一種基于納米位移計量傳感器的納米微位移檢測儀的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及精密測量領域，涉及一種高精度的納米位移計量方法。
【背景技術】
[0002] 隨著科學技術的不斷發展，人們對測量技術的精度要求也越來越高。其中高精度 的納米位移計量裝置成為眾多領域前進發展的關鍵技術。常用的位移計量裝置為光柵尺和 激光干涉測量儀。光柵尺是通過記錄靜尺和動尺相互移動對產生的莫爾斯干涉條紋數來測 量位移的。但是光柵尺易受溫度的影響，測量分辨率嚴重依賴于光柵尺的光柵常數，且測量 范圍有限。單個光柵尺檢測的最大允許速度往往與其測量分辨率成反比，故存在著測量速 度與分辨率的矛盾。而激光干涉測量儀是利用激光在真空中的波長作為長度基準，可以達 到納米級的測量分辨率。利用參考光路與測量光路的光程差對位移進行測量，通過光學倍 頻布局可以使得測量的分辨率達到幾個納米，同時由于激光的相干長度較大，測量的范圍 要遠遠大于光柵尺的測量范圍。專利[CN200910069745.2]涉及一種共路激光干涉儀，它包 括激光器、偏振分光鏡、反射鏡、衍射光柵、偏振片、凸透鏡和光電探測器，在激光器發出光 束方向上放置偏振分光鏡，偏振分光鏡的分光面與激光器發出光束方向成45° ;在偏振分光 鏡的分光面方向上的上側和下側分別放置反射鏡和衍射光柵;在出射光的方向上依次放置 偏振片、凸透鏡和光電探測器，這三個元件的光軸方向與偏振分光鏡的分光面成45°，與激 光器發出光束方向成90°。將激光多普勒技術與激光偏振干涉技術相結合，增強光路對外界 環境的抗干擾能力，提高了激光干涉儀的測量分辨力和精度，但其在光學結構對位移只進 行了 4細分。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于提供一種光學倍頻的納米位移計量傳感器，該傳感器采用光學 倍頻技術，直接在光學結構上將位移進行8細分，由此提高了精度。同時采用偏振分光棱鏡 和1 /4玻片組合，減少了光能損失。本發明技術方案如下：
[0004] -種光學倍頻的納米位移計量傳感器，包括偏振分光棱鏡、1/4玻片、第一平面反 射鏡、第二平面反射鏡，第一角錐棱鏡、第二角錐棱鏡、第三角錐棱鏡、第四角錐棱鏡和偏振 片，其特征在于：
[0005] 所述的偏振分光棱鏡居中置放于兩個鏡面平行相對的第一角錐棱鏡和第四角錐 棱鏡之間，第一、第四角錐棱鏡的結構尺寸相同、且反射面均平行于偏振分光棱鏡;所述1/4 玻片安裝在偏振分光棱鏡的正下部，1/4玻片工作面與偏振分光棱鏡底邊平行，1/4玻片光 學中心軸到第一、第四角錐棱鏡的鏡面等距，其下方平行設置有左右對稱第一平面反射鏡、 第二平面反射鏡;第一平面反射鏡下方設有第二角錐棱鏡，第二平面反射鏡下方設有第三 角錐棱鏡;所述第二、第三角錐棱鏡結構和尺寸相同，共同固定在上下運動部件上，第二、第 三角錐棱鏡鏡面共面且均向上分別與第一、第二平面反射鏡的鏡面相對;偏振片安裝在偏 振分光棱鏡的上部;偏振片、1/4玻片、第二、第三角錐棱鏡鏡面和第一、第二平面反射鏡的 鏡面相互平行；
[0006]所述偏振分光棱鏡上部的一端用于激光入射，另一端正對偏振片，為激光出射部。
[0007] 工作時，偏振分光棱鏡將入射激光分為正交的兩路線偏振光輸出，一路為透射光 Tp，一路為反射光Rs;
[0008] 所述透射光TPgl/4玻片后，再經第二角錐棱鏡反射到第一平面反射鏡，然后在第 一平面反射鏡的反射作用下，按原光路再次經1/4玻片;兩次經過1/4玻片，光束偏振方向改 變90度變成反射光Rl，返回偏振分光棱鏡，由偏振分光棱鏡反射到第一角錐棱鏡;經第一角 錐棱鏡反射到偏振分光棱鏡，經偏振分光棱鏡反射到1/4玻片，入射至第三角錐棱鏡，然后 被反射到第二平面反射鏡;在第二平面反射鏡作用下，按原光路再次經1/4玻片返回，光束 偏振方向再次改變90度變成透射光T2，透射過偏振分光棱鏡，投射到偏振片上；
[0009] 所述反射光Rs射入第四角錐棱鏡后，被反射回偏振分光棱鏡，進而被偏振分光棱 鏡投射到偏振片上，與所述透射光T2經過偏振后發生干涉；
[0010]兩干涉光的光程差與安裝第二、第三角錐棱鏡的運動部件上下位置有關，隨運動 部件相對于偏振分光棱鏡或1/4玻片的距離變化而變化，從而引起干涉條紋數量變化，結合 已知的激光波長，即求出微小的位移變化。
[0011] 進一步的，所述納米位移計量傳感器的偏振片的上方還設有光電探測器，便于干 涉光條紋信號接收。
[0012] 進一步的，所述納米位移計量傳感器的偏振片是線偏振型，通過調節偏振方向實 現兩束光的相干程度。
[0013] 進一步的，本發明基于所述納米位移計量傳感器，提出一種納米位移檢測儀，包括 依次電信號連接的納米位移計量傳感器、差分電路、放大整形電路、辨向細分電路、A/D轉換 電路和計算機；
[0014] 其中，所述納米位移計量傳感器輸出的干涉光條紋信號經差分電路轉換為相位差 為90度的正余弦信號，一路送入放大整形電路，變成數字方波輸至辨向細分電路進行四細 分計數，該計數電路對超過1/4周期的條紋移動進行計數;另一路經A/D轉換電路，通過A/D 轉換器對不足1/4周期的條紋移動進行細分處理;兩路信號的計數值送入計算機，進行同步 相加處理，由計算機計算出位移值。
[0015] 本發明提出的技術方案，采用了偏振分光棱鏡和1/4玻片組合，保證了干涉條紋的 強度，具有測量范圍大，抗干擾能力強等特點，并且相比于單路光束系統在某種程度上可減 小非直線運動所造成的誤差。由于采用了差動式的結構，直接在采用光學倍頻布局，實現光 學8細分，提高了靈敏度，同時可使得結構緊湊、減少溫度、空氣及機械干擾的影響，保證了 測量的高精度要求。
【附圖說明】
[0016] 圖1光學倍頻的納米位移計量傳感器的結構圖；
[0017] 圖2基于納米位移計量傳感器的納米微位移檢測儀結構圖；
[0018] 在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：
[0019] 1-激光器、2-偏振分光棱鏡、3-第一角錐棱鏡、4-底座、5-第一平面反射鏡、6-第二 角錐棱鏡、7-第三角錐棱鏡、8-第二平面反射鏡、9-1/4玻片、10-第四角錐棱鏡、11-偏振片。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0021] 如圖1示，本實施提供的光學倍頻的納米位移計量傳感器，包括激光器1、偏振分光 棱鏡2、1/4玻片9、第一平面反射鏡5、第二平面反射鏡8,第一角錐棱鏡3、第二角錐棱鏡6、第 三角錐棱鏡7、第四角錐棱鏡10，偏振片11和底座4。
[0022]偏振分光棱鏡2將激光器輸出激光分為正交的兩路線偏振光，一路為透射光Tp，一 路為反射光Rs;
[0023]透射光TPgl/4玻片9后，然后經第二角錐棱鏡6反射到第一平面反射鏡5,然后在 第一平面反射鏡5的反射作用下，按原光路再次經1/4玻片9返回，兩次