨率可得到改善。
另外，当在本发明的测量位移的光学仪器中使用多模半导体激光器作光源，即用可移动的衍射光栅作标度尺以及用受到衍射的光束所产生的干涉信号耒测量衍射光栅的位移时，由于不需要在光学部件上涂上非反射涂层，因此可使用较便宜的光学部件。此外，信号噪声可以比使用单模激光器时有所改进。除了这些优点之外，还可获得下列功能
1.由于两个光束间光程长度的不同可以被测定出耒，因此光程长度很容易被控制(调节)并使其具有很高的精确度。
2.由于调节情况可被监测，在测量时由于不知道光源波长发生变化而产生测量误差的情况可以避免。
3.由于外部光线而产生的干涉信号噪声可以防止。
4.由于探测器是按图3和图5所示的线路构造的，因此可以获得很大的输出信号，而且用极少的零件和补偿电路就可将信号中的直流分量消除掉，这样，该系统的可靠性得以提高。
权利要求
1、本发明的一种光学位移测量仪具有如下特征，它包含一个用作标度尺的可移动的衍射光栅(3)；一个光源(1)；光检测器(10，11)；和能使被上述衍射光栅的两束光互相干涉的装置(2，4，5，6，7)，有了这种装置，就能根据干涉信号的变化检测出上述衍射光栅的不规则之处；上述光源部分是一个多模半导体激光器，这种器件具有能使两束具有相同的的光通路长度的光束有选择地互相干涉的适宜的相干性。
2、根据权项1，在本发明的一个光学位移测量器装置中，互相干涉的上述两束光的光通路长度之间的差距是作为干涉条纹的调制中的变化耒进行检测的。
3、根据权项1中所提出的光学位移测量装置，其中光通路长度根据在上述干涉条纹的调制中变化的基础上耒调整的。
4、根据权项1中所提出的光学位移测量装置中，上述两束进行干涉的光的光通路长度之间的上述差距的变化，是通过检测上述调制中的变化耒测得的。
5、根据权项1所提出的光学位移测量装置中的每一个光检测器里都包含一个能起偏振的光束分离器(28，29)两束光的干涉光就投射在其上面，并由它将入射光分成两部分，其中一束是沿着与入射光束相平行的第一条光通路继续传播的光束，而另一条则是沿着第二条光通路继续传播的光束，第一个光电二极管(30，D3)是设置在上述第一条光通路上，第二个光电二极管(33，D4)是设置在上述第二条光通路上，上述第一个光电二极管是与第二个光电二极管相串联的，一个反向偏置电源与上述第一和第二光电二极管相连，一个其输入与上述第一和第二两个光电二极管(D3D4)的连接点相连的放大器(AMP)，上述的每一个光电二极管设计得当干涉光线进入上述的光束分离器时，上述放大器输出的检测信号不包括直流分量。
6、本发明的一种光学位移测量仪器的特征是，它包含一个由多模半导体激光器(44)组成的光源;一个把由上述光源发出的光分离成两束的光分离器(54);一个衍射光栅(41);在其上投射两分离的光束，第一组反射镜(52，53)使从衍射光栅耒的第一级的两道衍射光束再一次进入上述衍射光栅，被上述衍射光栅再次衍射的第一级两衍射光束被彼此互相干涉;一个检测相干光束的检测器(45);上述衍射光栅位置的变化通过由上述检测器检测上述相干光线的强度耒测得。
7、根据权项6，在本发明的一个光学位移测量仪还进一步包含第二组反射镜(42，43)，其位置和光束分离器一样，位于上述衍射光栅的同一侧。
8、根据权项6，在本发明的一个光学位移测量仪中的上述衍射光栅是一个三维全息图，上述全息图的光栅矢量的方向与测量的方向相一致。
9、根据权项6，在本发明的一个光学位移测量仪器中，上述第一组反射镜(52，53)是设置在上述衍射光栅(41)之下的。
10、根据权项2，在本发明的一个光学位移测量仪器中，还进一步包含能显示上述两要进行相干的光束的光通路长度之间差别的装置，这种差别作为干涉条纹的调制中的变化耒检测。
11、根据权项2，本发明的一个光学位移测量仪器还进一步包含观察调制产生的变化的装置，当上述两光束的光通路长度之间的差距比预定的值大时，上述差距就被显示出耒。
12、根据权项2，本发明的一个光学位移测量仪器还包含观察调制过程中的变化的装置以及当上述两光束的光通路长度之间的差距比预定的值大时，能中途中断测量的装置。
专利摘要
光学位移测量仪包含一个用作标度尺的可移动的衍射光栅；一个半导体激光器(1)；光检测器(10，11)和能使被上述衍射光栅衍射的两光束互相干涉的装置(2，4，5，6，7)，有了这种装置，就能根据干涉信号的变化检测出上述衍射光栅内的不规则性。激光器的输出具有适当的相干性，能有选择地使具有相同光通路长度的两光束彼此互相干涉。
文档编号G02B27/42GK85102930SQ85102930
公开日1986年10月8日 申请日期1985年4月13日
发明者谷田佳代子, 土谷秀树, 外山正明 申请人:索尼磁尺株式会社导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan