专利名称：旋转干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及干涉仪，更具体地，涉及测量物体角位移的旋转干涉仪。
背景技术：
干涉仪在19世纪末就已广为人知，名义上由阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊(A.A.MichelS0n)于1881年发明。迈克尔逊的干涉仪设计有助于推翻“以太”(luminiferousaether)的存在，凭借此设计迈克尔逊于1907年赢得了诺贝尔物理奖。 随着贝尔实验室(Bell Labs)的Ali Javan.ffilliam Bennet Jr和Donald Herriot于 1960 年发明连续波氦氖激光器(continuous-wave HeNe laser)，迈克尔逊干涉仪已经成为用于精确地测量大范围值上的物体位移的主要装置和方法。线性干涉仪图1示出了基于迈克尔逊设计的常规线性干涉仪。光发射器100包括用于发出相干激光束102的激光器101。光束通过法拉第隔离器(Faraday isolator) 103以阻止不需要的反馈进入激光腔的光学振荡器。发出的光束150在与图的平面成45度角偏振。光束行进到相位检测器200，不加改变地通过分束棱镜201，并从检测器200出射，成为激光束151。然后，光束进入相移器300，在其中45度偏振光束151通过偏振分束器301分为两个分束152和153。垂直偏振激光束152从偏振分束器301出射，并从固定参考回射器303 反射。同时，光束的水平偏振分量从偏振分束器301出射，成为激光束153，并水平行进以被线性可移动回射器302反射。因此，分束主要产生两个光束。第一光束152用作参考光束，第二光束153用作测量光束。当可移动测量回射器302如下面描述的那样从初始方向移动以在光束之间引起可检测的相移时，参考光束和测量光束经过的路程的相对长度改变。回射器的特性是进入回射器底座的任意光束沿着与入射光束精确平行但是侧向移动的路径离开回射器。光束的离开点以及由此的侧向位移量在圆形的回射器面上与进入点具有相同径向距离，但是旋转了 180度。回射器可有效地接纳任意入射光模式，将其循环旋转180度，并在与进入光束完全相同的方向上返回光束。离开回射器303之后，垂直偏振光束IM返回偏振分束器301，在此光束再次被反射，并作为光束156的一部分返回检测器200。同时，从线性可移动回射器302离开之后，水平偏振光束155向回通过偏振分束器 301，并与来自回射器303的垂直偏振光束重组以形成复偏振光束156。因为回射器302能水平移动(309)，所以相对于参考光束，测量光束必须穿过的距离能够改变。因此，从回射器302返回的光束155相对于来自参考回射器303的光束IM 能具有附加的相位延迟。正是相位延迟的这种变化使得能够进行距离测量。在偏振分束器301处，两个光束1M-155组合以具有相同的光路。因为光束 154-155具有互相正交的偏振，即垂直对水平，所以光束不相交。组合光束156然后返回检测器200，进入分束器201，在分束器201处光束被反射到分束器202。不使用未从分束器 201反射的光束117。 来自分束器202的反射光束158由反射棱镜203完全反射为光束159，并且该反射光束通过45度偏振器206，变为光束160。因为偏振器使穿过光束的波函数坍缩 (collapse)，所以光束的光子不再垂直或水平偏振，而是现在所有光子都具有45度偏振因为光束现在共享相同的偏振，光束160展示出干涉效应，也称为“干涉条纹”，随着回射器302移动来改变路程长度而表现为光束的正弦亮暗。光电二极管208将光束160 的能量转换为电信号，该电信号可被放大并测量为线性位移。离开分束器202的未反射光束161通过四分之一波片204。四分之一波片包含各向异性光学材料，例如云母或应力聚苯乙烯，随着变化的偏振展示变化的折射率。特别地， 为特定波长λ设计的完美四分之一波片将在波片的相对于光束的一个偏振旋转处具有最小(理想为零)相位延迟，并且当光束垂直于零相位延迟方向偏振时具有最大(理想地，恰好为λ /4)相位延迟。四分之一波片204使偏振中的一个延迟λ /4，形成90度相移光束162。光束162 然后通过45度偏振器205，该45度偏振器205类似于偏振器206，使光束偏振坍缩到45度以形成光束163。光束163的分量部分现在共享相同的偏振，并且同样地，展示干涉条纹。 这些条纹由光电二极管207检测以生成第二电信号。来自光电二极管207和208的两个电信号是具有由四分之一波片204生成的90 度的相对相角的正弦曲线。对这两个正弦曲线的平均值进行阈值判断。所得的脉冲序列用作到正交计数器(未示出)的正交信号，来有效测量移动回射器302时的线性位移309。旋转干涉仪图2Α-2Β示出了使用旋转位移而非线性位移的常规的、现有技术的旋转干涉仪。 图2Α是细节，图2Β概括了主要光学特性。发射器100、检测器200以及激光束150到162与图1相同。相移器300具有在可旋转移动的联动装置304上的可旋转测量回射器302。当联动装置304沿弧线305旋转通过某一位移时，测量回射器302随着联动装置移动，并在激光束153产生的光束155中产生相位差异，如图1所示的那样，但是现在测量角位移。然而，该常规配置存在一些问题。质量和角惯量首先，可旋转测量回射器302和联动装置具有很大的质量。对于轻量、快速移动机机构，例如安装在光学检流计上的激光束定向器反射镜，回射器的重量能大于所有其它光学组件的质量。附加的质量相当大地干扰了系统动态，还降低了激光束定向器的最大回转速度。范围其次，系统能操作的角位移305是有限的，这是因为可旋转回射器在与移动轴平行的路程上返回光束。如果弧线305的高度317大于激光束156的直径，则没有激光束返回检测器200，角位移305的测量变得不可能。期望减小旋转干涉仪的重量并增加其角度范围。
发明内容
本发明实施方式提供了一种测量可旋转物体的角位移的旋转干涉仪。相比于现有技术，该干涉仪大幅减小了旋转干涉仪的重量和角惯量。此外，该干涉仪具有比常规干涉仪大幅增加的角位移范围。实施方式使用需要测量角位移的可旋转物体上的抛光平反射面，而非使用可旋转回射器和联动装置。如果物体不反光，该面还可以是设置在物体表面上的小的平面镜。使用固定的角反射器来以与测量出的可旋转物体的角度的正切成正比的比率产生条纹。
图1是现有技术的线性干涉仪的示意图。图2A-2B是现有技术的旋转干涉仪的示意图。图3A-3D是根据本发明实施方式的旋转干涉仪的示意图。图4是图3D的干涉仪的俯视示意图。图5是图3D的干涉仪的等轴测图(isometric view)示意图。
具体实施例方式图3A-3D示出了根据本发明实施方式的旋转干涉仪。图3A和图概述了图3C 和图3D所示的干涉仪的主要基本细节。发射器100与图1-2所示的相同。扩束器在图3C中，相位检测器200具有可选的激光扩束器210。扩束器增加了光束直径， 得到了更宽的相干激光束163。如下面所描述的，通过扩展光束，增加了能测量角位移的范围。扩束器可以是具有一个负透镜和一个正透镜的伽利略望远镜(feilileantelescope)，或具有一对正透镜的开普勒望远镜Ofeplerian telescope)。扩展光束163继续，成为通过第一分束器201的扩展光束151。可旋转反射面不像现有技术中那样使用设置在联动装置304上的重量级旋转测量回射器302。 相反，使用插入在扩大光束153的路路上的可旋转反射面306，使扩大光束153作为扩大光束165转向到固定测量回射器302。反射面可以是要测量角位移的物体的抛光表面。如果表面不反光，则可以在表面上设置反射镜。如本文定义的，可旋转表面被配置为沿弧线移动角位移307。回射器302将扩大光束165作为扩大光束164返回到可旋转反射面306。反射面 306沿着与扩大光束155相同的路径反射回扩大光束164。扩大光束IM和155用交叉偏振合并为扩大光束156。扩大光束156从分束器201 反射成为扩大光束166。如果使用扩束器210，则扩大光束166通过可选光圈板212中的孔213，成为直径减小的光束157。光圈板使光束在进入扩束器之前减小到其原有直径。如对于图1所描述的那样，光束157传播通过相位检测器200的剩余部分，以测量角位移。
因为通过扩束器210增加了用于检测的光束的直径，所以反射面反射镜306能在返回感应扩大光束155之前旋转通过较大的角度，而不会交叠。结果，与现有技术相比，能测量的角度更大。此外，反射面306可以是需要测量角位移的物体的抛光、镀铝、镀银或其它反射部分，因此，没有增加物体的总质量或角惯量。在使用本发明测量光束定向光学检流计的位置的优选实现中，反射镜306是与最终光束定向反射镜相同的反射镜，因此总质量或角惯量保持与不具有干涉测量旋转的能力的光束定向光学检流计恰好相同。四程光学组件图3D示出了本发明的另选实施方式。发射器100和相位检测器200与上面对图 2A和2B描述的相同。然而，通过使用四程(four-pass)光学组件350改变了相移器300， 图4示出了简略形式，图5示出了细节。如图3D所示，四程光学组件350内的光束模式使用可旋转反射面306、固定回射器 302和固定平面镜308，产生不会通过可旋转反射面306的大的角位移307而在位置上显著偏离的返回光束155。图4和图5示出了四程光学组件350的细节。图4示出了四程光学组件350的俯视图。图5示出了四程光学组件350的等轴测图。下面的描述适用图4。来自偏振分束器301的光束153与图的平面平行地进入四程光学组件350，并记为光束351。光束351从旋转反射镜306向下反射为光束352，如图4末端所示。光束352进入回射器302，并在内部反射为光束353，光束353反射到回射器外面成为光束354，如图4末端所示。注意，光束352相对于回射器302中心的位移导致光束3M 从回射器302中心的相等并相反的位移。光束3M从回射器302出射，并从可旋转反射面306反射，形成光束355。光束355 从固定平面镜308反射，形成光束356。因为回射器302的平行反射功能，光束355总是垂直于固定平面镜308。反射光束356总是与入射光束355同轴，光束356按光束355的路线反向地折回。光束356从可旋转反射面306反射，形成光束357，同样，光束357沿光束3M的路线反向折回。光束357进入固定回射器302，在内部反射，形成光束358，同样，光束358按光束353的路线反向折回。光束353在回射器302内部反射，形成光束359，同样，光束359 沿光束352的路线反向折回。光束359从回射器302出射，并从旋转反射镜306反射，产生光束306，同样光束306沿光束351的路线反向折回。然后，光束360从四程光学组件350出射，变成图3D所示的光束155。光束155与图3D所示的参考光束巧4组合以形成组合光束156，如上面对于图1进行描述的那样，组合光束156然后由相位检测器200进行相位检测，以测量角位移。利用图4和图5所示的配置，整个光束在可旋转反射面306的很大角位移307上保持对齐。此外，因为光束对于随着可旋转反射面306的位置而变化的位移进行四次跨越， 具体为光路351、355、356和360，而不是如上面所描述的具体为光路153和155的路程的两次穿过，所以图4和图5所描述的实施方式的灵敏度是现有技术或图3A和图3C的实施方
7式的两倍。 尽管已经以优选实施方式为例描述了本发明，但将理解，在本发明的精神和范围内可以作出各种其它改写和修改。因此，所附权利要求的目的是涵盖落入本发明真正精神和范围内的所有这些变型和修改。
权利要求
1.一种用于对物体的角位移进行干涉测量的装置，所述装置包括 用于生成激光束的装置；以及用于将所述激光束分为参考光束和测量光束的装置，其中所述参考光束被导向固定参考回射器，然后导向相移检测器，其中所述测量光束被导向所述物体的可旋转反射面，然后导向固定测量回射器，然后回到所述可旋转反射面，再然后导向所述相移检测器，从而当所述可旋转反射面移动时，所述测量光束的路程长度改变，所述相移检测器测量所述可旋转反射面的角位移。
2.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括 扩束器，所述扩束器放置在所述激光束的路程中。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述扩束器是具有一个负透镜和一个正透镜的伽利略望远镜。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述扩束器是具有一对正透镜的开普勒望远镜。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述可旋转反射面是所述物体的抛光表面。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述可旋转反射面是设置在所述物体的表面上的反射镜。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述位移是沿弧线的角位移。
8.如权利要求2所述的装置，其中所述相移检测器还包括 光圈板，所述光圈板放置在所述测量光束的路程中。
9.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括光学组件，所述光学组件放置在所述测量光束的路程中，以增大所述参考光束和所述测量光束之间的相移差。
10.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括多个反射光学组件，所述多个反射光学组件放置在所述测量光束的路径中，以增大能测量的角度范围。
11.如权利要求1所述的装置，所述装置还包括多个反射光学组件，所述多个反射光学组件放置在所述测量光束的路径中，以增大由于所述可旋转反射面的角度的给定变化导致的所述参考光束和所述测量光束之间的相移差。
12.一种用于对物体的角位移进行干涉测量的装置，所述装置包括 用于生成激光束的装置；以及用于将所述激光束分为参考光束和测量光束的装置，其中所述参考光束被导向固定参考回射器，然后导向相移检测器，其中所述测量光束被导向所述物体的可旋转反射面，然后导向固定测量回射器，然后回到所述可旋转反射面，然后导向固定平面反射面，然后回到所述可旋转反射面，然后回到所述固定测量回射器，然后回到所述可旋转反射面，然后导向所述相移检测器，从而当所述可旋转反射面移动时，所述测量光束的路程长度改变，所述相移检测器测量所述可旋转反射面的角位移。
13.一种用于对物体的角位移进行干涉测量的方法，所述方法包括以下步骤 生成激光束；以及将所述激光束导向分束器，以产生参考光束和测量光束；将所述参考光束导向固定参考回射器，然后导向相移检测器；以及将所述测量光束导向所述物体的可旋转反射面，然后导向固定测量回射器，然后回到所述可旋转反射面，然后导向所述相移检测器，从而当所述可旋转反射面移动时，所述测量光束的路程长度改变，所述相移检测器测量所述可旋转反射面的角位移。
14. 一种用于对物体的角位移进行干涉测量的方法，所述方法包括以下步骤 生成激光束；以及将所述激光束导向分束器，以产生参考光束和测量光束； 将所述参考光束导向固定参考回射器，然后导向相移检测器；以及将所述测量光束导向所述物体的可旋转反射面，然后导向固定测量回射器，然后回到所述可旋转反射面，然后导向固定测量平面反射器，然后回到所述可旋转反射面，然后回到所述固定测量回射器，然后回到所述可旋转反射面，然后导向所述相移检测器，从而当所述可旋转反射面移动时，所述测量光束的路程长度改变，所述相移检测器测量所述可旋转反射面的角位移。
全文摘要
本发明涉及旋转干涉仪。通过将激光束分为参考光束和测量光束来干涉测量物体的角位移。所述参考光束被导向固定参考回射器，然后导向相移检测器。所述测量光束被导向所述物体的可旋转反射面，然后导向固定测量回射器，然后回到所述可旋转反射面，然后导向所述相移检测器，从而当所述可旋转反射面移动时，所述测量光束的路程长度改变，所述相移检测器测量所述可旋转反射面的角位移。
文档编号G01B11/26GK102162723SQ201010610340
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月28日 优先权日2009年12月30日
发明者威廉·S·叶拉兹尼斯, 理查德·C·沃特斯 申请人:三菱电机株式会社