微型迈克尔逊干涉仪系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有波长稳定、补偿功能的高精度微型迈克尔逊干涉仪系统，将微型迈克尔逊干涉仪、自动恒功率电路及波长补偿系统整合在一起，作为一整体测量系统来感测测量反射镜的位移，并通过自动恒功率电路及波长补偿系统对激光器波长值进行稳定、实时修正，保证了位移测量的准确性。本发明采用激光二极管作为光源的设计，不仅使系统具有结构简单、低成本、高精度的特点，而且整体尺寸大大缩小，适于作为短行程纳米级精度定位平台的传感器系统使用。
【专利说明】微型迈克尔逊干涉仪系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及干涉仪领域，具体是一种微型迈克尔逊干涉仪系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，激光干涉仪的应用范围越来越大，在长度测量方面，以安捷伦、Renishaw、 SI0S等品牌的商用激光干涉仪作为我们的测量标准，这些激光干涉仪都具有高分辨率、高 波长稳定性及各种温湿度补偿系统，这就大大拓宽了激光干涉仪的使用范围，可以在工厂 车间，也可以在有恒温环境的实验室里，但由于这些激光干涉仪都采用对激光进行稳频的 技术，这就造成了激光干涉仪成本高、售价高及体积大的问题。
【发明内容】
[0003] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种可以达到纳米级精度 的微型迈克尔逊干涉仪系统，以达到结构简单、尺寸小、低成本及高精度的目的。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0005] 微型迈克尔逊干涉仪系统，其特征在于：包括微型迈克尔逊干涉仪部分、波长补偿 部分、自动恒功率部分，其中 ：
[0006] 所述微型迈克尔逊干涉仪包括半导体激光器，半导体激光器前方激光出射光路上 设置有第一分光镜，第一分光镜左侧镜面处紧贴设置有第一 1/4波片，第一分光镜前侧镜 面处紧设置有第二1/4波片，第一分光镜右侧设置有第二分光镜，且第一、第二分光镜之间 设置有第三1/4波片，第二分光镜右侧紧贴设置有第三分光镜，第二分光镜后侧紧贴设置 有第四分光镜，所述第三分光镜的前侧镜面处紧贴设置有第一光电感测器，第三分光镜的 右侧镜面处紧贴设置有第二光电感测器，所述第四分光镜的右侧镜面处紧贴设置有第三光 电感测器，第四分光镜的后侧镜面处紧贴设置有第四光电感测器，所述第一分光镜左侧间 隔一定距离设置有第五分光镜，第五分光镜正后方设置有参考反射镜，第一分光镜前方设 置有测量反射镜；半导体激光器发射出的准直光经过第一分光镜后分成被第一分光镜反射 和透射的两路准直光，其中一路由第一分光镜反射的准直光依次经过第一 1/4波片、部分 被第五分光镜反射后入射至参考反射镜，经过参考反射镜反射后再被第五分光镜反射并沿 原路返回至第一分光镜，另一路由第一分光镜透射的准直光经过第二1/4波片后入射至测 量反射镜，经过测量反射镜反射后沿原路返回至第一分光镜，参考反射镜返回的光束经过 第一分光镜透射后、测量反射镜返回的光束经过第一分光镜反射后再分别经过第三1/4波 片并入射至第二分光镜，部分返回光束被第二分光镜透射至第三分光镜，经第三分光镜反 射、透射后分别入射至第一光电感测器、第二光电感测器，其余部分返回光束被第二分光镜 反射至第四分光镜，经第四分光镜反射、透射后分别入射至第三光电感测器、第四光电感测 器；
[0007] 所述波长补偿部分包括间隔一定距离设置在第五分光镜左侧的透射式光栅，透射 式光栅左前方设置有转折光路反射镜，转折光路反射镜前方依次设置有聚焦透镜、四象限 光电探测器；半导体激光器出射的由第一分光镜反射的准直光依次经过第一 1/4波片、部 分透射过第五分光镜后入射至透射式光栅，经过透射式光栅形成的一级衍射光经过转折光 路反射镜转折反射后，再经过聚焦透镜入射至四象限光电探测器；
[0008] 所述自动恒功率部分包括间隔一定距离设置在透射式光栅左侧的第五光电探测 器，经过透射式光栅形成的零级光栅入射至第五光电探测器。
[0009] 所述的微型迈克尔逊干涉仪系统，其特征在于：设置可以进行左右偏摆角和前后 俯仰角调节的第一参考反射镜微调座和第二转折反射镜微调座，所述参考反射镜、转折光 路反射镜分别固定设置在第一参考反射镜微调座和第二转折反射镜微调座上，调节所述第 一参考反射镜微调座，以使参考反射镜的反射光束和测量反射镜的反射光束分别在第一光 电感测器，第二光电感测器、第三光电感测器和第四光电感测器上重合；调节所述第二转折 反射镜微调座使经过第五分光镜分出的部分光通过投射光栅、转折光路反射镜及聚焦透镜 照射在四象限光电探测器上。
[0010] 所述的微型迈克尔逊干涉仪系统，其特征在于：各光学器件的装夹固定设置为： 半导体激光器、透射光栅及第五光电探测器由固定底座固定，第一分光镜、第一 1/4波片、 第二1/4波片、第三1/4波片、第二分光镜、第三分光镜和第四分光镜由夹具所夹持，第五分 光镜由C型固定座固定，聚焦透镜、四象限光电探测器由U型固定座固定，参考反射镜、转折 光路反射镜分别由第一参考反射镜微调座和第二转折反射镜微调座固定并进行调节。
[0011] 本发明涉及一种具有对激光波长进行实时稳定及补偿功能的高精度微型迈克尔 逊干涉仪，真正实现了激光干涉仪的低成本、小型化和高精度，可以在线性测长上广泛应 用。
[0012] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0013] 1、本发明的高精度微型迈克尔逊干涉仪采用自动恒功率电路，可以在不同温度下 都可以使半导体激光器波长保持比较稳定的状态，廉价但很实用。
[0014] 2、本发明中的高精度微型迈克尔逊干涉仪采用波长补偿系统，可以实时修正半导 体激光器的波长值，使价格低廉的半导体激光器也可以获得很高的波长稳定性。
[0015] 3、本发明的高精度微型迈克尔逊干涉仪具有高分辨力、高精度及很好的波长稳定 性，目前可以达到的技术效果是：微型迈克尔逊激光干涉仪分辨力：小于1纳米；重复性： 小于20纳米；波长稳定性：10-6。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明光路结构图。
[0017] 图2为本发明系统整体装配图。
【具体实施方式】
[0018] 参见图1所示，微型迈克尔逊干涉仪系统，包括微型迈克尔逊干涉仪部分、波长补 偿部分、自动恒功率部分，其中：
[0019] 所述微型迈克尔逊干涉仪用于感测测量反射镜20的位移和二维角度，通过感测 位移引起0-90-180-270度不同相位的干涉信号的光强变化，测得测量反射镜20的位移值， 包括半导体激光器1，半导体激光器1前方激光出射光路上设置有第一分光镜2,第一分光 镜2左侧镜面处紧贴设置有第一 1/4波片3,第一分光镜2前侧镜面处紧设置有第二1/4波 片4,第一分光镜2右侧设置有第二分光镜6,且第一、第二分光镜2、6之间设置有第三1/4 波片5,第二分光镜6右侧紧贴设置有第三分光镜7,第二分光镜6后侧紧贴设置有第四分 光镜8,第三分光镜7的前侧镜面处紧贴设置有第一光电感测器9,第三分光镜7的右侧镜 面处紧贴设置有第二光电感测器10,第四分光镜8的右侧镜面处紧贴设置有第三光电感测 器11，第四分光镜8的后侧镜面处紧贴设置有第四光电感测器12,第一分光镜2左侧间隔 一定距离设置有第五分光镜13,第五分光镜13正后方设置有参考反射镜14,第一分光镜2 前方设置有测量反射镜20 ;半导体激光器1发射出的准直光经过第一分光镜2后分成被第 一分光镜2反射和透射的两路准直光，其中一路由第一分光镜2反射的准直光依次经过第 一 1/4波片3、部分被第五分光镜13反射后入射至参考反射镜14,经过参考反射镜14反射 后再被第五分光镜13反射并沿原路返回至第一分光镜2,另一路由第一分光镜2透射的准 直光经过第二1/4波片4后入射至测量反射镜20,经过测量反射镜20反射后沿原路返回 至第一分光镜2,参考反射镜14返回的光束经过第一分光镜2透射后、测量反射镜20返回 的光束经过第一分光镜2反射后再分别经过第三1/4波片5并入射至第二分光镜6,部分 返回光束被第二分光镜6透射至第三分光镜7,经第三分光镜7反射、透射后分别入射至第 一光电感测器9、第二光电感测器10,其余部分返回光束被第二分光镜6反射至第四分光镜 8,经第四分光镜8反射、透射后分别入射至第三光电感测器11、第四光电感测器12 ;
[0020] 波长补偿部分用于感测由于波长变化导致的激光束通过透射光栅15后的一级衍 射光角度变化，波长引起的微小角度变化会使聚焦在第一四象限光电探测器19上的光点 发生相应的变化，从而通过感测到的角度变化反推出波长的变化，包括间隔一定距离设置 在第五分光镜13左侧的透射式光栅15,透射式光栅15左前方设置有转折光路反射镜17， 转折光路反射镜17前方依次设置有聚焦透镜18、四象限光电探测器19 ;半导体激光器1出 射的由第一分光镜反射2的准直光依次经过第一 1/4波片3、部分透射过第五分光镜13后 入射至透射式光栅15,经过透射式光栅15形成的一级衍射光经过转折光路反射镜17转折 反射后，再经过聚焦透镜18入射至四象限光电探测器19 ;
[0021] 自动恒功率部分用于感测半导体激光器1光强的变化，当激光器光强变化时，第 五光电探测器的输出电流也会相应变化，从而通过自动恒功率电路对半导体激光器1进行 调节，包括间隔一定距离设置在透射式光栅15左侧的第五光电探测器16,经过透射式光栅 15形成的零级光栅入射至第五光电探测器16。
[0022] 具体实施中，设置可以进行左右偏摆角和前后俯仰角调节的第一参考反射镜微调 座21和第二转折反射镜微调座22,所述参考反射镜14、转折光路反射镜17分别固定设置 在第一参考反射镜微调座21和第二转折反射镜微调座22上，调节所述第一参考反射镜微 调座21，以使参考反射镜14的反射光束和测量反射镜20的反射光束分别在第一光电感测 器9,第二光电感测器10、第三光电感测器11和第四光电感测器12上重合，形成干涉，并记 录测量反射镜（20)的位移值；调节所述第二转折反射镜微调座22使经过第五分光镜13分 出的部分光通过投射光栅15、转折光路反射镜17及聚焦透镜18照射在四象限光电探测器 19上，以使光点可以落在第一四象限光电探测器（19)的中心位置。
[0023] 如图2所示。各光学器件的装夹固定设置为：半导体激光器1、透射光栅15及第五 光电探测器16由固定底座固定，第一分光镜2、第一 1/4波片3、第二1/4波片4、第三1/4 波片5、第二分光镜6、第三分光镜7和第四分光镜8由夹具所夹持，第五分光镜13由C型 固定座固定，聚焦透镜18、四象限光电探测器19由U型固定座固定，参考反射镜14、转折光 路反射镜17分别由第一参考反射镜微调座21和第二转折反射镜微调座22固定并进行调 节。
[0024] 本发明中的高精度微型迈克尔逊干涉仪，突破了常规的激光干涉仪体积庞大、价 格昂贵及无法实现位移角度同时测量的限制，测量精度较高，重复性标准差均小于20nm; 采用廉价但体积微小的半导体激光器作为光源，经过自动恒功率调节电路和波长补偿系统 后可以使波长的稳定性达到10-6,，使位移测量值更加精确可信。以下使实验获得相关的实 验数据：
[0025] 1、自动恒功率电路控制实验：
[0026] 此实验是检验自动恒功率电路在环境温度变化较大时对波长稳定性影响的实验。 方法是：搭建一维微动平台，将多自由度测量系统和商用SI0S激光干涉仪分别放置在微 动平台两侧，分别对多自由度测量系统、商用SI0S激光干涉仪的光轴与微动平台运动轴进 行准直，驱动运动平台运动平台运动，两侧同时读取位移值，先假定多自由度测量系统波长 值，通过不断的位移比对后即可得到即时准确的波长值，然后变化环境温度，在不同温度值 下分别进行实验，得到不同温度下的波长值。通过处理后得到实验数据如表1所示：
[0027] 表1自动恒功率电路控制实验数据
[0028]
【权利要求】
1. 微型迈克尔逊干涉仪系统，其特征在于：包括微型迈克尔逊干涉仪部分、波长补偿 部分、自动恒功率部分，其中： 所述微型迈克尔逊干涉仪包括半导体激光器，半导体激光器前方激光出射光路上设置 有第一分光镜，第一分光镜左侧镜面处紧贴设置有第一 1/4波片，第一分光镜前侧镜面处 紧设置有第二1/4波片，第一分光镜右侧设置有第二分光镜，且第一、第二分光镜之间设置 有第三1/4波片，第二分光镜右侧紧贴设置有第三分光镜，第二分光镜后侧紧贴设置有第 四分光镜，所述第三分光镜的前侧镜面处紧贴设置有第一光电感测器，第三分光镜的右侧 镜面处紧贴设置有第二光电感测器，所述第四分光镜的右侧镜面处紧贴设置有第三光电感 测器，第四分光镜的后侧镜面处紧贴设置有第四光电感测器，所述第一分光镜左侧间隔一 定距离设置有第五分光镜，第五分光镜正后方设置有参考反射镜，第一分光镜前方设置有 测量反射镜；半导体激光器发射出的准直光经过第一分光镜后分成被第一分光镜反射和透 射的两路准直光，其中一路由第一分光镜反射的准直光依次经过第一 1/4波片、部分被第 五分光镜反射后入射至参考反射镜，经过参考反射镜反射后再被第五分光镜反射并沿原路 返回至第一分光镜，另一路由第一分光镜透射的准直光经过第二1/4波片后入射至测量反 射镜，经过测量反射镜反射后沿原路返回至第一分光镜，参考反射镜返回的光束经过第一 分光镜透射后、测量反射镜返回的光束经过第一分光镜反射后再分别经过第三1/4波片并 入射至第二分光镜，部分返回光束被第二分光镜透射至第三分光镜，经第三分光镜反射、透 射后分别入射至第一光电感测器、第二光电感测器，其余部分返回光束被第二分光镜反射 至第四分光镜，经第四分光镜反射、透射后分别入射至第三光电感测器、第四光电感测器； 所述波长补偿部分包括间隔一定距离设置在第五分光镜左侧的透射式光栅，透射式光 栅左前方设置有转折光路反射镜，转折光路反射镜前方依次设置有聚焦透镜、四象限光电 探测器；半导体激光器出射的由第一分光镜反射的准直光依次经过第一 1/4波片、部分透 射过第五分光镜后入射至透射式光栅，经过透射式光栅形成的一级衍射光经过转折光路反 射镜转折反射后，再经过聚焦透镜入射至四象限光电探测器； 所述自动恒功率部分包括间隔一定距离设置在透射式光栅左侧的第五光电探测器，经 过透射式光栅形成的零级光栅入射至第五光电探测器。
2. 根据权利要求1所述的微型迈克尔逊干涉仪系统，其特征在于：设置可以进行左右 偏摆角和前后俯仰角调节的第一参考反射镜微调座和第二转折反射镜微调座，所述参考反 射镜、转折光路反射镜分别固定设置在第一参考反射镜微调座和第二转折反射镜微调座 上，调节所述第一参考反射镜微调座，以使参考反射镜的反射光束和测量反射镜的反射光 束分别在第一光电感测器，第二光电感测器、第三光电感测器和第四光电感测器上重合；调 节所述第二转折反射镜微调座使经过第五分光镜分出的部分光通过投射光栅、转折光路反 射镜及聚焦透镜照射在四象限光电探测器上。
3. 根据权利要求1所述的微型迈克尔逊干涉仪系统，其特征在于：各光学器件的装夹 固定设置为：半导体激光器、透射光栅及第五光电探测器由固定底座固定，第一分光镜、第 一 1/4波片、第二1/4波片、第三1/4波片、第二分光镜、第三分光镜和第四分光镜由夹具所 夹持，第五分光镜由C型固定座固定，聚焦透镜、四象限光电探测器由U型固定座固定，参考 反射镜、转折光路反射镜分别由第一参考反射镜微调座和第二转折反射镜微调座固定并进 行调节。
【文档编号】G01B9/02GK104266582SQ201410541855
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】范光照, 周浩, 李瑞君 申请人:合肥工业大学