电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法
阅读说明：本技术 电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法 (Electro-optical modulation laser interference linear displacement and angular displacement measuring device and method ) 是由 黄腾超 王先帆 车双良 舒晓武 于 2020-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法,属于精密测量领域。该装置包括一个单频He-Ne激光器、一个电光相位调制器、三个光电探测器、两个测量角锥反射镜以及若干光学元件,单频He-Ne激光器用于产生及发射线偏振光,电光相位调制器给参考激光信号相位调制,一个光电探测器探测参考激光干涉信号,另外两个光电探测器分别探测由两个测量角锥反射镜得到的两个测量干涉信号,若干光学元件用于控制激光传输方向和偏振态,通过解调技术得到参考干涉信号和测量干涉信号的相位,继而分别得到两个测量干涉信号与参考干涉信号的相位差,即可得到对应的线位移和角位移。(The invention discloses an electro-optic modulation laser interference linear displacement and angular displacement measuring device and method, and belongs to the field of precision measurement. The device comprises a single-frequency He-Ne laser, an electro-optic phase modulator, three photoelectric detectors, two measuring pyramid reflectors and a plurality of optical elements, wherein the single-frequency He-Ne laser is used for generating and emitting linearly polarized light, the electro-optic phase modulator is used for modulating the phase of a reference laser signal, one photoelectric detector is used for detecting the reference laser interference signal, the other two photoelectric detectors are used for respectively detecting two measuring interference signals obtained by the two measuring pyramid reflectors, the plurality of optical elements are used for controlling the laser transmission direction and the polarization state, the phase of the reference interference signal and the phase of the measuring interference signal are obtained through a demodulation technology, then the phase difference of the two measuring interference signals and the phase difference of the reference interference signal are respectively obtained, and the corresponding linear displacement and angular displacement can be obtained.)
技术领域
本发明涉及线位移和角位移测量领域，具体涉及一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法。
背景技术
精密加工制造产业的不断发展和完善，要求测量技术和装置的精度不断提高，而激光干涉技术将会主要的技术实现手段用于高精密测量领域。激光干涉仪是以激光波长作为长度基准进行高精度测量的重要手段，其具有测量精度高、可溯源等优点。根据激光干涉仪的工作原理，激光干涉仪主要分为零差激光干涉仪和外差激光干涉仪两个类。
对于零差激光干涉仪，其典型激光光路结构就是迈克尔逊干涉仪，其采用分束镜将单频He-Ne激光器发出的激光束分为参考激光光束和测量激光光束，分别射向参考反射镜和测量反射镜，反射回来的参考激光光束和测量激光光束在分束镜上干涉，干涉信号被光电探测器所探测，通过解调探测器的光强信息就可以得到测量反射镜的位移。零差激光干涉仪的光路简单，信号处理方便，然而由于光电探测器的带宽有限，光电探测器所探测到的干涉信号是直流信号，其抗干扰能力较弱，易受环境干扰。
外差激光干涉仪有两种形式，一种是采用基于塞曼效应的双频He-Ne激光器，在外加磁场作用下，激光器可以出射两束频率不同，偏振方向正交的激光束，通过利用分束镜、偏振分束镜、角锥反射镜等器件分别获取参考激光干涉信号和测量激光干涉信号，通过相位计得到待测物体的位移等信息；另一种是采用声光移频器，通过分光镜将普通单频He-Ne激光器发出的激光束分成两束，其中一束激光经过声光移频器后激光频率发生改变，经过外差探测得到参考激光干涉信号和测量激光干涉信号，通过比较两个干涉信号的频率差就可以得到待测物体的位移等信息。相比于零差干涉仪，外差干涉仪得到的干涉信号是交流信号，具有精度高、抗干扰能力强等优点，然而外差干涉仪由于采用偏振元器件会给测量结果引入周期性非线性误差，另外双频He-Ne激光器和声光移频器的价格较高，所以外差激光干涉仪的研制和生产成本较高。
为了弥补零差干涉仪和外差干涉仪的缺点，研究学者们后续提出了相位调制激光干涉仪，通过采用压电陶瓷(PZT)或者电光相位调制器(EOM)调节激光干涉仪参考臂的光程差或者相位差，将激光干涉仪的参考信号和测量信号都叠加到调制频率的载波上，使得激光干涉仪探测的干涉信号为交流信号，增加其抗干扰能力。然而，目前相位调制激光干涉仪只是用于位移测量，无法满足于角位移测量以及线位移和角位移同时测量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置和方法，采用了三个光电探测器和两个测量角锥反射镜，其中一个探测器探测参考激光干涉信号，准确得到电光相位调制器的调制频率，进一步的，两个光电探测器分别得到两个测量激光干涉信号，并通过信号解调技术得到两个测量角锥反射镜的位移，通过比较两个测量角锥反射镜的位移，该装置可以实现线位移和角位移同时测量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一、一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置：
该测量装置包括单频He-Ne激光器、二分之一波片、第一分束立方体、电光相位调制器、第二分束立方体、参考角锥反射镜、第三分束立方体、第四分束立方体、第一光电探测器、第一偏振分束立方体、反射镜、第一测量角锥反射镜、第二测量角锥反射镜、第二偏振分束立方体、第二光电探测器和第三光电探测器。单频He-Ne激光器发出的光束为竖直方向线偏振光，经过旋转角度22.5度的二分之一波片，线偏振光由竖直方向变为与竖直方向成45度，在第一分束立方体分光作用下，50％的激光反射进入电光相位调制器，调制后激光透射过第二分束立方体，被参考角锥反射镜反射，反射激光透射过第一分束立方体，在第二偏振分束立方体作用下，水平方向分量的激光反射照射到第二光电探测器上，而竖直方向分量的激光透射照射到第三光电探测器上；由第二分束立方体反射的调制后激光再由第四分束立方体反射，照射在第一光电探测器上；由第一分束立方体透射的50％的激光在第三分束立方体作用下，其中50％的激光反射透过到第四分束立方体，然后照射在第一光电探测器上；经第三分束立方体透射过的45度线偏振光照射在第一偏振分束立方体上，水平方向的线偏振光分量透射然后照射到第一测量角锥反射镜上，反射光相继经过第一偏振分束立方体的透射，第一分束立方体的反射，第二偏振分束立方体的透射，最后照射到第三光电探测器；在第一偏振分束立方体作用下，竖直方向的线偏振光分量由第一偏振分束立方体和反射镜的反射，照射到第二测量角锥反射镜上，反射光相继经过反射镜的反射，第一偏振分束立方体的反射，第一分束立方体的反射和第二偏振分束立方体，最终照射到第二光电探测器上。
所述第一光电探测器所测信号为参考激光干涉信号，参与干涉的两束激光分别经过第二分束立方体和第三分束立方体反射，然后在第四分束立方体汇合干涉；所述第二光电探测器所测信号为测量激光干涉信号，参与干涉的两束激光分别经过参考角锥反射镜反射和第一测量角锥反射镜反射，然后在第二偏振分束立方体的反射面汇合干涉；所述第三光电探测器所测信号为测量激光干涉信号，参与干涉的两束激光分别经过参考角锥反射镜反射和第一测量角锥反射镜反射，然后透射过第二偏振分束立方体汇合干涉。
所述电光相位调制器绕其通光轴旋转45度，使得电光相位调制器的晶体主轴与激光偏振方向一致。
二、一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量方法：
步骤1：将所述的一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置按照激光传输路径安装调节好，将第一测量角锥反射镜和第二测量角锥反射镜固定在一起，并安装在一个可支持线运动和角运动的多维运动平台上，单频He-Ne激光器，电光相位调制器，第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器和其余光学元件调节好之后均固定。
步骤2：给电光相位调制器施加调制电压，分别从第一光电探测器，第二光电探测器，第三光电探测器获取激光干涉信号，此时，经过低通滤波后，第一光电探测器获取到的参考干涉信号表示为：
其中，λ表示单频He-Ne激光器的波长，L37为第一分束立方体和第三分束立方体之间的距离，L78为第三分束立方体和第四分束立方体之间的距离，L35为第一分束立方体和第二分束立方体之间的距离，L58为第二分束立方体和第四分束立方体之间的距离，表示电光相位调制器的相位。
经过低通滤波后，第二光电探测器获取到的测量干涉信号表示为：
其中，L310为第一分束立方体和第一偏振分束立方体之间的距离，L1012为第一偏振分束立方体和第一测量角锥反射镜之间的距离，d1为第一测量角锥反射镜的位移，L36为第一分束立方体和参考角锥反射镜之间的距离，表示电光相位调制器的相位。
经过低通滤波后，第三光电探测器获取到的测量干涉信号表示为：
其中，L310为第一分束立方体和第一偏振分束立方体之间的距离，L1012为第一偏振分束立方体和第一测量角锥反射镜之间的距离，d2为第二测量角锥反射镜的位移，L36为第一分束立方体和参考角锥反射镜之间的距离，表示电光相位调制器的相位。
步骤3：通过相位解调技术可以得到由第一测量角锥反射镜和第二测量角锥反射镜运动产生的相位变化，分别记为和由此可以计算得到角锥反射镜的位移，分别为：
此外，为了保证相位解调结果的准确性，需要精确的反馈电光相位调制器的调制频率ωc 将第一光电探测器获取到的参考干涉信号进行傅里叶变换，即可提取出调制频率ωc。
与现有的技术方案相比，本发明的有益效果：
(1)本发明采用电光相位调制激光干涉技术对参考激光光路的相位进行调制，将参考激光干涉信号和测量激光干涉信号加载到电光相位调制的载波上，使其变为交流信号，提高了激光干涉仪的抗干扰能力，保证其测量精度。
(2)本发明采用三个光电探测器和两个测量角锥反射镜，其中一个光电探测器接收参考激光干涉信号，精确的得到电光相位调制器加载到激光干涉仪光路中的调制频率，进一步的，两个光电探测器分别得到由两个测量角锥反射镜得到测量激光干涉信号，并通过信号解调技术得到它们的位移信息，通过比较两个测量角锥反射镜的位移，该装置可以实现线位移和角位移同时测量。
(3)本发明采用的激光光路结构为准共光路设计，即第二光电探测器探测到的测量激光干涉信号和第三光电探测器探测到的测量激光干涉信号分别都由参考角锥反射镜返回的激光和测量角锥反射镜返回的激光汇合干涉得到的，它们的光程只相差第一偏振分束立方体和反射镜之间的光程，因此可以减小环境中温度和湿度变化对干涉信号的影响，提高了测量信号精度。
(4)本发明采用单频He-Ne激光器和电光相位调制器，相比于外差双频激光干涉仪，成本较低。
附图说明
图1为本发明的电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置示意图。
图2为利用本发明的一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置标定转台横向位移的实验装置示意图。
图3为利用本发明的一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置标定转台角位移的实验装置示意图。
图中：He-Ne激光器1、二分之一波片2、第一分束立方体3、电光相位调制器4、第二分束立方体5、参考角锥反射镜6、第三分束立方体7、第四分束立方体8、第一光电探测器9、第一偏振分束立方体10、反射镜11、第一测量角锥反射镜12、第二测量角锥反射镜13、第二偏振分束立方体14、第二光电探测器15、第三光电探测器16、电光调制激光干涉部分17、上位机18、角锥反射镜部分19和待测转台20。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
如图1所示，一种电光调制激光干涉线位移及角位移测量装置，包括He-Ne激光器1、二分之一波片2、第一分束立方体3、电光相位调制器4、第二分束立方体5、参考角锥反射镜6、第三分束立方体7、第四分束立方体8、第一光电探测器9、第一偏振分束立方体10、反射镜11、第一测量角锥反射镜12、第二测量角锥反射镜13、第二偏振分束立方体14、第二光电探测器15和第三光电探测器16。单频He-Ne激光器1发出的光束为竖直方向线偏振光，经过旋转角度22.5度的二分之一波片2，线偏振光由竖直方向变为与竖直方向成45度，在第一分束立方体3分光作用下，50％的激光反射进入电光相位调制器4，调制后激光透射过第二分束立方体5，被参考角锥反射镜6反射，反射激光透射过第一分束立方体3，在第二偏振分束立方体14作用下，水平方向分量的激光反射照射到第二光电探测器上15，而竖直方向分量的激光透射照射到第三光电探测器上16；由第二分束立方体5反射的调制后激光再由第四分束立方体8反射，照射在第一光电探测器9上；由第一分束立方体3透射的50％的激光在第三分束立方体7作用下，其中50％的激光反射透过到第四分束立方体8，然后照射在第一光电探测器9上；经第三分束立方体7透射过的45度线偏振光照射在第一偏振分束立方体10上，水平方向的线偏振光分量透射然后照射到第一测量角锥反射镜12上，反射光相继经过第一偏振分束立方体10的透射，第一分束立方体3的反射，第二偏振分束立方体14的透射，最后照射到第三光电探测器16；在第一偏振分束立方体10作用下，竖直方向的线偏振光分量由第一偏振分束立方体10和反射镜11的反射，照射到第二测量角锥反射镜13上，反射光相继经过反射镜11的反射，第一偏振分束立方体10的反射，第一分束立方体3的反射和第二偏振分束立方体14，最终照射到第二光电探测器15上。
所述第一光电探测器9所测信号为参考干涉信号，参与干涉的两束激光分别经过第二分束立方体5和第三分束立方体7反射，然后在第四分束立方体8汇合干涉；所述第二光电探测器15所测信号为测量干涉信号，参与干涉的两束激光分别经过参考角锥反射镜6反射和第一测量角锥12反射镜反射，然后在第二偏振分束立方体14的反射面汇合干涉；所述第三光电探测器16所测信号为测量干涉信号，参与干涉的两束激光分别经过参考角锥反射镜6反射和第一测量角锥反射镜13反射，然后透射过第二偏振分束立方体14汇合干涉；
所述电光相位调制4器绕其通光轴旋转45度，使得电光相位调制器的晶体主轴与激光偏振方向一致。
如图2所示，所用装置包括：单频He-Ne激光器1、第一光电探测器9、第二光电探测器15、第三光电探测器16、电光调制激光干涉部分17、上位机18、角锥反射镜部分19和待测转台20，其中电光调制激光干涉部分17包括二分之一波片2、第一分束立方体3、电光相位调制器4、第二分束立方体5、参考角锥反射镜6、第三分束立方体7、第四分束立方体8、第一偏振分束立方体10、反射镜11，角锥反射镜部分包括第一测量角锥反射镜12和第二测量角锥反射镜13，在转台实际旋转过程中，旋转轴并不能时刻保证其只绕自身旋转轴旋转，在惯性力矩作用下，旋转轴会有摆动的运动趋势，导致转台旋转过程中，台面会有横向位移，横向位移量在一定程度上会反映转台研制的优劣，也会对转台的测量精度产生影响，所以在转台工作过程中，同时测得转台得角位移和横向位移是十分必要得，在本实施例中，将角锥反射镜部分19固定在待测转台20台面上，并与电光调制激光干涉部分17对准，开启单频He-Ne激光器1并等待一段时间，使激光频率和功率稳定，将第一光电探测器9、第二光电探测器15、第三光电探测器16通过数据采集卡连接到上位机18，分别从第一光电探测器9，第二光电探测器15，第三光电探测器16获取激光干涉信号，此时，经过低通滤波后，第一光电探测器9获取到的参考干涉信号表示为：
其中，λ表示单频He-Ne激光器1的波长，L37为第一分束立方体3和第三分束立方体7之间的距离，L78为第三分束立方体7和第四分束立方体8之间的距离，L35为第一分束立方体3和第二分束立方体5之间的距离，L58为第二分束立方体5和第四分束立方体8之间的距离，表示电光相位调制器4的相位。
经过低通滤波后，第二光电探测器15获取到的测量干涉信号表示为：
其中，L310为第一分束立方体3和第一偏振分束立方体10之间的距离，L1012为第一偏振分束立方体10和第一测量角锥反射镜12之间的距离，d1为第一测量角锥反射镜12的位移，L36为第一分束立方体3和参考角锥反射镜6之间的距离，表示电光相位调制器4的相位。
经过低通滤波后，第三光电探测器16获取到的测量干涉信号表示为：
其中，L310为第一分束立方体3和第一偏振分束立方体10之间的距离，L1012为第一偏振分束立方体10和第一测量角锥反射镜12之间的距离，d2为第二测量角锥反射镜13的位移，L36为第一分束立方体3和参考角锥反射镜6之间的距离，表示电光相位调制器4的相位。
对第一光电探测器9得到的参考激光干涉信号进行傅里叶变换，得到电光相位调制器4的调制频率ωc，然后将调制频率的基频ωc和二倍频2ωc与第二光电探测器15和第三光电探测器16接收到的测量激光干涉信号进行混频，通过低通滤波器和信号解调技术得到由第一测量角锥反射镜12和第二测量角锥反射镜13运动产生的相位变化，分别记为和由此可以计算得到第一测量角锥反射镜12和第二测量角锥反射镜13的位移，分别为：
所以得到角锥反射镜部分19的线位移为(d1+d2)/2，即得到了待测转台20的横向位移为(d1+d2)/2。
同时可以根据第二光电探测器15和第三光电探测器16接收到的测量激光干涉信号，测量待测转台20的旋转角度，如图3所示，当角锥反射镜部分19跟随待测转台20转动时，根据第一光电探测器9接收到的参考激光干涉信号、第二光电探测器15和第三光电探测器16接收到的测量激光干涉信号，计算得到第一测量角锥反射镜12和第二测量角锥反射镜13的位移，分别为：
所以得到角锥反射镜部分19的角位移为(|d1|+|d2|)/(2l)，即得到了待测转台20的角度θ为(|d1|+|d2|)/(2l)。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多修改和变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有修改和变形，均应属于本发明的保护范围。本发明的保护范围以权利要求书为准。
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