專利名稱：一種測量位移量的光學細分干涉方法
技術領域：
本發(fā)明屬于非接觸位移傳感器領域，涉及精密線位移和角位移計量的光學細分干涉方法。
已知技術中利用周期性變化的分光元件作為基準進行位移計量都采用常規(guī)的光柵莫爾條紋技術(王惠民主編“光學儀器信號轉換技術”1993年北京理工大學出版社出版)。當需要測量高精度位移量時，則要求光柵主尺和副尺間的間隙變小，這樣就增加了機械調整難度和光柵位移傳動裝置的精度要求，鑒于此，蘇聯(lián)學者M.M.bytycoB等人提出一種基于自復制技術來取消副尺(美國專利號567871A1)，雖然降低了對光柵位移傳動裝置的要求，但是又增加了光學元件調整的難度，而且這種方法還是采用了莫爾條紋技術，其測量靈敏度比常規(guī)的莫爾條紋技術僅僅提高一倍，實現(xiàn)了2倍細分，因此它也不能滿足測量高精度位移量的要求。
本發(fā)明的目的是利用周期性變化的分光元件位移時，在其一個分光元件上完成光的分束和合束而形成干涉條紋來提高測量靈敏度，并且降低對光柵位移傳動裝置的精度要求，減輕光學元件調整難度。
本發(fā)明光學細分的干涉步驟如下由相干光源發(fā)出的相干光經透鏡調整形成近似的平行光束而入射到周期性變化的分光元件上，相干光經周期性變化的分光元件衍射分解為0，±1，±2，±3，……±m(xù)級次的出射光束，反射元件至少使每束出射光束的波陣面沿周期性變化的分光件刻線的垂直方向反轉一定角度(例如反射元件采用直角棱鏡時，其反轉角度可以在180°附近)而形成反射光束并且返回到周期性變化的分光元件而進行合束又形成0，±1，±2，±3，……±n級次的合束光束，第n級的合束光束是由m1和m2級次的出射光束合束而組成的，滿足n＝m1－m2，某一合束光束的干涉條紋由接收器接收而變成電信號送至處理器處理。選擇合適的反射元件，至少使出射光束的波陣面經反射元件反射后再沿周期性變化的分光元件刻線的垂直方向上反轉一定角度，保證周期性變化的分光元件沿其刻線的垂直方向位移時引起的各光束的位相變化不因利用同一周期性變化的分光元件進行分束和合束而互相抵消。這樣，當周期性變化的分光元件沿其刻線垂直方向位移時，干涉條紋數(shù)目的變化正比該位移量的大小。若選擇的反射元件不合適，則無法獲得上述結果。例如，選擇平面反射鏡作為反射元件，此時各級次的出射光束的波陣面經反射后并不發(fā)生反轉，當周期性變化分光元件沿其刻線垂直方向位移時，雖然它會引起各級次的出射光束的位相變化，但是經過合束后在任一級次的合束光束中的出射光束(被平面反射鏡反射，返回到周期性變化的分光元件進行合束)的位相差保證不變，這樣，周期性變化的分光元件的位移不使干涉條紋發(fā)生變化。調整接收器的位置或者采用空間濾波的手段，使接收器只接收某一級次的合束光束的干涉條紋。選擇接收器接收合束光束的級次n≠0時的干涉條紋，當周期性變化的分光元件沿其刻線垂直方向位移ΔX時，干涉條紋數(shù)目變化為2|n|ΔXT]]>，其中T為周期性變化的分光元件的周期，當位移一個周期時，實現(xiàn)了2｜n｜倍的光學細分；選擇接收器接收合束光束級次n＝0時的干涉條紋，周期性變化的分光元件可采用閃耀光柵，其出射光束僅具有+m和-m級次，當周期性變化的分光元件沿其刻線垂直方向位移ΔX時，干涉條紋數(shù)目變化為2|m|ΔxT,]]>當位移一個周期時，實現(xiàn)了2｜m｜倍的光學細分。
選擇等間距光柵作周期性變化的分光元件，則使偶級次出射光束的強度為零，接收器只接收第n級次的合束光束(其中選擇n＝±1，±3，±5，……)，因此接收的干涉條紋僅由(0，n)和(n，0)兩束光形成的正弦條紋，同時接收器接收到的2｜n｜倍的光學細分的正弦信號。
本發(fā)明由于利用了周期性變化的分光元件作為光的分束和合束器件，其與莫爾條紋技術相比，具有下述優(yōu)點1.選擇接收器接收高級次n的合束光束時，使測量靈敏度提高2n倍。2.出射光由周期性變化的分光元件至反射元件并返回到周期性變化的分光元件的光程不需滿足自復制的距離，因此減輕了光學元件調整難度。3.由于用一個光學元件完成了光的分束和合束，因此省去光柵副尺，即不存間隙問題，這樣使位移傳動裝置的機械精度要求降低。4.選擇接收器接收級次n＝0的合束光束時，并且分光元件采用閃耀光柵，其出射光束僅僅具有+m和-m級次，本發(fā)明又實現(xiàn)了2｜m｜倍的光學細分，比自復制技術的靈敏度提高了｜m｜倍。
最佳實施例

圖1是采用透射式分光元件時本發(fā)明光路結構示意圖。
圖2是采用反射式分光元件時本發(fā)明光路結構的主視圖。
圖3是圖2的側視圖。
圖4是采用空間濾波手段時本發(fā)明光路結構示意圖。
如圖1所示的一種實施例由相干光源1、透鏡2、周期性變化的分光元件3、反射元件4、接收器5、處理器6、反射鏡M1、M2組成。光源1選用半導體激光器、透鏡2選用準直透鏡、分光元件3選用等間距光柵、反射元件4選用直角棱鏡或角反射鏡、接收器5選用光電二極管等、處理器6可根據(jù)需要來選擇。其工作過程如下半導體激光器發(fā)出的光束經準直透鏡準直為近似的平行光束后入射到等間距光柵上，直角棱鏡的三角形斜邊面向光柵，由光柵衍射的出射光束被直角棱鏡反射沿原方向返回(同時波陣面反轉180°)并重新入射到光柵上。返回的光束和準直的平行光束在分光元件刻線面上不重疊，因此由光柵出射的合束光束可由反射鏡M1和M2反射并入射到接收器上，M1和M2用于改變合束光束的方向使結構更緊湊。因不同級次的合束光束的傳播方向不同，在光傳播一定距離后，不同級次的合束光束可以互不重疊，因此在此位置時放置的接收器可以做到僅接收某一奇級次(如第n級次)的合束光束。最后接收器接收的干涉條紋信號被轉換成電信號送至處理器去處理。由于周期性變化的分光元件采用了等間距的光柵，接收器與接收的第n奇級次的合束光束僅是由(0，n)(n，0)兩束干涉形成的。當光柵沿其刻線的垂直方向位移時(圖1箭頭所示)，接收器接收到的是2｜n｜倍光學細分的正弦干涉條紋信號，其對比度理論值為1。
如圖2、圖3所示的第二種實施例由半導體激光器1、準直透鏡2、閃耀光柵3、直角棱鏡4、接收器5、處理器6、分束元件BS組成。周期性變化的分光元件3可采用反射或閃耀光柵作為位移測量基準，當選用閃耀光柵時，閃耀光柵具有等腰三角形的刻槽，閃耀級次為+m和-m，其m＝1，2，3……。閃耀光柵的刻線面垂直于紙面并且刻線平行于紙面。其工作過程如下由半導體激光器1發(fā)出的光束透過分束元件BS經透鏡2準直后，使光束與光柵刻線面法線有夾角為α并且入射到閃耀光柵3上。來自閃耀光柵3出射的+m和-m級次出射光束照射到直角棱鏡4上，其波陣面沿光柵刻線垂直方向上反轉約180°后沿原光束相向方向返回到光柵4上。此時入射角α的選取和直角棱鏡的位置選擇是以不阻擋來自準直透鏡2出射的準直光束為宜。第零級次合束光束沿準直光束相向方向返回并經分束元件BS反射入射到接收器5并送至處理器6處理。調整接收器5使它僅接收第零級次合束光束，其干涉條紋是由(m，-m)(-m，m)兩束干涉形成的。當閃耀光柵沿圖3箭頭方向位移時，正弦條紋數(shù)目的變化正比于位移量的大小，實現(xiàn)了2｜m｜倍的光學細分。
如圖4所示本發(fā)明的第三種實施例由半導體激光器1、準直透鏡2、等間距光柵3、球面反射鏡4、接收器5、處理器6、分束元件BS、反射鏡M1、正透鏡L、光欄P組成。其工作過程如下半導激光器1出射的光經準直鏡2準直，透過分束元件BS照射到光柵3上，來自光柵3的出射光束由球面反射鏡4反射返回到光柵3上，并出射形成合束光束。球面反射鏡4的作用之一是使其出射光束的波陣面經反射后反轉180°并由光柵3出射形成合束光束。合束光束沿準直光束相向方向返回，經分束元件BS反射到反射鏡M1后由正透鏡L聚焦。在正透鏡L的聚焦平面上置入光欄P，僅讓第n奇級次合束光束通過并最終由接收器5接收送至處理器6。接收器5接收的僅是由(0，n)和(n，0)二束光合束形成的正弦型干涉條紋。當光柵沿其刻劃垂直方向位移時，干涉條紋數(shù)目的變化正比于位移量的大小，并實現(xiàn)了2｜n｜倍的光學細分。
權利要求
1.一種測量位移量的光學細分干涉方法，其步驟如下由相干光源發(fā)出的相干光經透鏡調整形成近似的平行光束而入射到周期性變化的分光元件上，相干光經周期性分光元件衍射分解為0，±1，±2，±3；……±m(xù)級次的出射光束，反射元件至少使每束出射光束的波陣面沿周期性分光元件刻線的垂直方向反轉一定角度而形成反射光束并返回到周期性變化分光元件進行合束又形成0，±1，±2，±3，……±n級次的合束光束，第n級次的合束光束滿足n＝m1－m2，某一級次的合束光束的干涉條紋由接收器接收而變成電信號送至處理器處理，當周期性分光元件沿其刻線垂直方向位移時，干涉條紋數(shù)目的變化正比于該位移量的大小。
2.根據(jù)權利要求1所述的干涉方法，其特征在于調整接收器的位置或采用空間濾波的手段使其只接收某一級次的合束光束的干涉條紋。
3.根據(jù)權利要求1和2所述的干涉方法，其特征在于選擇接收器接收合束光束的級次n≠0時的干涉條紋，當周期性變化的分光元件沿其刻線垂直方向位移一個周期時，干涉條紋數(shù)目的變化為2｜n｜。
4.根據(jù)權利要求1和2所述的干涉方法，其特征在于選擇接收器接收合束光束級次n＝0時的干涉條紋，周期性變化的分光元件可采用閃耀光柵，其閃耀光束僅有+m和-m級次，當周期性變化的分光元件沿其刻線垂直方向位移一個周期時，干涉條紋數(shù)目變化為2｜m｜。
全文摘要
本發(fā)明屬于非接觸位移傳感器技術領域，涉及精密線位移和角位移計量的光學細分干涉方法。它是利用周期性變化的分光元件位移時，在其一個分光元件上完成光的分束和合束而形成干涉條紋，使得位移傳動裝置機械精度的要求降低，減輕了光學元件調整難度，并且使測量的靈敏度提高若干倍。
文檔編號G01B11/02GK1120662SQ9411726
公開日1996年4月17日 申請日期1994年10月14日 優(yōu)先權日1994年10月14日
發(fā)明者廖江紅, 盧振武 申請人:中國科學院長春光學精密機械研究所