用于测量微滚转角的激光干涉系统 【技术领域】
本发明涉及激光精密测量技术，特别是一种用于测量围绕线位移方向的微旋转角度的激光干涉系统。
背景技术
在军工、航天、数控机床等高科技领域中，精密基准计量和几何量精密测量具有非常重要的作用，特别是围绕位移运动方向微旋转角度的测量技术，越来越引起人们的重视。传统的围绕位移运动轴微旋转角度的干涉测量方法比较复杂。其关键技术是利用一块与行程同样长的平面反射镜。这块与行程同样长的平面反射镜一般装在移动被测件上并随之运动，光源发出的光射向平面反射镜，被反射镜反射回来由光电探测器接收。当被测件出现滚转角时，根据自准直原理，被反射到光电探测器接收面上的光点位置发生变化，即可测出滚转角。类似这种方法得到的分辨率都很高，但干扰因素也很多。为此，授予R.R.Baldwin的题为“Interferometer system for mesruring straightness androll”的美国专利US 3790284揭示了一种双渥拉斯顿晶体的干涉方法，但由于需要两个昂贵的渥拉斯顿晶体，而且反射镜和双渥拉斯顿晶体的装调要求高难度的配合，所以限制了其应用。授予Chaney的美国专利US5056921也使用了一种干涉的方法，但任需要一块与行程一样长的平面反射镜。Wei Gao等人的“Measurement and control of rollingof a precision moving table[A]”(Proceedings of the IEEE Inter2national Conference on Intelligent Processing Systems[C].1997.28-31：70-74.)采用两个差动式PSD接收器，实现了一种利用自准直激光的差分原理，提高了抗干扰性。但是，上述技术对平面反射镜的表面质量提出了较高的要求，不利于降低制造成本，而且，平面反射镜的镜面质量还受到温度、应力变形等因素的影响，从而降低了测量可靠性。
另外，还存在基于四分之一波片和检偏器的组合滚转角测量。根据光学原理，如果把一个四分之一波片的光轴与线偏振光的偏振方向成45°放置，可以将两个正交线偏振光变成两个方向相反的圆偏振光。检偏器与被测件固定在一起，当被测件发生滚转时，作为滚转角传感器的检偏器会随之转动，检偏器的转动会使两个方向相反的圆偏振光产生方向相反的相位移。用光电探测器检测通过检偏器出射的光相位变化，就可以得到检偏器的滚转角变化，而且，相位变化与转角成2倍的线性关系，可以实现整圆周测量。由于这种测量方法的有效性，甚至被应用在导弹和其它飞行物的滚转飞行角测量中。方仲平的“激光滚转误差测量仪的研究”以及殷纯永、谢广平、成相印等人在1996年清华大学学报第10期第86-91页的“滚转角测量方法的研究”利用法拉第磁光效应也实现了基于四分之一波片和检偏器的组合滚转角测量，但是旋光漂移影响了测量精度。不过，2倍的放大倍数几乎就是要求1比1的测量检偏器的空间旋转角度，所以分辨率一般比较低。
殷纯永教授等(殷纯永.柳忠尧，“滚转角测量方法及其滚转角测量仪”，中国专利01130893.1，以及Hong Jiang，Chunyong Yin在Optical Engineering，2000，39(2)：516-519的“Sensitivity enhancedroll angle measurement[J]”)采用横向塞曼激光器，并且令1/4波片不位于45度角，使两个正交线偏振光仅微椭圆化，于是在特定的角度上出现测量转角的灵敏度倍增区，同时使测量光再次通过作为传感器的1/2波片，使得被测量的滚转角放大4倍，最终测量放大倍率可以达到200倍。利用分辨率为0.003°的相位计，滚转角的测量分辨率可达到0.1″(0.5微弧度)。由于在此方法中相位变化与滚转角成非线性关系，因而需要标定，这也就影响了系统测量精度的提高。
冯其波等人的发明名称为“一种基于光栅的滚转角测量方法与装置”的中国专利200810118863.3公开了一种基于光栅的滚转角测量新方法，利用光栅的±1级衍射光束构成双光路差动测量，分辨率可以达到0.6″。不过，滚转角变化与探测信号变化不成线性关系，要靠定标曲线确定，也影响了测量精度的提高。
还可以使用两点法(或三点法)，即利用光学或者其它传感方法同时测量不同位置的直线位移来计算出滚转角的大小。这类方法的测量分辨率随不同的长度检测手段大不相同，例如马军山等人在光学学报，2000，20(10)：1403～1406地“滚转角误差的光学精密测量技术研究”利用光入射角在临界角附近变化时反射光强将发生剧烈变化的原理，设计了差动式精密角度传感器，得到测量重复性精度0.05″，但是需要参考镜，需要标定，而且光强检测的灵敏度受光源和信号信噪比的影响。另外，两点法(或三点法)的测量精度受诸多因素影响，而且费时费力，不易用于实时测量。
【发明内容】
本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种结构简单且稳定可靠的具有高分辨率的测量围绕线位移方向微旋转角度的激光干涉系统。
本发明提供一种用于测量围绕线位移方向微旋转角度的激光干涉系统，包括：
激光源，产生第一光束和参考信号，所述第一光束包含两个分量，所述两个分量具有不同的频率并且线偏振方向相互正交，所述参考信号的频率对应于所述两个分量的频率差；
楔角棱镜，随被测件一起运动；
光反射装置，位于该楔角棱镜一侧；
光干涉装置，位于所述楔角棱镜的另一侧与所述激光源之间；
相位检测装置，用于根据所述参考信号和从所述光干涉装置输入的第二光束确定所述两个分量的相位差的变化量以得到所述被测件的微旋转角度；
其中，所述光干涉装置从所述第一光束产生平行入射到所述楔角棱镜的第三和第四光束，所述楔角棱镜和光反射装置使得所述第三和第四光束沿与入射路径相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述返回的第三和第四光束分别产生平行入射到所述楔角棱镜的第五光束和第六光束，所述楔角棱镜和光反射装置使得所述第五和第六光束沿与入射相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从返回的所述第五光束和第六光束产生所述第二光束，所述第三至第六光束入射到所述楔角棱镜的位置构成一个正方形的四个顶点，其中所述第三和第五光束的入射位置构成所述正方形的一对呈对角分布的顶点，所述第四和第六光束的入射位置构成所述正方形的另一对呈对角分布的顶点。
本发明还提供一种用于测量围绕线位移方向微旋转角度的激光干涉系统，包括：
激光源，提供第一光束，所述第一光束通过所述光干涉装置产生两个相同频率的线偏振分量，所述两个分量的线偏振方向相互正交；
楔角棱镜，随被测件一起运动；
光反射装置，位于该楔角棱镜一侧；
光干涉装置，位于所述楔角棱镜的另一侧与所述激光源之间；
相位检测装置，用于根据从所述光干涉装置输出的第二光束确定所述两个分量的相位差的变化量以得到所述被测件的微旋转角度，
其中，所述光干涉装置从所述第一光束产生平行入射到所述楔角棱镜的第三和第四光束，所述楔角棱镜和光反射装置使得所述第三和第四光束沿与入射路径相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述返回的第三和第四光束分别产生平行入射到所述楔角棱镜的第五光束和第六光束，所述楔角棱镜和光反射装置使得所述第五和第六光束沿与入射相同的路径返回所述光干涉装置，所述光干涉装置从所述第五光束和第六光束所返回的光产生所述第二光束，所述第三-第六光束入射到所述楔角棱镜的位置构成一个正方形的四个顶点，其中所述第三和第五光束的入射位置构成所述正方形的一对呈对角分布的顶点，所述第四和第六光束的入射位置构成所述正方形的另一对呈对角分布的顶点。
可选地，本发明的激光干涉系统的光干涉装置包括偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、角隅棱镜；该偏振分光棱镜从第一面接收该第一光束将该第一光束分解为相互平行且正交的第七光束和第八光束从第二面射出，该第七光束和第八光束入射到该第一四分之一波片上出射为该第三光束和第四光束、该第三光束和第四光束经过楔角棱镜入射到光反射装置，经过光发射装置反射后依次经楔角棱镜、第一四分之一波片入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后从第三面射出第九光束，该第九光束经过该第二四分之一波片到达角隅棱镜，经角隅棱镜反射后经过该第二四分之一波片射出与该第九光束平行且不在同一高度上的第十光束，该第十光束经第三面入射到该偏振分光镜，该偏振分光棱镜将该第十光束分解为相互平行且正交的第十一光束和第十二光束从第二面射出，该第一四分之一波片接收第十一光束和第十二光束射出第五光束和第六光束，该第五光束和第六光束经楔角棱镜入射到光反射装置上，经该光反射装置反射后依次经过楔角棱镜、第一四分之一波片从第二面入射到该偏振分光棱镜，经该偏振分光棱镜处理后以合成的第二光束从第一面射出。
可选地，该第二面、第一四分之一波片、楔角棱镜和楔角反射镜的中心轴线平行或位于同一直线上，并且该第一四分之一波片位于偏振分光棱镜和楔角棱镜之间；该角隅棱镜、第二四分之一波片和第三面的中心轴线平行或位于同一直线上，并且该第二四分之一波片位于该角隅棱镜和偏振分光棱镜之间；该第一面和第三面沿该偏振分光棱镜的中心轴线对称。
可选地，该偏振分光棱镜由两块直角棱镜沿一直角边粘合而成，在胶合面上镀有一层偏振分光膜，在该偏振分光膜上进行光的合成与分解。
可选地，该相位检测装置包括：起偏器，接收所述光干涉装置的第二光束产生第十三光束；光电检测器，接收所述第十三光束并产生电测量信号；相位计，接收和比较所述电测量信号和所述电参考信号并得出相应的微旋转角度。
可选地，该楔角棱镜可为双面楔角或者单面楔角，由两块同样的棱镜(70A和70B)组成。
可选地，该光反射装置可为楔角反射镜。
可选地，该光反射装置的反射表面垂直于入射到其上的光束。
可选地，单面楔角棱镜的楔角可为1°，所述楔角反射镜的楔角为0.5°。
本发明的优点是：该仪器所需光学器件少、结构简单、使用方便、便于生产和加工、成本较低。此外，由于光路结构对两个频率分量完全对称，当温度或者机械变化对光学元件产生各种影响时，都将同时作用于两个光频率分量，不会引起它们之间相位差的变化，从而降低了产生误差的可能性，所以系统稳定、分辨率高，完全可以达到高精度的测量指标，特别适用于几何量精密测量和计量基准的建立，其中包括军工、航天等精密基准计量、各种数控机床和三坐标测量仪的定位或校准、光栅刻划工作台及各种测量定位工作台的定位测量等。
【附图说明】
图1为根据本发明的一个较佳实施例的滚转角干涉测量系统的结构示意图；
图2为根据图1系统的光路平面展开示意图；
图3(a)和3(b)为根据图1系统的空间四对称光路的剖面图；以及
图4示出了按照本发明另一个较佳实施例的激光干涉系统的结构示意图。
【具体实施方式】
下面将结合附图对本发明的目的进行详细说明。
图1是根据本发明一个较佳实施例的激光干涉系统的结构示意图，包括激光源1、光干涉装置100、楔角棱镜10、光反射装置11、相位检测装置110。
其中该光干涉装置100包括分光棱镜2、四分之一波片9、四分之一波片7、角隅棱镜8。相位检测装置包括偏振器12、光电检测器13和相位计14。
激光源1采用双频激光，激光源1一方面对分光棱镜2提供频率稳定的入射光束，该光束含有两个频率不同且线偏振方向互相正交的分量，同时也对相位计14给出一个稳定的正弦电参考信号，该参考信号的频率等于激光源1的两个分量的频率差。
分光棱镜2位于激光源1所产生的入射光束的光路上。分光棱镜2例如由两块直角棱镜粘合而成，在粘合面镀有一层偏振分光膜，棱镜面4和棱镜面6的合适区域均镀有增透膜，粘合面等效于偏振分光镜故称为偏振分光面3，与偏振分光面3对称的棱镜面4和棱镜面5的合适区域镀有反射膜，其作用是使从棱镜面4入射的并由偏振分光面3分开的偏振方向相互正交的两束光束经棱镜面4和棱镜面5的反射后从棱镜面6出射，在角隅棱镜8、楔角反射镜11、四分之一波片7和四分之一波片9的共同作用下，光束两次通过楔角棱镜10，最后反射回棱镜面6并通过偏振分光面3合成一路，从棱镜面4出射。
四分之一波片7和四分之一波片9分别位于棱镜面5和棱镜面6的两侧且与其平行，其作用是将通过四分之一波片7和四分之一波片9的光束转化成圆偏振光束，或者反过来将通过四分之一波片的圆偏振光转化成线偏振光。
角隅棱镜8设置在四分之一波片7的后面且其轴线与棱镜面5垂直。角隅棱镜8、四分之一波片7和棱镜面5的中心轴线相互平行，优选位于同一直线上。角隅棱镜8将从棱镜面5出射并经四分之一波片7后入射的光束反射回去，而且入射光束与反射光束相互平行且不在一个高度上。
楔角棱镜10和光反射装置11依次设置在四分之一波片9的后面，且均与棱镜面6平行；楔角棱镜10用于折射从楔角棱镜10前后入射的偏振光束，而且两次入射到楔角棱镜10前表面和两次由光反射装置11返回到楔角棱镜10前表面的四个偏振光束构成重合的正四方形，且呈对角分布，即对角线上的光束源自同一光束，具有相同的频率。楔角棱镜10随被测件滚转，从而引起光程差的变化；光反射装置11为固定设置，其作用是反射来自楔角棱镜10的光束。
起偏器12与棱镜面4平行设置，其作用是混合从棱镜面4出射光束中的两正交分量。
光电检测器13接收来自起偏器12的光束并产生电测量信号输入相位计14，相位计14用来测量上述电测量信号和前述电参考信号之间的相位差，该相位差的变化与因楔角棱镜10的滚转引起的光程差成正比。
虽然图1中的楔角棱镜为单面楔角棱镜，但本发明并没有对此做出限定，该楔角棱镜同样可以例如为双面楔角棱镜。
在图1所示的较佳实施例中，光反射装置11可以为但不限于楔角反射镜。
在图1所示的较佳实施例中，当楔角棱镜为单面楔角棱镜时，楔角反射镜的楔角是单面楔角棱镜楔角的二分之一；当该楔角棱角为双面楔角棱镜时，楔角反射镜的楔角是双面楔角棱镜的楔角的四分之一。
在图1所示的较佳实施例中，单面楔角棱镜的楔角优选为1°，此时楔角反射镜的楔角为0.5°。
图2为根据本发明一个较佳实施例的激光干涉系统的光路平面展开示意图。
来自激光源1的光束15从棱镜面4入射到分光棱镜2，并且同时提供电参考信号68到相位计14。分光棱镜2的偏振分光面3镀有偏振分光膜，将两束偏振方向相互正交的平行入射面的p光16和垂直入射面的s光17分开。两光束经过棱镜面4和棱镜面5反射后，从棱镜面6射出分光棱镜2，即光束20和21。
光束20和21经过四分之一波片9后分别转化成圆偏振光束22和23，光束22和23经过楔角棱镜10的70A和70B折射成为光束24和25，经过70C和70D折射出来形成光束26和27。光束26和27被楔角反射镜11的面71A和71B反射后得到光束26A和27A，经过70C和70D折射后进入楔角棱镜10形成光束24A和25A，经过70A和70B折射出来形成光束22A和23A。光束22A和23A再次经过四分之一波片9后转化成偏振方向与原入射光束20和21相互正交的线偏振光28和29，光束28和29进入分光棱镜2，经棱镜面4和棱镜面5反射后，在偏振分光面3合并成光束32。
光束32射出分光棱镜2后经过四分之一波片7成为光束33，被角隅棱镜8反射后成为光束34，然后经过四分之一波片7转化成为光束35，由于角隅棱镜8的特性，光束33和光束34相互平行，但不在一个高度。
光束35再次入射分光棱镜2，在偏振分光面3上分成两束偏振方向相互垂直的光束50和51，它们分别源于入射光束20和21。光束50和51经棱镜面4和棱镜面5反射后成为光束52和53出射分光棱镜2，然后经过四分之一波片9成为光束54和55，再次入射楔角棱镜前表面，它们和第一次入射楔角棱镜前表面的光束22和23共同构成正四方形，而且对角分布，即对角线上的两路光束为同一频率。光束54和55经过楔角棱镜10的面70B和70A折射成为光束56和57，经过面70D和70C折射出来形成光束58和59，被楔角反射镜11的面71B和71A反射后得到光束58A和59A(其中面71B和71A分别垂直于光束58A和59A)，经过面70D和70C折射后进入楔角棱镜10，形成光束56A和57A，经过面70B和70A折射出来形成光束54A和55A，它们和第一次回到楔角棱镜前表面的光束22A和23A也共同构成正四方形，并与由光束22、23、54和55构成的正四方形重合。光束54A和55A再次经过四分之一波片9后转化成偏振方向与原入射光束52和53相互正交的线偏振光60和61，光束60和61进入分光棱镜2，经棱镜面4和棱镜面5反射后，到达偏振分光面3，经过透射和反射后，合并成光束64。光束64通过起偏器12后，与光束68一同进入相位计14，以便测量正弦电测量信号和正弦电参考信号之间的相位差。
下面将参考图3(a)和3(b)来描述相位差的具体计算过程。
所谓双频激光干涉仪，是指采用两束频率不同并且偏振方向正交的激光束来形成干涉效应的干涉仪。这两束激光束分别经过干涉仪不同的干涉臂，从而在返回光束中携带有不同的光学相位信息，当两束激光再度会合时，将形成拍频干涉测量光信号，令其与来自激光源的参考信号进行相位比较，则可得到相位差和两干涉臂之间光程差Δl的下列线性关系：
这里λ是激光中心波长，可以通过相位计测得，由此可以确定光程差Δl。如果光程差Δl是由位移引起的，则由此可测得位移长度。
在本发明的干涉系统中，每个频率分量的光束都经过了相同的几何路程，但是光程nl(n为光路中的介质折射率，l为光历经的几何路程)是否相同取决于楔角棱镜的位置。当楔角棱镜随被测件发生转动时，两个频率分量在楔角棱镜内和在空气中历经的长度将发生变化，使得两个频率分量各自的光程nl发生变化，导致它们之间的相位差发生变化。
如前所述，两个不同频率的光f1和f2在楔角棱镜的入射与出射位置构成一个空间四对称光路。设f1光束在楔角棱镜的出入射位置分别为T、S，f2光束在楔角棱镜的出入射位置分别为Q、R。无论被测体是否发生滚转，4个光路的位置T、Q、R、S均是不变的，它们组成一个边长为b的正四方形，如图3(a)。当楔角棱镜随被测物体产生旋转角θ时，4个光点仍然处于原来的位置，而滚转前的在楔角棱镜上的4个光点位置旋转了θ角。如果从垂直于楔角棱镜横截面的方向观察，即沿着图3(a)中箭头A所示的方向观察，光束f1的2个光路相对未发生滚转前的光路朝着楔角外端方向偏移，即光束在玻璃中经历的路程增加了；另一方面，光束f2的2个光路朝着楔角顶端的方向偏移，即光束在玻璃中经历的路程减少了，见图3(b)。
因为4个光路呈中心对称，所以各自偏移量的绝对值相等，设为d。θ为楔角棱镜随被测件绕运动方向旋转的滚转角度，从图3(a)可知：
sinθ=2db---(2)]]>
当楔角棱镜由玻璃制成并且棱镜外部的介质为空气时(若空气替换为真空或者其它介质，这里的推导仍然成立)，两者的介质常数不一致。所以，尽管两个频率的光束经过的总几何路程保持不变，但是光学路程却改变了。如图3(b)所示，在楔角棱镜横截面上，光束f1向外偏移，即经过的玻璃路程增加，也就是光程增加，光束f2向内偏移，即经过的玻璃路程减少，也就是光程减少。由于4个光路中心对称，它们的偏移几何距离的绝对值是相等的，因此产生的相应的光程差绝对值也是相等的。假设光束通过楔角棱镜路程的变化量绝对值为l，α为楔角棱镜的楔角，则：
l＝d sinα (3)
这里l与光程差Δl直接相关。因为每个频率的光束皆4次穿过楔角棱镜，加之两个频率的光程变化一个为正值而另一个为负值，所以总光程差Δl与l的关系为：
Δl＝8l(ng-nair) (4)
这里ng和nair分别是玻璃和空气的折射率。设玻璃的折射率为1.5，空气的折射率约为1.00027(可近似取值为1.0)，则两者的差值约为0.5倍，所以
Δl＝4l＝4d sinα (5)
由此得到：
由于α、b可以预先确定，λ是激光中心波长，因此当通过测量信号和参考信号之间的相位比较测得光程差的相位变化后，即可根据式(6)确定楔角棱镜的滚转角度θ。
对于单频激光干涉仪来说，两束频率相同但偏振方向正交的激光束分别经过干涉仪不同的干涉臂，从而在返回光束中携带有不同的光学相位信息，当两束激光再度会合时，将形成干涉测量光信号，检测其相位，则可得到如公式1所示的相位差和两干涉臂之间光程差Δl的线性关系。其后续推导过程同上。
在上面的较佳实施例中描述了激光干涉系统的一种具体结构。需要指出的是，上面给出的具体结构仅仅是示例性的而非用于限定本发明。显然，对于本领域内的普通技术人员来说，还可以采用其它结构的激光干涉系统来实现本发明，只要能够使两束不同频率的光入射到楔角棱镜表面的四路光束22、23、54和55对角分布，即对角线上的两路光束来自同一束光，具有同一频率，并且这四路光束构成一个正方形的四个顶点即可。
图4示出了按照本发明另一个较佳实施例的激光干涉系统的结构示意图。如图4所示，该激光干涉系统包括激光源(未画出)、光干涉装置400、可随被测件(未画出)一起转动的棱镜410、反射镜411和相位检测装置(未画出)。光干涉装置400例如可以采用ZYGO公司或安捷伦公司制造的差分平面镜面干涉仪(DPMI)系统，棱镜410可以采用ZYGO公司的直线度测量棱镜，而反射镜411可以采用ZYGO公司的直线度测量反射镜。
在图4中，来自激光源的光束(图中以指向光干涉装置400的箭头示出)进入光干涉装置400，该光束包含两个频率不同并且线偏振方向相互正交的分量。光干涉装置400将入射光束分为分别对应不同的频率的两束光束22’、23’并使它们入射到棱镜410上。光束22’、23’经棱镜410折射后到达反射镜411，并经反射镜411反射回棱镜410，在那里经折射后进入光干涉装置400。光干涉装置400将返回的两束频率不同的光束变换为光束54’、55’并再次入射到棱镜410，其中，光束22’、23’、54’和55’在棱镜410的入射位置位于一个正方形的四个顶点。光束54’、55’经反射镜411的反射和棱镜410的折射之后进入激光干涉装置400，在那里被合成为一束光束(图中以离开光干涉装置400的箭头示出)并送至相位检测装置以检测相位差的变化。
本发明的上述较佳实施例可应用于高精度小滚转角的干涉测量，在这样的场合，α不需要选择得很大，例如可设为1°，而b可选择为10mm，目前可用的相位计的分辨率很容易达到0.01°，因此滚转角的测量分辨率约为0.056微弧度(0.011″)。若使用分辨率为0.003°的相位计，则滚转角的测量分辨率可达到0.017微弧度(0.003″)。可见，按照本发明较佳实施例的激光干涉仪与现有技术相比，可以达到更高的分辨率。
以上借助较佳实施例对本发明的原理和精神作了阐述。在上面的描述中以双频激光干涉仪为例，但是需要指出的，本发明的原理和精神同样也适用于单频激光干涉系统，在这样的干涉系统中，激光源产生两束频率相同而偏振方向正交的激光束。对于上述较佳实施例，在应用于单频激光干涉系统时仅需对图1所示的布局作某些改动即可，例如激光源1无需再向相位计14提供电参考信号，相位计将根据光束67确定相位变化至于光路部分(即图1中光干涉装置100、楔角棱镜10和光反射装置11)的结构则无需改动。
上文描述了本发明的原理和较佳实施例。然而，本发明不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本发明的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。