一種多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀及其測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及激光干涉測量技術領域，具體涉及一種多光束階梯型平面反射鏡激光 干涉儀。
【背景技術】
[0002] 激光器的出現，使古老的干涉技術得到迅速發展，激光具有亮度高、方向性好、單 色性及相干性好等特點，激光干涉測量技術已經比較成熟。激光干涉測量系統應用非常廣 泛：精密長度、角度的測量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測；精密儀器中的定位檢測 系統如精密機械的控制、校正；大規模集成電路專用設備和檢測儀器中的定位檢測系統； 微小尺寸的測量等。在大多數激光干涉測長系統中，都采用了邁克爾遜干涉儀或類似的光 路結構。
[0003] 單頻激光干涉儀從激光器發出的光束，經擴束準直后由分光鏡分為兩路，并分別 從固定反射鏡和可動反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產生干涉條紋。當可動反射鏡移動 時，干涉條紋的光強變化由接受器中的光電轉換元件和電子線路等轉換為電脈沖信號，經 整形、放大后輸入可逆計數器計算出總脈沖數，再由電子計算機按計算式L = NX λ /2,式 中λ為激光波長（Ν為電脈沖總數），算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時， 要求周圍大氣處于穩定狀態，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結果。
[0004] 單頻激光干涉儀的弱點之一就是受環境影響嚴重，在測試環境惡劣，測量距離較 長時，這一缺點十分突出。其原因在于它是一種直流測量系統，必然具有直流光平和電平零 漂的弊端。激光干涉儀可動反光鏡移動時，光電接收器會輸出信號，如果信號超過了計數器 的觸發電平則就會被記錄下來，而如果激光束強度發生變化，就有可能使光電信號低于計 數器的觸發電平而使計數器停止計數，使激光器強度或干涉信號強度變化的主要原因是空 氣湍流，機床油霧，切削肩對光束的影響，結果光束發生偏移或波面扭曲。
[0005] 單頻激光干涉儀由于測量結構的問題，其測量精度受限于激光的波長，其精度一 般只能為其波長的整數倍，很難再進行提升，同時測量環境的變化對測量結果有較大影響。 隨著工業生產對精密測量的要求越來越高，對測量儀器的測量精度提出了更高的要求。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服現有激光干涉儀測量精度僅可測量獲取激光干涉中整數 倍波長，測量精度難以提升的弊端，在現有邁克爾遜激光干涉儀的基礎上，采用多束平行 激光束與階梯型平面反射鏡實現激光干涉的交替測量，同時在激光干涉光路中結合微動平 臺，以獲得激光干涉測距中無法獲得的激光干涉波的小數部分，提高激光干涉測量儀的測 量精度。同時由于多光路干涉狀態交替變換，對測量光路的環境變化有更高的抗干擾能力。
[0007] 本發明采用的技術方案為：
[0008] 一種多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、階梯型平面反射 鏡、移動反射鏡、光電探測器組以及微動平臺，所述激光源包括η個平行激光束，其中η多2， 所述光電探測器組包括η個光電探測器，所述階梯型平面反射鏡包括η個成階梯型的反射 平面，相鄰兩個反射平面的間距等于#+#，其中k為自然數、λ為激光源發出的激光波 2 η 2 長；每個所述激光源發出的激光經過所述分光鏡反射后，分別射入對應一個反射平面，每個 所述反射平面將對應激光束反射到對應的所述光電探測器組的各個光電探測器；所述激光 源發出的每束激光經過所述分光鏡透射后，分別入射到所述移動反射鏡后再反射到對應的 光電探測器組的各個光電探測器；所述階梯型平面反射鏡連接在所述微動平臺上。
[0009] 作為本發明的優選實施方式，所述微動平臺可以為壓電陶瓷。
[0010] 作為本發明的優選實施方式，隨著所述移動反射鏡在干涉光路方向的移動，由于 激光源射出的不同激光的干涉光路光程差，各激光干涉光路將交替處于最強干涉狀態。 [0011] 本發明還提供一種上述的多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀的測量方法，步驟 包括：
[0012] 步驟一、將所述階梯型平面反射鏡固定在所述微動平臺上，調整好所述激光源、分 光鏡、階梯型平面反射鏡、移動反射鏡、光電探測器的位置；
[0013] 步驟二、啟動所述激光源，所述激光源發出的激光到所述分光鏡反射，經反射后的 激光射入對應的所述階梯型平面反射鏡，在所述階梯型平面反射鏡的階梯反射面反射到對 應的所述光電探測器；所述激光源發出的激光到所述分光鏡，經透射后的激光入射到所述 移動反射鏡，經所述移動反射鏡反射到所述光電探測器，光電探測器可以檢測出激光干涉 狀態，干涉光路調整完成；
[0014] 步驟三、首先將所述移動反射鏡固定在被測對象的起始測量位置上，此時控制所 述微動平臺移動，使所述階梯型平面反射鏡沿激光入射方向或反射方向移動，當所述光電 探測器測得一個激光干涉波時，即最強干涉狀態或最弱干涉狀態，固定所述微動平臺。將所 述移動反射鏡在干涉光路方向移動距離d，對應所述光電探測器測得波長為λ的激光干涉 波的數量為Ν(η個光電探測器探測到激光干涉波總數為Ν)，此時根據激光波長λ計算獲得 所述移動反射鏡的移動距離
【主權項】
1. 一種多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、階梯型平面反射 鏡、移動反射鏡、光電探測器組以及微動平臺，其特征在于，所述激光源包括η個平行激光 束，其中η多2，所述光電探測器組包括η個光電探測器，所述階梯型平面反射鏡包括η個成 階梯型的反射平面，相鄰兩個反射平面的間距等于其中k為自然數、λ為激光源 2 η 2 發出的激光波長；每個所述激光源發出的激光經過所述分光鏡反射后，分別射入對應一個 反射平面，每個所述反射平面將對應激光束反射到對應的所述光電探測器組的各個光電探 測器；所述激光源發出的每束激光經過所述分光鏡透射后，分別入射到所述移動反射鏡后 再反射到對應的光電探測器組的各個光電探測器；所述階梯型平面反射鏡連接在所述微動 平臺上。
2. 根據權利要求1所述的多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀，其特征在于，所述微 動平臺可以為壓電陶瓷。
3. 根據權利要求1所述的多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀，其特征在于，所述激 光源生成的多束平行激光中，相鄰激光的間距為激光波長的整數倍。
4. 根據權利要求1所述的多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀，其特征在于，隨著所 述移動反射鏡在干涉光路方向的移動，由于激光源射出的不同激光的干涉光路光程差，各 激光干涉光路將交替處于最強干涉狀態。
5. -種上述任意一項權利要求所述的多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀的測量方 法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、將所述階梯型平面反射鏡固定在所述微動平臺上，調整好所述激光源、分光 鏡、階梯型平面反射鏡、移動反射鏡、光電探測器的位置； 步驟二、啟動所述激光源，所述激光源發出的激光到所述分光鏡反射，經反射后的激光 射入對應的所述階梯型平面反射鏡，在所述階梯型平面反射鏡的階梯型反射平面反射到對 應的所述光電探測器；所述激光源發出的激光到所述分光鏡，經透射后的激光入射到所述 移動反射鏡，經所述移動反射鏡反射到所述光電探測器，光電探測器可以檢測出激光干涉 狀態，干涉光路調整完成； 步驟三、首先將所述移動反射鏡固定在被測對象的起始測量位置上，此時控制所述微 動平臺移動，使所述階梯型平面反射鏡沿激光入射方向或反射方向移動，當所述光電探測 器測得一個激光干涉波時，即最強干涉狀態或最弱干涉狀態，固定所述微動平臺，將所述移 動反射鏡在干涉光路方向移動距離d，對應所述光電探測器測得波長為λ的激光干涉波的 數量為N (η個光電探測器探測到激光干涉波總數為Ν)，此時根據激光波長λ計算獲得所述 λχΝ 移動反射鏡的移動距離^ = 一^ ; In 步驟四、固定所述移動反射鏡，控制所述微動平臺移動，使所述階梯型平面反射鏡在所 述激光入射移動，當所述光電探測器再次測得一個干涉波時，即最強干涉狀態或最弱干涉 狀態，此時微動平臺移動距離設為1，則被測距離未被檢測到的距離Dd為1，可獲得步驟三 所測移動距離d的精確值為^ =4^ + /。 Ln
6.根據權利要求5所述的多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀的測量方法，其特征在 于，所述步驟四中的所述階梯型平面反射鏡的位移方向是沿著所述激光反射的方向，那么 最后獲得的所述移動反射鏡的移動距離更為精確的值為，= -/)。 I n I η
【專利摘要】本發明涉及激光干涉測量技術領域，具體涉及一種多光束階梯型平面反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、階梯型平面反射鏡、移動反射鏡、光電探測器組以及微動平臺，階梯型平面反射鏡的反射面為n個階梯平面，相鄰兩個反射平面間距為(k為自然數)，所述激光源可以生成多束平行激光，所述光電探測器組有n個光電探測器，激光干涉測量過程中，n個光電探測器將交替處于激光最強干涉狀態或最弱干涉狀態，測量精度可以達到同時對于測量過程中嚴格滿足多光路干涉狀態交替變化的情況才對其進行計數，即在多光路干涉測量中引入交流信號，將傳統的激光干涉測量中直流電平的測量轉換為交流信號的測量，提高了干涉儀的抗干擾能力。
【IPC分類】G01B9-02
【公開號】CN104729403
【申請號】CN201510142670
【發明人】張白, 潘俊濤, 康學亮
【申請人】北方民族大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月30日