高分辨率位移测量装置及测量方法

1.本发明涉及光学测量技术领域，具体涉及一种高分辨率位移测量装置及测量方法。


背景技术：

2.纳米级位移测量是精密测量领域的主要研究方向之一，在超精和超微加工中有重要应用。通常实现纳米级位移测量的方法包括：显微技术、电学方法和光学方法。其中，显微技术包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、扫描电子显微镜等，对位移或微观起伏的测量分辨率可以达到1nm及以下，可以实现三维形貌成像，不足在于测量范围有限，且位移测量的线性度不高。电学方法一般通过电容、电感、电涡流等电学量测量目标位移，原理和结构简单，便于进行电子学细分，位移测量分辨率可以达到nm级，但同样存在较大的非线性误差，需要通过光学测量技术等进行补偿或校正。光学方法用于微位移测量通过可采用光干涉原理、光栅及fabry-perot标准具，测量精度高，分辨率能够达到亚纳米，其中干涉测量既可实现大测量范围，又具有很好的测量线性度，可用于校准上述显微技术和电学测量方法。不足之处在于，光学测量通常光学分辨率为半波长或四分之一波长，要达到纳米级位移测量，需要采用复杂的电子细分和判向电路，且在一个光学条纹内难以溯源到光波长(即频率)。因此，有必要研究新的位移测量技术，能同时满足分辨率和测量精度达到纳米量级，且不需要电子细分而能够溯源到激光波长或频率。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术中光学系统位移测量方法的不足之处，提供一种高分辨率位移测量装置及测量方法。
4.为了达到上述目的，本发明首先提供一种高分辨率位移测量装置，采用的技术方案为：
5.高分辨率位移测量装置，包括：
6.激光增益管：其第一端设置有固定反射镜，第二端设置有增透窗片；
7.独立反射镜：设置在增益管第二端侧，位于增透窗片的外侧，与激光增益管和固定反射镜组合发射双纵模振荡激光；
8.楔形玻璃片：设置在独立反射镜与增透窗片之间，其位于光路上的两表面中一个表面与激光轴线垂直，另一表面与激光轴线倾斜；
9.分光镜：设置在固定反射镜的外侧；
10.偏振片：设置在分光镜的反射光路一侧；
11.高频光电探测器：设置在偏振片的光线输出端，用于接收两纵模的拍频信号；
12.频率计：接入高频光电探测器输出的电信号，以测量两纵模的频差；
13.分光棱镜：设置在分光镜的透射光路一侧，用于将两纵模按正交偏振态分为光束一和光束二；
14.光电探测器：包括第一光电探测器和第二光电探测器，分别设置在光束一的传播光路上，以及，光束二的传播光路上，探测两纵模的光强；
15.减法器：第一光电探测器的输出信号与第二光电探测器的输出信号分别输入至减法器，以判断两纵模光强差的正负值；
16.目标物：与楔形玻璃片安装，可驱动楔形玻璃片同步运动；
17.数据处理单元：接收减法器计算获得的光强差的正负值，以及，频率计测量的两纵模的频差，结合频差和光强差的正负值计算楔形玻璃片的位移。
18.本发明一些实施例中，偏振片的通光方向与振荡激光的正交偏振方向成45
°
角。
19.本发明一些实施例中，所述楔形玻璃片位于光路中的两个表面均镀增透膜。
20.本发明一些实施例中，楔形玻璃片通过固定架连接到位移测量杆，固定架活动安装在导轨上，可沿导轨运动；位移测量杆与被测目标物接触，以使目标物运动过程中，通过位移测量杆同步驱动楔形玻璃片沿激光轴线位移。
21.本发明一些实施例中，包括以下步骤：
22.采用双纵模激光器作为光源；
23.移动楔形玻璃片，测量激光输出两纵模的频差，记录两纵模频差的最小值δ
min
和最大值δ
max
，作为极值点记录；
24.测量激光输出双纵模光强i
//
和i
⊥
的光强差的正负值：
25.s＝sign(i
⊥-i
//
)；
26.测量过程中，被测目标物和与之相连的楔形玻璃片同步位移；
27.记录位移开始时两纵模激光的频差值为δv0，位移结束后两纵模激光的频差为δv；
28.并且位移过程中两纵模激光频差值第一次达到极值点时为δv1，位移结束前两纵模激光频差值最后一次经过极值点时为δv2，位移过程中两纵模激光频差值经过极值点的总次数为m，实时记录两纵模激光的光强i
//
和i
⊥
；
29.基于双纵模振荡激光的频差和光强差的正负，计算被测目标物单次位移的小数部分δl：
[0030][0031]
其中λ为激光波长；
[0032]
若位移过程中两纵模的频差值没有达到极值点，则δv1＝δv2＝0，目标物的位移即为δl＝δl；
[0033]
若位移过程中两纵模的频差值达到极值点，则根据δl的正负号判断位移方向，计算包含整数部分的目标物位移为:
[0034][0035]
其中，m为一整数。
[0036]
本发明一些实施例中，m的获取方法包括：对位移调节过程中两纵模激光频差δv的变化进行记录，每当两纵模激光频差δv从最大值变为最小值或者从最小值变为最大值，位移走过一个四分之一波长周期，累计的整数m增加1。
[0037]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
[0038]
1、将激光振荡纵模的频差与目标物的位移关联起来，可充分利用频率测量的高精度和高分辨率，使得位移测量达到亚纳米的高分辨率，有利于应用到微位移测量领域。
[0039]
2、目标位移改变半波长，对应于激光两纵模的频差变化一个周期，使得位移测量不需要其他参考基准，可溯源到激光波长的自然基准。
[0040]
3、该测量方法可进行微位移测量判向，不需要复杂的细分和判向电路，测量装置结构更简单且精度高。
附图说明
[0041]
图1为谐振腔内楔形玻璃片反射光与振荡激光耦合原理示意图；
[0042]
图2为激光两振荡纵模的偏振态和形成频差示意图；
[0043]
图3为腔内玻璃片位移引起激光纵模光强和频差调谐示意图；
[0044]
图4为本发明高分辨率位移测量装置示意图。
[0045]
以上各图中：
[0046]
1-激光增益管；
[0047]
2-固定反射镜；
[0048]
3-增透窗片；
[0049]
4-独立反射镜；
[0050]
5-玻璃片；
[0051]
601-固定架，602-位移测量杆；
[0052]
7-分光镜；
[0053]
8-偏振片；
[0054]
9-高频光电探测器；
[0055]
10-频率计；
[0056]
11-分光棱镜；
[0057]
1201-第一光电探测器，1202-第二光电探测器；
[0058]
13-减法器；
[0059]
14-数据处理单元；
[0060]
15-目标物。
具体实施方式
[0061]
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
[0062]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0063]
需要说明的是，当元件被称为“设置在”，“连接”，“固定于”另一个元件，它可以直
接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0064]
本发明提供一种高分辨率位移测量原理和测量装置，基于光学测量原理，可实现精度为0.1nm的位移的测量精度。
[0065]
首先，阐述本发明构思的原理。
[0066]
参考图1，半外腔激光器由固定反射镜2和独立反射镜4构成激光谐振腔，通过固定反射镜2和增透窗片3之间的激光增益管1获得增益形成振荡。设固定反射镜2和独立反射镜4的反射系数分别为r1和r2，增透窗片3的两个表面的透射系数分别为t3和t4。在谐振腔开放部分放入楔形玻璃片5，调整使其一个表面与激光轴线垂直，对应的反射系数和透射系数分别为r6和t6，同时另一表面与激光轴线倾斜，对应的透射系数为r5。
[0067]
其中，楔形玻璃片5的表面是指其位于光路上的两个面，一个为竖直面，一个为倾斜面；其中，竖直面垂直光线传播方向，倾斜面与光线传播方向呈一定角度。且倾斜面的朝向不做限定，可以朝向固定反射镜2一侧，也可以朝向独立反射镜4一侧，均可以实现本发明所述的效果。本发明以下对原理和实施例的阐述，均以楔形玻璃片5的倾斜面朝向固定反射镜2一侧为例来说明。
[0068]
参考图2，半外腔激光器工作在双纵模下，当两纵模处于出光带相对于中心频率左右对称位置时，各自的光强相等。同时由于模式竞争，两纵模的偏振态相互正交(即垂直)，分别表示为
⊥
偏振态和//偏振态。设
⊥
偏振光的纵模序数为q，设//偏振光的纵模序数为q 1，它们之间的频差为δv＝v
q 1-vq。如果不考虑谐振腔内放入的楔形玻璃片5的影响，两振荡纵模的光强和频率都仅由增益介质和谐振腔参数所决定。在激光处于稳定工作状态时，输出两频率的频差不变。当谐振腔内放入楔形玻璃片5后，由于其表面的反射光与振荡激光相互耦合，共同满足激光谐振条件，将使两纵模的光强和频率发生变化。尤为重要的是，对于驻波激光器，腔内的光场分布沿轴向是周期性变化的，其周期为半波长。当楔形玻璃片5沿激光轴线在谐振腔内改变位置(即发生位移)，对两纵模的光强和频率的作用也是周期变化的，产生有一定变化幅度的调谐作用。
[0069]
参考,图1，设两纵模在谐振腔内从固定反射镜2发出的初始光波电场矢量的复振幅分别为e0⊥
，e
0//
，向右传播被独立反射镜4反射后，形成的光束为正方向。光波向右传播，被独立反射镜4反射后，向左传播形成主要的电场矢量为e1⊥
，//
；同时e0⊥
，//
被楔形玻璃片5的表面弱反射后形成右向传播的电场矢量为e2⊥
，//
；e1⊥
，//
被楔形玻璃片5的表面弱反射后向右传播并被独立反射镜4反射后，穿过楔形玻璃片5形成左向传播的电场矢量e3⊥
，//
。在楔形玻璃片5和固定反射镜2和独立反射镜4之间还存在多次反射形成高阶折返光束。由于楔形玻璃片的表面镀增透膜，多次反射形成的高阶折返光强与上述光束相比，减弱到两个量级以上，其对振荡激光纵模的影响可以忽略。上述各光束在谐振腔内往返一周后回到初始点，电场矢量满足：
[0070]
[0071]
其中，gla为激光增益管提供的单程增益，l，为谐振腔长，l为楔形玻璃片5垂直激光的一侧表面到独立反射镜4之间的距离，d为楔形玻璃片5通过激光位置的厚度，n为楔形玻璃片5的折射率。则根据腔内光场满足的自洽条件，即光波在谐振腔内往返一周后，电场矢量e不变，可得：
[0072][0073]
激光谐振腔内的振荡模式满足上述方程式。化简可以得到两纵模各自的光强和频率满足关系式：
[0074][0075]
其中，k1＝2πvq/c，k2＝2πv
q 1
/c，为两纵模对应的波数，c为真空中的光速。求解上式，可以得到两正交偏振纵模的光强i
⊥
和i
//
，以及频率vq和v
q 1
。
[0076]
由于激光工作在可见光波段，其频率无法直接测量，实际能够测量的是两纵模的频差，即纵模间隔。在不考虑楔形玻璃片5对纵模的调谐作用下，设输出光强和纵模间隔为i0，δ0。则当谐振腔腔内楔形玻璃片5沿激光轴线位移时，即附图1中玻璃片到独立反射镜4的距离l发生改变，根据式(2)和(3)计算得到两纵模的相对光强调谐曲线i
⊥
，//
/i0和相对频差调谐曲线δ/δ0如附图3所示。
[0077]
可见，在确定的激光谐振腔参数和楔形玻璃片5镀膜参数下，随l改变，激光两振荡纵模的光强和频差分别被调制，每半波长调谐曲线变化一个周期；两振荡纵模的频差在最大值和最小值之间按正弦变化，其调制幅度及最大值δ
max
和最小值δ
min
的差约为δv
max
＝15mhz；频差调谐曲线的极值点对应于两纵模的光强相等的位置，即光强调谐曲线的等光强点。
[0078]
根据上述计算结果，当谐振腔内放入的楔形玻璃片5沿激光轴线发生平移时，激光双纵模的频差相应发生改变。且玻璃片每位移四分之一波长(对于所采用的he-ne激光器，其工作波长为λ＝632.8nm)，激光纵模的频差从最小值变为最大值或相反。由于频率可以精确测量，若设对激光频差的测量分辨率为dv＝10khz，则对应的楔形玻璃片5的位移测量分辨率约为：
[0079][0080]
由此可以实现对腔内楔形玻璃片5位移的亚纳米分辨率测量。由于两纵模的频差是周期变化，为了能够对玻璃片的位移进行判向，可以根据两偏振光的光强大小将一个调谐周期分成a、b两个区间，如附图3所示。其中，a区间对应于两偏振光的光强i
⊥
≥i
//
，b区间对应于i
//
≥i
⊥
。位移判向符号可由i
⊥-i
//
得到，即设置设a区间为正向区，b区间为负向区。当楔形玻璃片沿激光轴线的位移时，如果激光频差增大，同时i
⊥-i
//
为正号，则代表玻璃片的位移方向为l增大的方向(设为正向)，即a区沿横坐标正向方向；如果激光频差变小，同时i
⊥-i
//
为负号，则同样代表玻璃片的位移方向为l增大的方向，即b区沿横坐标正向方向。反
之，则表示玻璃片的位移方向是l减小的方向(设为反向)，即a区和b区沿横坐标负向方向。综上，可以以两纵模的光强差的正负号作为位移判向的依据，即结合sign(i
⊥-i
//
)和频差的改变量，实现对腔内玻璃片实现分辨率达到0.1nm且平移方向可判别的位移测量。
[0081]
参考图3，当楔形玻璃片的位移跨越了a区和b区，即除了四分之一波长的小数部分，还有经过频差极值点的整数部分，则可以按下面的方法判别：设位移测量刚开始时，两纵模激光的频差值为δv0，由此当频差第一次达到极值点时，记录此时的频差极值为δv1(δv1＝δ
max
或δ
min
)，可根据附图3计算该起始段的位移对应的小数部分为：
[0082][0083]
其中，λ为激光波长；δl1的正负号确定了楔形玻璃片位移的正向或反向。两纵模的频差值越过极值点后，后续每从最大值变为最小值或者从最小值变为最大值，即代表位移走过附图3中频差调谐曲线的一半，即一个四分之一波长周期。设频差值每达到极值点一次记录整数m增加1，则经过的位移整周期数为：(-1)。当位移结束时，两纵模激光的频差为δv，此前最后一次经过极值点的频差为δv2(δv2＝δ
max
或δ
min
)，则从该极值点到停止位置的位移对应的小数部分为：
[0084][0085]
根据记录的两纵模激光的频差和光强差(i
⊥-i
//
)的正负，可以计算被测目标物位移的小数部分δl：
[0086][0087]
至此，对于楔形玻璃片总位移的测量可以分为两种情况：
[0088]
(1)当位移很小，两纵模频差没有达到极值点时，δv1和δv2取不到值，可设为0，根据式(5)和式(6)，总的位移为：
[0089][0090]
(2)当位移较大，两纵模多次达到极值点，总的次数为m，对应经过位移的整数部分为则总的位移包含小数部分δl1 δl2以及整数部分，其中整数部分的位移正负号可以通过小数部分位移的方向来判别，对应的楔形玻璃片的总位移为:
[0091][0092]
其中，δl根据式(7)计算得到。基于以上高分辨率的位移测量原理，提供如下的高分辨率位移测量装置。
[0093]
本发明第一实施方式提供一种高分辨率位移测量装置。
[0094]
为了达到上述目的，本发明首先提供一种高分辨率位移测量装置，采用的技术方案为：
[0095]
高分辨率位移测量装置，结构参考图4，具体组成结构如下。
[0096]
激光增益管1：其第一端设置有固定反射镜2，第二端设置有增透窗片3。
[0097]
独立反射镜4：设置在激光增益管1第二端侧，位于增透窗片3的外侧，与激光增益管1和固定反射镜2组合发射双纵模振荡激光。
[0098]
楔形玻璃片5：设置在独立反射镜4与增透窗片3之间，其位于光路上的两表面中一个表面与激光轴线垂直，另一表面与激光轴线倾斜；本发明一些实施例中，楔形玻璃片5的位于光路上的两个表面均镀增透膜。
[0099]
以上主体结构与图1所公开的结构相同，光路的传输原理也相同。为了测量位移，需要解决纵模频差，以及光强正负方向检测的问题。
[0100]
为了实现位移测量，测量装置进一步包括以下结构。
[0101]
分光镜7：设置在固定反射镜2的外侧，位于固定反射镜2的出射光路上，将激光分为反射光和透射光。
[0102]
偏振片8：设置在分光镜7的反射光路一侧；偏振片8的通光方向与两振荡模式正交偏振方向角平分线的方向成45
°
角，即偏振片8的通光方向与振荡激光的偏振方向成45
°
角。
[0103]
高频光电探测器9：设置在偏振片8的光线输出端，用于接收两纵模的拍频信号；两纵模经过偏振片8后形成光拍，由高速高频光电探测器9探测光拍的频率。因为两个纵模形成的拍频信号为高频信号，通常可以达到几百mhz，因此，此处采用高频光电探测器9。
[0104]
频率计10：接入高频光电探测器9输出的电信号，以测量两纵模的频差；高频光电探测器9的两纵模频率的电信号输入频率计10，频率计10自动计算频差值。
[0105]
分光棱镜7：设置在分光镜7的透射光路一侧，用于将两纵模按正交偏振态分为光束一和光束二。
[0106]
光电探测器：包括第一光电探测器1201和第二光电探测器1202，分别设置在光束一的传播光路上，以及，光束二的传播光路上；两个光电探测器测量光束一和光束二的光强。
[0107]
减法器13：第一光电探测器1201的输出光和第二光电探测器1202的输出信号分别输入至减法器，以判断两纵模光强差的正负值。具体的，减法器13采用的为电压比较器，将第一光电探测器1201和第二光电探测器1202分别记录两个偏振态的光的光强值转换为电压值，计算比较正负。
[0108]
目标物15：与楔形玻璃片5安装在一起，可驱动楔形玻璃片5同步运动。
[0109]
数据处理单元14：接收减法器13计算获得的光强差的正负值，以及，频率计10测量的两纵模的频差，结合频差和光强差的正负计算玻璃片5的位移。由于目标物15与楔形玻璃片5同步运动，因此测量的楔形玻璃片5的位移即为目标物的位移。
[0110]
基于高频光电探测器9测量的频率值、第一光电探测器1201、第二光电探测器1202测量的光强值，可以绘制如图3所示的楔形玻璃片5位移量和光强变化对应曲线。
[0111]
获得图3所示的曲线，其中位于上部的曲线为频差波动曲线，位于下部的曲线对应为两纵模的频率曲线，通过图3所示的曲线，获取并存储以下数据：
[0112]
δv
max
：两纵模频差变化的波动曲线的最大值，即波动曲线的最大值减最小值的差，对应上部的频差波动曲线的峰值和波谷值的差；
[0113]
δ
min
：两纵模频差变化的波动曲线的最小值，对应上部的频差波动曲线的频率最小值，即波谷值。
[0114]
在实际应用中，可将以上测量装置适配设置在光学系统中，进行目标物15位移的同步测量。
[0115]
为了使目标物15和楔形玻璃片5的运动同步，本发明一些实施例中，楔形玻璃片5通过固定架601连接到位移测量杆602，固定架601下方具有导轨，固定架601活动安装在导轨上，可沿导轨运动。位移测量杆602与被测目标物接触，以使目标物运动过程中，通过位移测量杆同步驱动楔形玻璃片5沿激光轴线位移。楔形玻璃片5的运动即反应了目标物15的运动。
[0116]
本发明第二实施方式提供一种高分辨率位移测量方法。
[0117]
包括以下步骤：
[0118]
s1：采用双纵模振荡激光器作为光源；
[0119]
s2：移动楔形玻璃片，测量激光输出两纵模的频差，记录两纵模频差的最小值δ
min
和最大值δ
max
，作为极值点记录；
[0120]
测量激光输出双纵模光强i
//
和i
⊥
的光强差的正负值：
[0121]
s＝sign(i
⊥-i
//
)；
[0122]
测量过程中，被测目标物和与之相连的楔形玻璃片同步位移；
[0123]
记录位移开始时两纵模激光的频差值为δv0，位移结束后两纵模激光的频差为δv；
[0124]
并且位移过程中两纵模激光频差值第一次达到极值点时为δv1，位移结束前两纵模激光频差值最后一次经过极值点时为δv2，位移过程中两纵模经过极值点的总次数为m，实时记录两纵模激光的光强i
//
和i
⊥
；
[0125]
基于双纵模振荡激光的频差和光强差的正负，计算被测目标物单次位移的小数部分δl：
[0126][0127]
其中λ为激光波长；
[0128]
若位移过程中两纵模的频差值没有达到极值点，则δv1＝δv2＝0，总位移即为δl＝δl；
[0129]
若位移过程中两纵模的频差值达到极值点，则根据δl的正负号判断位移方向，计算包含整数部分的总位移为:
[0130][0131]
其中：m为整数，δ
min
为激光两纵模频差的最小值，δv
max
为激光两纵模频差的最大值，λ为激光波长。
[0132]
其中m的获取方法为：
[0133]
m的获取方法包括：对位移调节过程中两纵模激光频差δv的变化进行记录，如图3所示，每当两纵模激光频差δv从最大值变为最小值或者从最小值变为最大值，位移走过一个四分之一波长周期，累计的整数m增加1。
[0134]
考虑到位移判向，实际应用中目标物从位移开始到位移停止作为一个单次位移测量，目标物继续运动则继续按上述过程累积位移测量结果。如果目标物在一个范围内多次
往返运动，则往返中多次开始和停止都看作是多个单次位移测量的组合，而不作为单次测量累计m值，每次只要目标物运动停止，单次位移测量结束并给出测量结果，位移再开始时，继续下一个单次测量并累加位移量。
[0135]
本发明提供的楔形玻璃片5的位移计量方法，在位移测量过程中，如果位移变化量处于四分之一波长范围内，则通过测量δv计算位移量的小数部分；如果变化量超过四分之一波长范围，则每经过一次i
//
＝i
⊥
的位置点，累计记录位移量的整数值。
[0136]
由于目标物15与楔形玻璃片5可同步运动，因此，测量计算获得的楔形玻璃片5的位移即反映为目标物15的位移。
[0137]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。