專利名稱：光學測位移裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光學測位移裝置。
背景技術：
外差干涉測位移儀能夠以簡單的相位比較取得較高的測量分辨力，由于其結構簡單，抗干擾能力強等優勢，廣泛應用于納米測量技術領域。制造業的發展迫切需要對高速加工過程中的物體進行測量和定位，高測速則需要高頻差。國內外的一些雙頻激光干涉測位移儀多采用塞曼效應產生雙頻，基于塞曼效應的雙頻激光干涉測位移儀的測量準確度受光學系統本身的非線性誤差的限制，且頻差小，最大頻差一般不超過4MHz，測量的速度不能太高。利用雙反射膜法得到雙頻，最高頻差為6MHz,測速最大可達1.8m/s。上世紀90年代初清華大學課題組研制的雙折射雙頻激光測位移儀，可以產生從40MHz到IGHz左右的大頻差，其外差信號要求的處理電路較為復雜，技術難度大。后期清華大學課題組研制出一種新型的塞曼-雙折射雙頻激光測位移儀，輸出頻差為3_40MHz,最聞測速可達4m/s,但是其/[目號處理上極為復雜。如今市場上成熟的產品有美國的Agilent (前身為HP)、ZYG0、英國的Renishaw，其產品各具特點，售價也都很昂貴。其中ZYGO公司的部分激光干涉測位移儀采用聲光調制法獲得雙頻，其頻差可以達到20MHz，最高測速可達5.lm/s。中國的普銳也研發了基于塞曼效應的外差干涉測位移儀。但是上述測位移儀的頻率穩定性較差，導致測位移精度不高。
發明內容
本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種光學系統簡單且測量精度高的光學測位移裝置。為了實現上述目的，本發明采用了以下結構:< 結構 1>本發明提供一種光學測位移裝置，用于對加工過程中高速移動的被測物體進行位移的測定，其特征在于，具有:光源，用于發射激光；七面分光棱鏡，接收激光并將激光分成沿水平方向出射且頻率相同的平行反射光和平行透射光；第一光調制器，用于接收平行反射光并對平行反射光進行光調制形成第一出射光；第二光調制器，用于接收平行透射光并對平行透射光進行光調制形成與第一出射光的頻差為I MHz 100 MHz的第二出射光；偏振分光鏡，具有上偏振分光膜和下偏振分光膜，上偏振分光膜接收第一出射光，并將第一出射光分為正交的第一透射光和第一反射光，下偏振分光膜接收第二出射光，并將第二出射光分為正交的第二透射光和第二反射光；第一四分之一波片，設置于偏振分光鏡的上方，使兩次經過第一四分之一波片的第一反射光轉變為能夠透射偏振分光鏡的上偏振分光膜和下偏振分光膜的第一反射偏振光；第二四分之一波片，設置于偏振分光鏡的一側，使兩次經過第二四分之一波片的第一透射光轉變為能夠被偏振分光鏡的上偏振分光膜和下偏振分光膜反射的第一透射偏振光；第一角錐棱鏡，設置于第一四分之一波片的上方，使第一反射偏振光沿平行于原光路的方向返回至偏振分光鏡；第二角錐棱鏡，設置于被測物體上，位于第二四分之一波片的旁側，使第一透射偏振光沿平行于原光路的方向返回至偏振分光鏡；第一偏振片，設置于偏振分光鏡的旁側，位于第一透射偏振光的光路上，使第二透射光與經過偏振分光鏡反射的第一透射偏振光發生干涉形成第一干涉光；第二偏振片，設置于偏振分光鏡的下方，位于第一反射偏振光的光路上，使第二反射光與經過偏振分光鏡透射的第一反射偏振光發生干涉形成第二干涉光；第一光接收器，設置于第一偏振片的旁側，將接收到的第一干涉光的光強信號轉化為測量信號；以及第二光接收器，設置于第二偏振片的下方，將接收到的第二干涉光的光強信號轉化為參考信號。另外，本發明光學測位移裝置中，光源為He-Ne激光器。另外，本發明光學測位移裝置中，激光為圓偏振光和偏振方向與水平軸成45°的線偏振光中的一種。進一步，本發明光學測位移裝置中，第二透射光為水平偏振光，第二反射光為豎直偏振光。〈結構2>本發明提供一種光學測位移裝置，用于對加工過程中高速移動的被測物體進行位移的測定，其特征在于，具有:光源，用于發射激光；七面分光棱鏡，接收激光并將激光分成沿水平方向出射且頻率相同的平行反射光和平行透射光；第一光調制器，用于接收平行反射光并對平行反射光進行光調制形成第一出射光；第二光調制器，用于接收平行透射光并對平行透射光進行光調制形成與第一出射光的頻差為I MHz 100 MHz的第二出射光；偏振分光鏡，具有上偏振分光膜和下偏振分光膜，上偏振分光膜接收第一出射光，并將第一出射光分為正交的第一透射光和第一反射光，下偏振分光膜接收第二出射光，并將第二出射光分為正交的第二透射光和第二反射光；第一四分之一波片，設置于偏振分光鏡的上方，使兩次經過第一四分之一波片的第一反射光轉變為能夠透射偏振分光鏡的上偏振分光膜和下偏振分光膜的第一反射偏振光；第二四分之一波片，設置于偏振分光鏡的一側，使兩次經過第二四分之一波片的第一透射光轉變為能夠被偏振分光鏡的上偏振分光膜和下偏振分光膜反射的第一透射偏振光；第一角錐棱鏡，設置于被測物體上，位于第一四分之一波片的上方，使第一反射偏振光沿平行于原光路的方向返回至偏振分光鏡；第二角錐棱鏡，設置于第二四分之一波片的旁側，使第一透射偏振光沿平行于原光路的方向返回至偏振分光鏡；第一偏振片，設置于偏振分光鏡的旁側，位于第一透射偏振光的光路上，使第二透射光與經過偏振分光鏡反射的第一透射偏振光發生干涉形成第一干涉光；第二偏振片，設置于偏振分光鏡的下方，位于第一反射偏振光的光路上，使第二反射光與經過偏振分光鏡透射的第一反射偏振光發生干涉形成第二干涉光；第一光接收器，設置于第一偏振片的旁側，將接收到的第一干涉光的光強信號轉化為第一信號；以及第二光接收器，設置于第二偏振片的下方，將接收到的第二干涉光的光強信號轉化為第二信號。另外，本發明光學測位移裝置中，光源為He-Ne激光器。另外，本發明光學測位移裝置中，激光為圓偏振光和偏振方向與水平軸成45°的線偏振光中的一種。進一步，本發明光學測位移裝置中，第二透射光為水平偏振光，第二反射光為豎直偏振光。發明作用與效果根據本發明光學測位移裝置，該裝置利用兩個光調制器分別對七面分光棱鏡產生的兩束同頻率光進行頻率調制，獲得具有一定頻差的兩束光，頻差的數量級為MHz，因為該裝置能從光學測位移裝置的內部提取參考信號而不從光調制器的驅動信號中提取參考信號，根據共模抑制的原理，能夠消除由光調制器振動引起的測量誤差，從而抑制了頻率漂移，提高了測量的精準度。另外，本裝置所使用的七面分光棱鏡能使分光面上分開的反射光和透射光經表面反射后平行出射，從而使光路對稱，容易調整。另外，本裝置不需要對頻率不同的兩束光先進行合光，因此光學系統簡單。本裝置的非線性誤差來源于偏振分光鏡的漏光，所以系統的非線性誤差較小。進一步，因為經過光調制器的第一出射光和第二出射光通過的是同一塊偏振分光鏡，所以能在同一塊偏振分光鏡進行會合分光，能夠避免外部環境變化的影響，并且這種偏振分光鏡更容易調校。由于干涉儀的頻差取決于光調制器的調制頻率差，因此兩束光的頻差可以很大，測量速度可以達到很大，而且頻率穩定性好。
圖1為本發明實施例的光學測位移裝置的結構示意圖。圖2為本發明實施例的七面分光棱鏡的結構示意圖。圖3為本發明實施例的偏振分光鏡的結構示意圖。圖4為本發明實施例的整體光路示意圖。圖5為本發明實施例的局部光路示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明涉及的光學測位移裝置進行詳細地說明。實施例一圖1為本發明實施例的光學測位移裝置的結構示意圖。如圖1所示，光學測位移裝置23包括光源1、七面分光棱鏡2、第一光調制器3、第二光調制器13、偏振分光鏡4、第一四分之一波片5、第二四分之一波片7、第一角錐棱鏡6、第二角錐棱鏡8、第一偏振片10、第二偏振片12、第一光接收器9以及第二光接收器11。其中,光源I為He-Ne激光器,用于發射激光,該激光為圓偏振光,頻率為f。圖2為本發明實施例的七面分光棱鏡的結構示意圖。如圖2所示，七面分光棱鏡2，具有上半部分15和下半部分16。上半部分15和下半部分16分別具有對應的入射面18、反射面19和出射面20。上半部分15和下半部分16的接觸面為分光面17。上半部分15和下半部分16在分光面17的兩側呈對稱排列。七面分光棱鏡2用于接收激光并將激光分成沿水平方向出射的平行反射光和平行透射光。平行反射光和平行透射光的頻率相同，均為f。第一光調制器3，用于接收平行反射光并對平行反射光進行光調制形成第一出射光Wp第一光調制器3的調制頻率為f1;因此第一出射光W1的頻率為f+ f1D
第二光調制器13，用于接收平行透射光并對平行透射光進行光調制形成第二出射光W2。第二光調制器13的調制頻率為f2，因此第二出射光W2的頻率為f+ f2。和f2的頻差為10 MHz，因此第二出射光與第一出射光的頻差為10 MHz0圖3為本發明實施例的偏振分光鏡的結構示意圖。如圖3所不,偏振分光鏡4,具有上偏振分光膜21和下偏振分光膜22。上偏振分光膜21和下偏振分光膜22與水平方向的夾角為45°。第一出射光W1進入偏振分光鏡4后,被上偏振分光膜21反射形成沿豎直方向向上出射的第一反射光W12,被上偏振分光膜21透射形成沿水平方向向右出射的第一透射光Wno第一反射光W12和第一透射光W11呈正交出射。第一反射光W12和第一透射光W11的頻率為f+ fl。第二出射光W2進入偏振分光鏡4后,被下偏振分光膜22反射形成沿豎直方向向下出射的第二反射光W22，被下偏振分光膜22透射后形成沿水平方向向右出射的第二透射光W21。第二反射光W22和第二透射光W21呈正交出射。第二透射光W21為水平偏振光，第二反射光W22為豎直偏振光。第二反射光W22和第二透射光W21的頻率為f+ f2。第一四分之一波片5，設置于偏振分光鏡4的上方，位于第一反射光W12的出射光路上，使第一反射光W12的偏振方向旋轉90° ,從而轉變為第一反射偏振光W’ 12。第一反射偏振光W’ 12能夠完全透射偏振分光鏡4的上偏振分光膜21和下偏振分光膜22而不發生反射。第一反射偏振光W’ 12的頻率為f+ f10第二四分之一波片7，設置于偏振分光鏡4的旁側，位于第一透射光W11的出射光路上，使第一透射光W11的偏振方向旋轉90° ,從而轉變為第一透射偏振光W’n。第一透射偏振光W’ n能夠完全被上偏振分光膜21和下偏振分光膜22反射而不發生折射。第一透射偏振光W’n的頻率為f+ f1D第一角錐棱鏡6，設置于第一四分之一波片5的上方，位于第一反射光W12的光路上，使沿豎直方向入射入第一四分之一波片5的第一反射光W12沿平行于原光路的方向返回至偏振分光鏡4。第二角錐棱鏡8，設置于被測物體上，位于第二四分之一波片7的旁側并在第一透射光W11的光路上，使沿水平方向入射入第二四分之一波片7的第一透射光W11沿平行于原光路的方向返回至偏振分光鏡4。第一偏振片10,設置于偏振分光鏡4的旁側,位于經過偏振分光鏡4的上偏振分光膜21和下偏振分光膜22兩次反射后的第一透射偏振光W’ n的光路上，使不同頻率的第二反射光W21與第一透射偏振光W’η在同方向上發生干涉形成第一干涉光。第一偏振片10的透射方向與水平方向呈45°夾角。第二偏振片12,設置于偏振分光鏡4的下方,位于經過偏振分光鏡4的上偏振分光膜21和下偏振分光膜22兩次透射后的第一反射偏振光W’ 12的光路上，使不同頻率的第二反射光W22與經過偏振分光鏡4兩次透射后的第一反射偏振光W’ 12在同方向上發生干涉形成第二干涉光。第二偏振片12的透射方向與水平方向呈45°夾角。第一光接收器9，具有第一光電二極管，設置于第一偏振片10的旁側，位于第一干涉光的光路上，將接收到的第一干涉光的光強信號轉化為第一信號。第二光接收器11，具有第二光電二極管，設置于第二偏振片12的下方，位于第二干涉光的光路上，將接收到的第二干涉光的光強信號轉化為第二信號。圖4為本發明實施例的整體光路示意圖。如圖4所示，光學測位移裝置23的光路如下:(I)棱鏡分光步驟:光源I所發射的激光豎直入射入七面分光棱鏡2的入射面18，在分光面17上發生反射和透射，成為同頻率的反射光和透射光，頻率為f。反射光被分光面17反射至七面分光棱鏡2的上半部分15，在上半部分15的反射面19上再次反射成為方向水平的平行反射光并從出射面20出射，同時，透射光被分光面17透射至七面分光棱鏡2的下半部分16，在下半部分16的反射面19上再次反射成為方向水平的平行透射光并從出射面20出射。(2)光調制步驟:平行反射光平行入射入第一光調制器3得到頻率為f+f\的第一出射光W1，平行透射光平行入射入第二光調制器13得到頻率為f+f2的第二出射光W2。其中，4和f2的頻差為IOMHz。圖5為本發明實施例的局部光路示意圖。(3)分光鏡分光步驟:如圖5所不,第一出射光W1水平入射入偏振分光鏡4,在上偏振分光膜21上發生透射形成第一透射光W11并從偏振分光鏡4中沿水平方向向右出射，同時，第一出射光W1也在上偏振分光膜21上發生折射形成第一反射光W12并從偏振分光鏡4中沿豎直方向向上出射。第二出射光W2水平入射入偏振分光鏡4,在下偏振分光膜22上發生透射形成第二透射光W21并從偏振分光鏡4中沿水平方向向右出射，同時，第二出射光W2也在下偏振分光膜22上發生反射形成第二反射光W22并從偏振分光鏡4中沿豎直方向向下出射。(4)偏振步驟:第一反射光W12依次經過第一四分之一波片5、第一角錐棱鏡6和第一四分之一波片5成為第一反射偏振光W’ 12。第一透射光W11依次經過第二四分之一波片
7、第二角錐棱鏡8和第二四分之一波片7成為第一透射偏振光W’ n。(5)干涉步驟:第一反射偏振光W’ 12先后經偏振分光鏡4的上偏振分光膜21和下偏振分光膜22透射兩次并從偏振分光鏡4中沿豎直方向向下出射,在第二偏振片12中同第二反射光W22發生干涉形成第二干涉光。同時，第一透射偏振光W’ n先后經偏振分光鏡4的上偏振分光膜21和下偏振分光膜22反射兩次并從偏振分光鏡4中沿水平方向向右出射，在第一偏振片10中同第二透射光W21發生干涉形成第一干涉光。如圖5所示，為了更明顯地畫出光路，圖5將第二反射光W22和第一反射偏振光W’ 12的光路分開畫。同樣，為了更明顯地畫出光路，圖5也將第二透射光W21和第一透射偏振光W’ n的光路分開畫。(6)信號轉換步驟:第一光接收器9接收第一干涉光并將第一干涉光的光強信號轉化為第一信號。第二光接收器11接收第二干涉光并將第二干涉光的光強信號轉化為第二信號。第二角錐棱鏡8安裝在被測物體上面，設被測物體的位移為，則被測物體的位移L丨的計算方法如下:L1為第一出射光W1從第一光調制器3到偏振分光鏡4的上偏振分光膜21之間的路程，L2為第二出射光W2從第二光調制器13到偏振分光鏡4的下偏振分光膜22之間的路程，L3為第一反射光W12從偏振分光鏡4的上偏振分光膜21經第一角錐棱鏡6回到偏振分光鏡4的上偏振分光膜21之間的路程，L4為第一透射光W11從偏振分光鏡4的上偏振分光膜21經第二角錐棱鏡8回到偏振分光鏡4的上偏振分光膜21之間的路程，L5為第一反射偏振光W’ 12從偏振分光鏡4的上偏振分光膜21到下偏振分光膜22所對應的路程。光源I發射的激光的頻率為f。第一光調制器3的調制頻率為，第二光調制器13的調制頻率為f2, fi和f2的頻率差為1OMHz。第二出射光W2的初相位為φ ，第二出射光W2經L2的所對應的相位為Φ2，則
權利要求
1.一種光學測位移裝置，用于對加工過程中高速移動的被測物體進行位移的測定，其特征在于，具有: 光源，用于發射激光； 七面分光棱鏡，接收所述激光并將所述激光分成沿水平方向出射且頻率相同的平行反射光和平行透射光； 第一光調制器，用于接收所述平行反射光并對所述平行反射光進行光調制形成第一出射光； 第二光調制器，用于接收所述平行透射光并對所述平行透射光進行光調制形成與所述第一出射光的頻差為I MHz 100 MHz的第二出射光； 偏振分光鏡，具有上偏振分光膜和下偏振分光膜，所述上偏振分光膜接收所述第一出射光，并將所述第一出射光分為正交的第一透射光和第一反射光，所述下偏振分光膜接收所述第二出射光，并將所述第二出射光分為正交的第二透射光和第二反射光； 第一四分之一波片，設置于所述偏振分光鏡的上方，使兩次經過所述第一四分之一波片的所述第一反射光轉變為能夠透射所述偏振分光鏡的所述上偏振分光膜和所述下偏振分光膜的第一反射偏振光； 第二四分之一波片，設置于所述偏振分光鏡的一側，使兩次經過所述第二四分之一波片的所述第一透射光轉變為能夠被所述偏振分光鏡的所述上偏振分光膜和所述下偏振分光膜反射的第一透射偏振光； 第一角錐棱鏡，設置于所述第一四分之一波片的上方，使所述第一反射偏振光沿平行于原光路的方向返回至所述偏振分光鏡； 第二角錐棱鏡，設置于所述被 測物體上，位于所述第二四分之一波片的旁側，使所述第一透射偏振光沿平行于原光路的方向返回至所述偏振分光鏡； 第一偏振片，設置于所述偏振分光鏡的旁側，位于所述第一透射偏振光的光路上，使所述第二透射光與經過所述偏振分光鏡反射的所述第一透射偏振光發生干涉形成第一干涉光; 第二偏振片，設置于所述偏振分光鏡的下方，位于所述第一反射偏振光的光路上，使所述第二反射光與經過所述偏振分光鏡透射的所述第一反射偏振光發生干涉形成第二干涉光; 第一光接收器，設置于所述第一偏振片的旁側，將接收到的所述第一干涉光的光強信號轉化為第一信號；以及 第二光接收器，設置于所述第二偏振片的下方，將接收到的所述第二干涉光的光強信號轉化為第二信號。
2.根據權利要求1所述的一種光學測位移裝置，其特征在于: 其中，所述光源為He-Ne激光器。
3.根據權利要求1所述的一種光學測位移裝置，其特征在于: 其中，所述激光為圓偏振光和偏振方向與水平軸成45°的線偏振光中的一種。
4.根據權利要求1所述的一種光學測位移裝置，其特征在于: 其中，所述第二透射光為水平偏振光，所述第二反射光為豎直偏振光。
5.一種光學測位移裝置，用于對加工過程中高速移動的被測物體進行位移的測定，其特征在于，具有: 光源，用于發射激光； 七面分光棱鏡，接收所述激光并將所述激光分成沿水平方向出射且頻率相同的平行反射光和平行透射光； 第一光調制器，用于接收所述平行反射光并對所述平行反射光進行光調制形成第一出射光； 第二光調制器，用于接收所述平行透射光并對所述平行透射光進行光調制形成與所述第一出射光的頻差為I MHz 100 MHz的第二出射光； 偏振分光鏡，具有上偏振分光膜和下偏振分光膜，所述上偏振分光膜接收所述第一出射光，并將所述第一出射光分為正交的第一透射光和第一反射光，所述下偏振分光膜接收所述第二出射光，并將所述第二出射光分為正交的第二透射光和第二反射光； 第一四分之一波片，設置于所述偏振分光鏡的上方，使兩次經過所述第一四分之一波片的所述第一反射光轉變為能夠透射所述偏振分光鏡的所述上偏振分光膜和所述下偏振分光膜的第一反射偏振光； 第二四分之一波片，設置于所述偏振分光鏡的一側，使兩次經過所述第二四分之一波片的所述第一透射光轉變為能夠被所述偏振分光鏡的所述上偏振分光膜和所述下偏振分光膜反射的第一透射偏振光； 第一角錐棱鏡，設置于所述被測物體上，位于所述第一四分之一波片的上方，使所述第一反射偏振光沿平行于原光路的方向返回至所述偏振分光鏡； 第二角錐棱鏡，設置于所述第二四分之一波片的旁側，使所述第一透射偏振光沿平行于原光路的方向返 回至所述偏振分光鏡； 第一偏振片，設置于所述偏振分光鏡的旁側，位于所述第一透射偏振光的光路上，使所述第二透射光與經過所述偏振分光鏡反射的所述第一透射偏振光發生干涉形成第一干涉光; 第二偏振片，設置于所述偏振分光鏡的下方，位于所述第一反射偏振光的光路上，使所述第二反射光與經過所述偏振分光鏡透射的所述第一反射偏振光發生干涉形成第二干涉光; 第一光接收器，設置于所述第一偏振片的旁側，將接收到的所述第一干涉光的光強信號轉化為第一信號；以及 第二光接收器，設置于所述第二偏振片的下方，將接收到的所述第二干涉光的光強信號轉化為第二信號。
6.根據權利要求5所述的一種光學測位移裝置，其特征在于: 其中，所述光源為He-Ne激光器。
7.根據權利要求5所述的一種光學測位移裝置，其特征在于: 其中，所述激光為圓偏振光和偏振方向與水平軸成45°的線偏振光中的一種。
8.根據權利要求5所述的一種光學測位移裝置，其特征在于: 其中，所述第二透射光為水平偏振光，所述第二反射光為豎直偏振光。
全文摘要
本發明公開了一種基于光調制的光學測位移裝置，包括光源、七面分光棱鏡、兩個光調制器、偏振分光鏡、兩個四分之一波片、兩個偏振片以及兩個對應的光接收器。該裝置利用兩個光調制器分別對七面分光棱鏡產生的兩束同頻率光進行頻率調制，獲得頻率不同的兩束光，頻差的數量級為MHz。該裝置非線性誤差小，不需要對頻率不同的兩束光先進行合光，因此光學系統簡單，光路調整容易，可靠性高。本發明可應用于高速測量，具有較為廣闊的實用價值和經濟價值。
文檔編號G01B11/02GK103162631SQ201310091469
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月21日 優先權日2013年3月21日
發明者句愛松, 肖凱敏, 鐘朝陽, 劉丹玥 申請人:上海理工大學