(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 106643478 A(43)申请公布日 2017.05.10
(21)申请号 201710123810.X(22)申请日 2017.03.03
(71)申请人 中国科学院长春光学精密机械与物
理研究所
地址 130033 吉林省长春市经济技术开发
区东南湖大路3888号(72)发明人 姚东 沈宏海 李全超 陈成
张嬛 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限
公司 11227
代理人 罗满(51)Int.Cl.
G01B 9/02(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图1页
(54)发明名称
一种位移测量光学系统
(57)摘要
本发明公开了一种位移测量光学系统，包括激光光源、第一偏振分光棱镜、导光棱镜组、反射镜、偏振变换元件、第二偏振分光棱镜、光电转换器和处理系统。本发明位移测量光学系统，采用偏振分光元件对光源输出光进行分光，以偏振光作为参考光和测量光，基于激光干涉测量原理实现对物体位移的测量，可实现对大范围位移的高精度测量，并且与现有技术相比，本光学系统分光时对光源输出光能量损失小，提高了光源能量利用率，并且具有紧凑结构。
CN 106643478 ACN 106643478 A
权 利 要 求 书
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1.一种位移测量光学系统，其特征在于，包括激光光源、第一偏振分光棱镜、导光棱镜组、反射镜、偏振变换元件、第二偏振分光棱镜、光电转换器和处理系统；
所述第一偏振分光棱镜位于所述激光光源的出射光光路上，第一偏振分光棱镜将光源光分成偏振方向正交并且传播方向相垂直的两束光；
经所述第一偏振分光棱镜反射的一束光进入所述导光棱镜组，在所述导光棱镜组内改变偏振状态，被引导入射至所述第二偏振分光棱镜的第一入射面；
经所述第一偏振分光棱镜透射的另一束光，经过偏振变换元件改变偏振状态后出射至所述反射镜，反射光原路返回到所述第一偏振分光棱镜，被反射并经过偏振变换元件改变偏振方向后，入射至所述第二偏振分光棱镜的第二入射面，所述反射镜可沿其光路方向移动，用于连接被测物体；
第一束光进入所述第二偏振分光棱镜后形成的出射光，与第二束光进入所述第二偏振分光棱镜后形成的出射光汇合发生干涉，干涉光由所述光电转换器接收；
所述处理系统用于根据所述光电转换器记录的干涉条纹及光强信息计算获得待测物体的位移量。
2.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，在所述导光棱镜组中第一束光的传播光路上设置有用于改变光偏振状态的偏振变换元件；
第一束光经偏振变换元件变换为圆偏振光后入射至所述第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜将本束光分成传播方向垂直的两束出射光，分别与第二束光被所述第二偏振分光棱镜分成的传播方向垂直的两束出射光汇合发生干涉；
所述光电转换器包括用于接收第一路干涉光的第一光电转换器和用于接收第二路干涉光的第二光电转换器；
所述处理系统具体用于根据所述第一光电转换器记录的干涉条纹及光强信息以及所述第二光电转换器记录的干涉条纹及光强信息确定待测物体的位移量和移动方向。
3.根据权利要求1或2所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述导光棱镜组包括第一直角反射棱镜、导光棱镜和第二直角反射棱镜；
所述第一直角反射棱镜的直角面均为反射面，经所述第一偏振分光棱镜反射的第一束光由所述第一直角反射棱镜的斜面入射，以45度角入射到其直角面，并被反射至另一直角面，后被反射进入所述导光棱镜；
所述第二直角反射棱镜的斜面为反射面，经所述导光棱镜出射的光由所述第二直角反射棱镜的直角面入射，以45度角入射到其斜面，后被反射至所述第二偏振分光棱镜的第一入射面。
4.根据权利要求3所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述导光棱镜位于所述第一偏振分光棱镜朝向所述反射镜的一侧，在所述导光棱镜朝向所述反射镜的一侧设置用于改变光的偏振状态的偏振变换元件。
5.根据权利要求4所述的位移测量光学系统，其特征在于，在所述第二偏振分光棱镜的第二入射面与所述第一偏振分光棱镜之间设置用于改变光的偏振方向的偏振变换元件。
6.根据权利要求3所述的位移测量光学系统，其特征在于，在所述第一直角反射棱镜的斜面与所述导光棱镜之间设置用于改变光的偏振状态的偏振变换元件。
7.根据权利要求4-6任一项所述的位移测量光学系统，其特征在于，在所述第一直角反
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射棱镜的斜面与所述导光棱镜之间设置的偏振变换元件为四分之一波片、二分之一波片或者八分之一波片；
在所述导光棱镜朝向所述反射镜的一侧表面设置的偏振变换元件为四分之一波片；在所述第一偏振分光棱镜与所述第二偏振分光棱镜的第二入射面之间设置的偏振变换元件为二分之一波片。
8.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，所述反射镜为直角反射棱镜或者平面镜。
9.根据权利要求1所述的位移测量光学系统，其特征在于，各光学元件之间以面贴合方式连接，或者以各光学元件之间具有空间间隔的形式排布。
10.根据权利要求9所述的位移测量光学系统，其特征在于，各光学元件的相应面之间通过光学胶贴合或者通过机械结构固定连接。
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说 明 书一种位移测量光学系统
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技术领域[0001]本发明涉及光学干涉测量技术领域，特别是涉及一种位移测量光学系统。背景技术[0002]在高精密要求的科学实验和仪器制造等领域，经常需要对目标的直线位移量进行纳米量级的高精度测量。在现有的光学测量手段中，具有较高精度的测量方法包括光栅尺测量和激光干涉测量，光栅尺测量虽具有成本低的优势，但其测量精度大致只能达到微米量级；与光栅尺测量相比，激光干涉测量则具有纳米量级的测量精度。[0003]然而，原有的激光干涉测量系统中，由于是采用非偏振分光元件对激光器输出光强进行分光，导致了约50％的光能量反射回激光器方向，进而造成光学能量利用率的降低；因此可见原有激光干涉测量系统对光源的能量利用率低。
发明内容[0004]本发明的目的是提供一种位移测量光学系统，基于窄带宽激光干涉测量原理实现对大范围位移的高精度测量，并提高了对光源能量的利用率。[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：[0006]一种位移测量光学系统，包括激光光源、第一偏振分光棱镜、导光棱镜组、反射镜、偏振变换元件、第二偏振分光棱镜、光电转换器和处理系统；[0007]所述第一偏振分光棱镜位于所述激光光源的出射光光路上，第一偏振分光棱镜将光源光分成偏振方向正交并且传播方向相垂直的两束光；[0008]经所述第一偏振分光棱镜反射的一束光进入所述导光棱镜组，在所述导光棱镜组内改变偏振状态，被引导入射至所述第二偏振分光棱镜的第一入射面；[0009]经所述第一偏振分光棱镜透射的另一束光，经过偏振变换元件改变偏振状态后出射至所述反射镜，反射光原路返回到所述第一偏振分光棱镜，被反射并经过偏振变换元件改变偏振方向后，入射至所述第二偏振分光棱镜的第二入射面，所述反射镜可沿其光路方向移动，用于连接被测物体；[0010]第一束光进入所述第二偏振分光棱镜后形成的出射光，与第二束光进入所述第二偏振分光棱镜后形成的出射光汇合发生干涉，干涉光由所述光电转换器接收；[0011]所述处理系统用于根据所述光电转换器记录的干涉条纹及光强信息计算获得待测物体的位移量。[0012]可选地，在所述导光棱镜组中第一束光的传播光路上设置有用于改变光偏振状态的偏振变换元件；[0013]第一束光经偏振变换元件变换为圆偏振光后入射至所述第二偏振分光棱镜，所述第二偏振分光棱镜将本束光分成传播方向垂直的两束出射光，分别与第二束光被所述第二偏振分光棱镜分成的传播方向垂直的两束出射光汇合发生干涉；[0014]所述光电转换器包括用于接收第一路干涉光的第一光电转换器和用于接收第二
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路干涉光的第二光电转换器；[0015]所述处理系统具体用于根据所述第一光电转换器记录的干涉条纹及光强信息以及所述第二光电转换器记录的干涉条纹及光强信息确定待测物体的位移量和移动方向。[0016]可选地，所述导光棱镜组包括第一直角反射棱镜、导光棱镜和第二直角反射棱镜；[0017]所述第一直角反射棱镜的直角面均为反射面，经所述第一偏振分光棱镜反射的第一束光由所述第一直角反射棱镜的斜面入射，以45度角入射到其直角面，并被反射至另一直角面，后被反射进入所述导光棱镜；[0018]所述第二直角反射棱镜的斜面为反射面，经所述导光棱镜出射的光由所述第二直角反射棱镜的直角面入射，以45度角入射到其斜面，后被反射至所述第二偏振分光棱镜的第一入射面。[0019]可选地，所述导光棱镜位于所述第一偏振分光棱镜朝向所述反射镜的一侧，在所述导光棱镜朝向所述反射镜的一侧设置用于改变光的偏振状态的偏振变换元件。[0020]可选地，在所述第二偏振分光棱镜的第二入射面与所述第一偏振分光棱镜之间设置用于改变光的偏振方向的偏振变换元件。[0021]可选地，在所述第一直角反射棱镜的斜面与所述导光棱镜之间设置用于改变光的偏振状态的偏振变换元件。[0022]可选地，在所述第一直角反射棱镜的斜面与所述导光棱镜之间设置的偏振变换元件为四分之一波片、二分之一波片或者八分之一波片；[0023]在所述导光棱镜朝向所述反射镜的一侧表面设置的偏振变换元件为四分之一波片；[0024]在所述第一偏振分光棱镜与所述第二偏振分光棱镜的第二入射面之间设置的偏振变换元件为二分之一波片。[0025]可选地，所述反射镜为直角反射棱镜或者平面镜。[0026]可选地，各光学元件之间以面贴合方式连接，[0027]可选地，各光学元件的相应面之间通过光学胶贴合或者通过机械结构固定连接。[0028]由上述技术方案可知，本发明所提供的位移测量光学系统，包括激光光源、第一偏振分光棱镜、导光棱镜组、反射镜、偏振变换元件、第二偏振分光棱镜、光电转换器和处理系统。[0029]激光光源发出的光照射到第一偏振分光棱镜，分成偏振方向正交并且传播方向垂直的两束光；经第一偏振分光棱镜反射的第一束光作为参考光，进入导光棱镜组改变偏振状态后，被引导入射至第二偏振分光棱镜的第一入射面；经第一偏振分光棱镜透射的第二束光出射至与被测物体连接的反射镜，反射光原路返回到第一偏振分光棱镜，在第一偏振分光棱镜与反射镜之间光路上设置的偏振变换元件改变传播光的偏振方向，使由反射镜返回的光返回到第一偏振分光棱镜被反射出，反射光经改变偏振方向后入射至第二偏振分光棱镜的第二入射面；第一束光进入第二偏振分光棱镜后形成的出射光，与第二束光进入第二偏振分光棱镜后形成的出射光汇合发生干涉，干涉光由光电转换器接收，处理系统根据光电转换器记录的干涉条纹及光强信息计算获得待测物体的位移量。[0030]本发明位移测量光学系统，采用偏振分光元件对光源输出光进行分光，以偏振光作为参考光和测量光，基于激光干涉测量原理实现对物体位移的测量，可实现对大范围位
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移的高精度测量，并且与现有技术相比，本光学系统分光时对光源输出光能量损失小，提高了光源能量利用率。
附图说明[0031]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0032]图1为本发明实施例提供的一种位移测量光学系统的示意图。具体实施方式[0033]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。[0034]本发明实施例提供一种位移测量光学系统，包括激光光源、第一偏振分光棱镜、导光棱镜组、反射镜、偏振变换元件、第二偏振分光棱镜、光电转换器和处理系统；[0035]所述第一偏振分光棱镜位于所述激光光源的出射光光路上，第一偏振分光棱镜将光源光分成偏振方向正交并且传播方向相垂直的两束光；[0036]经所述第一偏振分光棱镜反射的一束光进入所述导光棱镜组，在所述导光棱镜组内改变偏振状态，被引导入射至所述第二偏振分光棱镜的第一入射面；[0037]经所述第一偏振分光棱镜透射的另一束光，经过偏振变换元件改变偏振状态后出射至所述反射镜，反射光原路返回到所述第一偏振分光棱镜，被反射并经过偏振变换元件改变偏振方向后，入射至所述第二偏振分光棱镜的第二入射面，所述反射镜可沿其光路方向移动，用于连接被测物体；[0038]第一束光进入所述第二偏振分光棱镜后形成的出射光，与第二束光进入所述第二偏振分光棱镜后形成的出射光汇合发生干涉，干涉光由所述光电转换器接收；[0039]所述处理系统用于根据所述光电转换器记录的干涉条纹及光强信息计算获得待测物体的位移量。[0040]其中，第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜是在棱镜的斜面镀制多层膜结构，并以斜面胶合形成的立方体棱镜。第二偏振分光棱镜的第一入射面和第二入射面分别是第二偏振分光棱镜的两个外表面。[0041]所述导光棱镜组是指由多个棱镜构成的光学组件，用于引导光的传播。[0042]所述偏振变换元件是指通过改变光的相位差来改变光的偏振方向或者偏振状态的光学元件。[0043]本实施例位移测量光学系统，第一偏振分光棱镜将光源输出光分成偏振方向正交并且传播方向垂直的两束光；经第一偏振分光棱镜反射的第一束光作为参考光，进入导光棱镜组改变偏振状态后，被引导入射至第二偏振分光棱镜的第一入射面；经第一偏振分光
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棱镜透射的第二束光出射至与被测物体连接的反射镜，反射光原路返回到第一偏振分光棱镜，在第一偏振分光棱镜与反射镜之间光路上设置的偏振变换元件改变传播光的偏振方向，使由反射镜返回的光返回到第一偏振分光棱镜被反射出，反射光经改变偏振方向后入射至第二偏振分光棱镜的第二入射面；第一束光进入第二偏振分光棱镜后形成的出射光，与第二束光进入第二偏振分光棱镜后形成的出射光汇合发生干涉，干涉光由光电转换器接收，处理系统根据光电转换器记录的干涉条纹及光强信息计算获得待测物体的位移量。[0044]本实施例位移测量光学系统，采用偏振分光元件对光源输出光进行分光，以偏振光作为参考光和测量光，基于激光干涉测量原理实现对物体位移的测量，可实现对大范围位移的高精度测量，并且与现有技术相比，本光学系统分光时对光源输出光能量损失小，提高了光源能量利用率，同时空间尺寸紧凑。[0045]下面结合附图对本实施例位移测量光学系统做详细说明。[0046]请参考图1，为本实施例提供的一种位移测量光学系统的示意图。本实施例位移测量光学系统包括激光光源1、第一偏振分光棱镜2、导光棱镜组3、反射镜4、偏振变换元件、第二偏振分光棱镜5、光电转换器和处理系统9。[0047]第一偏振分光棱镜2位于激光光源1的出射光光路上，第一偏振分光棱镜2将光源输出光分成偏振方向正交并且传播方向垂直的两束光，分别为P光和S光。[0048]经第一偏振分光棱镜2反射的一束光即P光进入导光棱镜组3，经导光棱镜组3引导入射至第二偏振分光棱镜5的第一入射面，作为参考光。[0049]本实施例中具体的，可参考图1，所述导光棱镜组3包括第一直角反射棱镜30、导光棱镜31和第二直角反射棱镜32。[0050]其中，第一直角反射棱镜30的直角面均为反射面，经第一偏振分光棱镜2反射的第一束光由所述第一直角反射棱镜30的斜面入射，以45度角入射到其直角面，并被反射至另一直角面，后被反射进入所述导光棱镜31；第二直角反射棱镜32的斜面为反射面，经所述导光棱镜31出射的光由所述第二直角反射棱镜32的直角面入射，以45度角入射到其斜面，后被反射至所述第二偏振分光棱镜5的第一入射面。[0051]在所述导光棱镜组3中第一束光的传播光路上设置有用于改变光偏振状态的偏振变换元件60；第一束光经偏振变换元件60变换为圆偏振光后，被引导入射至所述第二偏振分光棱镜5。第二偏振分光棱镜5将本束光分成传播方向垂直的两束出射光，形成反射出的一路出射光和透射出的一路出射光，作为参考光。[0052]偏振变换元件60可设置在第一直角反射棱镜30的斜面与所述导光棱镜31之间，其中，偏振变换元件60可以是四分之一波片、二分之一波片或者八分之一波片。[0053]经第一偏振分光棱镜2透射的第二束光S光，出射至反射镜4，所述反射镜4可移动，用于与被测物体连接。所述反射镜4可采用直角反射棱镜或平面镜。[0054]具体本实施例中，导光棱镜组3中的导光棱镜31位于第一偏振分光棱镜2朝向所述反射镜4的一侧，在所述导光棱镜31朝向所述反射镜4的一侧设置用于改变光的偏振状态的偏振变换元件61。[0055]经第一偏振分光棱镜2透射的第二束光S光，经过导光棱镜31和偏振变换元61，将传播的S光变成圆偏振光，出射至反射镜4。由反射镜4返回的光再次经过偏振变换元件61变成P光，进入导光棱镜31，再次入射至第一偏振分光棱镜2，并被第一偏振分光棱镜2反射出，
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入射至第二偏振分光棱镜5的第二入射面。[0056]其中，偏振变换元件61可以是四分之一波片。[0057]在所述第二偏振分光棱镜5的第二入射面与所述第一偏振分光棱镜2之间设置用于改变光的偏振方向的偏振变换元件62。偏振变换元件62可以是二分之一波片。由第一偏振分光棱镜2反射的P光经过偏振变换元件62，偏振方向旋转45度，入射进入第二偏振分光棱镜5。第二偏振分光棱镜5将该束光分成传播方向垂直的两束出射光，形成反射出的一路出射光和透射出的一路出射光，作为测量光。[0058]作为测量光的两束出射光，分别与作为参考光的两束出射光汇合发生干涉。进一步采用光电转换器接收其中任意一路干涉光，则根据光电转换器记录的干涉条纹及光强信息可以计算获得待测物体的位移量。[0059]因此，本实施例位移测量光学系统，由偏振分光元件将光源输出光分成两束偏振方向正交的偏振光，分别作为参考光和测量光对物体位移进行测量，在分光时对光源输出光能量损失小，可提高对光源能量利用率；并且在光束传播过程中通过棱镜元件引导传播，可降低光在传播过程中的能量损失，可提高对光源能量的利用率，同时系统几何尺寸紧凑。[0060]在本位移测量光学系统的一种具体应用中，包括用于接收第一路干涉光的第一光电转换器7和用于接收第二路干涉光的第二光电转换器8。[0061]通过第一光电转换器7记录一路干涉光的干涉条纹和光强信息，通过第二光电转换器8记录另一路干涉光的干涉条纹和光强信息，所述处理系统9具体用于根据所述第一光电转换器记录的干涉条纹及光强信息，以及所述第二光电转换器记录的干涉条纹及光强信息确定待测物体的位移量和移动方向。[0062]因此，本实施例位移测量光学系统，通过偏振分光元件将光源输出光分成两束偏振光分别作为参考光和测量光，不仅实现对物体位移的测量，还可实现对物体移动方向的测量。[0063]进一步的，在上述各实施例中，本光学系统中可以是各光学元件之间以面贴合方式连接，使本光学系统结构紧凑，占用空间小。各光学元件的相应面之间可以通过光学胶贴合。或者也可以通过机械结构固定连接，通过机械结构件固定空间位置。[0064]或者，本光学系统也能够以各光学元件之间具有一定空间间隔分布式排布。各光学元件可以通过机械结构固定连接，通过机械结构件固定空间位置。[0065]进一步的，在上述各实施例中，可以在光电转换器接收光的一侧设置可收光的光学元件，以提高对干涉光的接收率，提高干涉图像的对比度。[0066]因此，本发明位移测量光学系统，通过偏振分光元件将光源输出光分成两束偏振光分别作为参考光和测量光，对物体位移进行测量，可实现对大范围位移的高精度测量，测量精度可达到纳米级和亚纳米级；并且，本光学系统分光时对光源输出光能量损失小，且在光束传播过程中通过棱镜元件引导传播，可降低光在传播过程中的能量损失，从而可提高光源能量利用率，进而可以更加充分地利用光电转换器件的动态范围，最终实现对被测物体位移探测精度的提升。[0067]以上对本发明所提供的一种位移测量光学系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明
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原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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