共光路差分干涉位移测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体地说，涉及一种共光路差分干涉位移测量系统及方法。

背景技术

光是电磁波，理想正弦的特性使其非常适合作为相位调制和频率调制传感器的载波。在光波动频率远高于探测采样频率的情况下，干涉技术利用波的叠加将高频信号降频到可探测范围内，从而实现相位信息和频率信息的获取。作为一种典型的位移测量传感器，干涉测量系统具有基准可溯源、测量精度高、测量范围大、动态性能好、易于安装调试等优点，广泛应用于计量和超精密测量领域。

干涉测量系统按光路结构特征可分为共光路测量系统和非共光路测量系统。共光路干涉仪其干涉的两束光沿着相同的路径传播。典型的共光路测量系统如广泛应用于光纤传感和滤波器领域的Sagnac干涉仪构型，其干涉的两束光在同一个环路内沿相反方向传播一周后合束，环境因素(振动、空气扰动)引起的两束光的相位变化相同，在干涉时互消。但也因为环路内相位变化互消的机制，使其干涉相位仅对环路平面内的旋转角速度敏感，难以用于平动位移的测量。经典的Michelson干涉仪构型、Mach-Zehnder干涉仪构型均是非共光路测量系统，以它们为基础构建的各种激光干涉测量系统和光栅干涉测量系统是半导体工业光刻、引力波探测、原子力显微镜等领域位移传感的核心器件，也是校准其它测量工具的重要手段。但受限于测量臂与参考臂的非共光路设计，其干涉腔是展开的，一般部件多、占空间大，这些测量系统的精度易受环境扰动的影响，环境控制成本极高。

针对上述问题，目前已有的解决方案主要有两类：一是在非共光路设计的测量系统中遵循光学对称设计原则，使测量信号的测量臂和参考臂在同一介质中的传播路径相似、光程相等，再通过高精度的环境控制使传播介质具有均匀的折射率，如美国Zygo公司美国专利US20110255096A1(公开日2011年10月20日；二是在非共光路设计的测量信号的临近位置设计用于差分补偿环境扰动误差的补偿信号，两个干涉信号的测量臂与测量臂对称，参考臂与参考臂对称，同样需要高精度的环境控制使传播介质具有均匀的折射率，如清华大学中国专利CN108627100B(公开日2018年10月9日。非共光路测量系统的对称设计虽然可以在一定程度上减小环境扰动对测量精度的影响，但无法从根本上解决测量精度对环境控制性能的依赖，这不仅极大的增加了干涉位移测量系统的应用成本，而且限制了测量系统精度进一步提升的空间。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提出一种可用于位移测量的共光路干涉测量系统及方法。该干涉位移测量系统结合干涉和差分原理实现了共光路测量，从而使测量结果完全不受环境扰动的影响，特别适用于非真空环境中的高精度测量场景。

本发明所采用的技术方案为：

一种共光路差分干涉位移测量系统，包括：

相干光源(1)，用于发出两束相干涉的激光，作为相互干涉的合束前测量臂和合束前参考臂，并使得合束前参考臂进入合束元件，以及合束前测量臂传输至位移元件；

位移元件(2)，用于接收所述合束前测量臂，并使得所述合束前测量臂转变光路进入合束元件，并使得位移元件的待测物理量转换为转变光路后测量臂沿基准光栅矢量方向的光平移量；

合束元件(3)，用于接收合束前参考臂和转变光路后测量臂，并将转变光路后测量臂与合束前参考臂合束为合束后测量臂和合束后参考臂；

基准光栅(4)，用于接收从合束元件出来的合束后参考臂和合束后测量臂，使合束后测量臂产生衍射多普勒效应，并将合束后测量臂和合束后参考臂衍射分束为多路干涉信号；

相位探测元件(5)，用于探测所述多路干涉信号，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，并利用所述相位变化计算获得所述光平移量，从而根据光路几何关系计算得到所述待测物理量。

可选地，所述相干光源(1)是零差单频光源、外差双频光源中的一种，其输出方式是空间光输出、光纤耦合输出中的一种。

可选地，所述位移元件(2)是反射元件、透射元件、衍射元件中的任一种。

可选地，所述合束元件(3)是分束镜、光栅中任一种。

可选地，所述合束元件(3)和基准光栅(4)共用同一块光栅。

可选地，所述相位探测元件(5)是零差相位探测系统或外差相位探测系统，所述相位探测元件采用光纤耦合器、光纤纤芯、光电探测器中的任一种接收干涉信号，

且所述相位探测元件(5)的干涉信号接收器件的尺寸小于合束后测量臂和合束后参考臂形成的光束直径，使得仅探测共光路的干涉信号。

本发明还提供一种共光路差分干涉位移测量方法，包括以下步骤：

利用相干光源发出两束相干涉的激光，分别作为相互干涉的合束前测量臂和合束前参考臂，所述合束前参考臂进入合束元件，所述合束前测量臂经过位移元件转变光路后进入合束元件，转变光路后测量臂与所述合束前参考臂在合束元件中合束出来形成合束后测量臂和合束后参考臂，合束后测量臂和合束后参考臂沿相同光路传输至基准光栅，并经基准光栅衍射分束为多路干涉信号；

通过位移元件的移动将位移元件的待测物理量转换为转变光路后测量臂沿基准光栅的矢量方向的光平移量；

通过相位探测元件探测所述多路干涉信号，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，并利用所述相位变化计算获得所述光平移量，从而根据光路几何关系计算得到所述待测物理量。

可选地，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化

合束后测量臂因光平移量导致的衍射多普勒效应与第一干涉信号对应的相位变化为

合束后测量臂因光平移量导致的衍射多普勒效应与第二干涉信号对应的相位变化为

形成第一干涉信号的测量臂和参考臂在合束后因环境扰动引起的相位变化均为

形成第二干涉信号的测量臂和参考臂在合束后因环境扰动引起的相位变化均为

可选地，利用所述相位变化计算获得所述光平移量，包括：

d是转变光路后测量臂产生基准光栅矢量方向的光平移量；

p为基准光栅的栅距；

m表示合束后测量臂和合束后参考臂的m级衍射光干涉形成第一干涉信号，

n表示合束后测量臂和合束后参考臂的n级衍射光干涉形成第二干涉信号，且m不等于n。

与现有技术相比，本发明所述的一种共光路差分干涉位移测量方法及系统具有以下优点：

(1)各干涉信号的测量臂在进入合束元件之前共光路，各干涉信号的参考臂在进入合束元件之前共光路，通过合束元件之后，干涉信号的测量臂与参考臂共光路。多路干涉信号相位的差分可以消除合束元件之前的环境扰动误差，而合束后的环境扰动误差可以通过测量臂与参考臂的共光路干涉来互消，从而使测量结果完全不受环境扰动的影响，位移测量精度极高，特别适用于非真空环境中的高精度测量场景。

(2)本发明可以适用零差干涉测量系统和外差干涉测量系统，配置灵活、适用广泛。

(3)本发明光学结构简单，占用空间小、集成难度低，将基准光栅同时用作合束元件时还可以进一步简化结构。

(4)本发明的位移元件选择灵活，根据待测物理量与其他物理量之间的关系可以可衍生为多种物理量的测量传感器。例如温度、压力测量传感器，通过各物理量的变化转化为平移和转动来实现。

附图说明

通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本发明一种共光路差分干涉位移测量方法的流程示意图；

图2为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的光路示意图；

图3为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统示意图；

图4为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第一实施例示意图；

图5为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第二实施例示意图；

图6为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第三实施例示意图；

图7为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第四实施例示意图；

图8为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第五实施例示意图；

图中，1—相干光源，2—位移元件，3—合束元件，4—基准光栅，5—相位探测元件，11—外差双频光源，111—第一频率光，112—第二频率光，12—零差单频光源，121—S偏振态光，122—P偏振态光，21—位移反射镜，22—等厚透射片，23—光纤准直器，31—非偏振分光镜，32—偏振分光镜，33—反射镜，51—光电探测器，52—外差相位计数卡，53—四分之一波片，54—多通道鉴相分束器，55—偏振片，56—零差相位计数卡，61—合束前参考臂，62—合束前测量臂，63—合束后参考臂，64—合束后测量臂，65—第一干涉信号，66—第二干涉信号。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图1是本发明实施例的共光路差分干涉位移测量方法的流程示意图，图2为本发明的共光路差分干涉位移测量方法的光路示意图，下面结合图1、图2来说明该位移测量方法，该方法包括以下步骤：

利用相干光源1发出两束相干涉的激光，分别作为相互干涉的合束前测量臂62和合束前参考臂61，在合束前测量臂62和合束前参考臂61上都有若干干涉信号。所述合束前参考臂61进入合束元件3，所述合束前测量臂62经过位移元件2转变光路后也进入合束元件3，所述合束前测量臂62与所述合束前参考臂61在合束元件3中合束出来形成合束后测量臂64和合束后参考臂63，合束后测量臂64和合束后参考臂63沿相同光路(即共光路)传输至基准光栅4，并经基准光栅4衍射分束为多路干涉信号。

通过位移元件2的移动将待测物理量转换为转变光路后测量臂沿基准光栅4矢量方向(在光栅面内垂直于栅线的方向)的光平移量。所述待测物理量可以是位移元件2的平移，也可以是转动。

具体的，位移元件可以采用反射元件、透射元件、衍射元件中的任一种。例如图4所示，位移元件采用反射元件，具体说，是位移反射镜21。合束前测量臂62照射到位移反射镜21上，并经位移反射镜21反射至合束元件3中。通过位移反射镜21的移动来反应待测物理量的移动量。例如图3中，在x-y直角坐标系中，位移反射镜21沿y向平移，使得第二频率光112(即合束前测量臂62)入射的位置发生变化，具体说，随着位移反射镜21沿y向平移，经过反射而转变光路的第二频率光112呈现出沿x’方向(基准光栅4矢量方向)运动的形式，由此将位移反射镜21的位移转换为第二频率光112沿基准光栅4矢量方向(即x’方向)的光平移量。

通过相位探测元件探测所述多路干涉信号，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，从而消除测量臂与参考臂在合束元件3之前非共光路传播的环境扰动误差，并利用所述相位变化与基准光栅的栅距和光栅级次的差值计算获得光平移量，从而根据光路几何关系计算得到所述待测物理量。该光路几何关系是比较简单的三角函数关系，在此省略其描述。

进一步地，步骤S30中，相位探测元件探测多路干涉信号是指通过相位探测元件探测获得合束后测量臂64和合束后参考臂63的m级衍射光干涉形成的第一干涉信号，以及合束后测量臂64和合束后参考臂63的n级衍射光干涉形成的第二干涉信号，m不等于n，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，并利用所述相位变化与基准光栅的栅距和光栅级次的差值计算获得所述待测物理量。

下面具体说明一下如何利用所述相位变化与基准光栅的栅距和光栅级次的差值计算获得所述待测物理量。

经合束元件3出来的发生位移的合束后测量臂64进入基准光栅4衍射后，多级衍射光产生衍射多普勒效应，合束前测量臂62经过位移元件2产生基准光栅4矢量方向的合束后测量臂64的光平移量为d，未发生位移的合束后参考臂的多级衍射光不产生衍射多普勒效应。合束前测量臂62因环境扰动引起的相位变化为

合束后参考臂63和合束后测量臂64沿相同光路传输至基准光栅4后衍射分束为多路干涉信号，包括第一干涉信号和第二干涉信号。具体的，第一干涉信号65为合束后测量臂64和合束后参考臂63的m级衍射光干涉形成，第二干涉信号66为合束后测量臂64和合束后参考臂63的n级衍射光干涉形成，且m不等于n。

合束后测量臂64因光束沿x’方向横移的衍射多普勒效应产生与第一干涉信号65对应的相位变化为

其中，

p为基准光栅4的栅距。

从式中可见，相位变化

根据上式，可以计算得到测量臂经过位移元件2产生的基准光栅4矢量方向光束横移d为

在本发明中，各干涉信号的测量臂在进入合束元件3之前共光路，各干涉信号的参考臂在进入合束元件3之前共光路，通过合束元件3之后，干涉信号的测量臂与参考臂共光路。多路干涉信号相位的差分可以消除合束元件3之前的环境扰动误差，而合束后的环境扰动误差可以通过测量臂与参考臂的共光路干涉来互消，从而使测量结果完全不受环境扰动的影响。

本发明还提供一种共光路差分干涉位移测量系统，所述测量系统可作为独立的传感器，也可作为组合式传感器的功能组件之一。下面结合图3至图8描述具体的实施例。

如图3所示，共光路差分干涉位移测量系统包括相干光源1、位移元件2、合束元件3、基准光栅4、相位探测元件5。

相干光源1用于发出两束相干涉的激光，用作相互干涉的合束前测量臂和合束前参考臂，并使得合束前参考臂进入合束元件3，以及合束前测量臂传输至位移元件2。合束元件3可以采用分束镜或者光栅，分束镜可以是例如偏振分光镜、非偏振分光镜。所述位移元件2用于接收所述合束前测量臂，并使得所述合束前测量臂62转变光路进入合束元件3。并使得位移元件的待测物理量通过位移元件2转换为转变光路后测量臂沿基准光栅4矢量方向(光栅面内垂直于栅线的方向)的位移；所述合束元件3用于接收合束前参考臂61和转变光路后测量臂。基准光栅4用于接收从合束元件3出来的合束后参考臂63和合束后测量臂64，使得合束后参考臂63和合束后测量臂64经基准光栅4衍射分束为多路干涉信号。相位探测元件5探测所述多路干涉信号，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，从而消除测量臂与参考臂在合束元件3之前非共光路传播的环境扰动误差。

下面说明一下共光路差分干涉位移测量系统的测量方法，所述合束前参考臂61进入合束元件3，所述合束前测量臂62经过位移元件2转变光路后也进入合束元件3，所述合束前测量臂62与所述合束前参考臂61在合束元件3中合束出来形成合束后测量臂64和合束后参考臂63，合束后测量臂64和合束后参考臂63沿相同光路(即共光路)传输至基准光栅4，并经基准光栅4衍射分束为多路干涉信号，通过相位探测元件探测多路干涉信号，所述相位探测元件(5)的干涉信号接收器件尺寸小于合束后测量臂和合束后参考臂形成的光束直径，使得仅探测共光路部分的干涉信号。通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，从而消除测量臂与参考臂在合束元件3之前非共光路传播的环境扰动误差。并利用所述相位变化与基准光栅的栅距和光栅级次的差值计算获得光平移量，从而根据光路几何关系计算得到所述待测物理量。该光路几何关系是比较简单的三角函数关系，在此省略其描述。

进一步地，相位探测元件探测多路干涉信号是指通过相位探测元件探测获得测量臂和参考臂的m级衍射光干涉形成的第一干涉信号，以及测量臂和参考臂的n级衍射光干涉形成的第二干涉信号，且m不等于n，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，并利用所述相位变化、基准光栅的栅距、光栅级次的差值计算获得所述待测物理量。

下面具体说明一下如何利用所述相位变化、基准光栅的栅距、光栅级次的差值计算获得所述待测物理量。

发生位移的转变光路后测量臂经合束元件3出来进入基准光栅4衍射后，多级衍射光产生衍射多普勒效应，转变光路后测量臂经过位移元件2产生基准光栅4矢量方向的光平移量d，合束前测量臂62因环境扰动引起的相位变化为

合束后参考臂63和合束后测量臂64沿相同光路传输至基准光栅4后衍射分束为多路干涉信号，具体的，第一干涉信号65为测量臂和参考臂的m级衍射光干涉形成，第二干涉信号66为测量臂和参考臂的n级衍射光干涉形成，m不等于n。

合束后测量臂64因光束沿x’方向横移的衍射多普勒效应产生与第一干涉信号65对应的相位变化为

其中，

p为基准光栅4的栅距。

从式中可见，相位变化

根据上式，可以计算得到测量臂经过位移元件2产生的基准光栅4矢量方向的光平移量d为

在本发明中，各干涉信号的测量臂在进入合束元件3之前共光路，各干涉信号的参考臂在进入合束元件3之前共光路，通过合束元件3之后，干涉信号的测量臂与参考臂共光路。多路干涉信号相位的差分可以消除合束元件3之前的环境扰动误差，而合束后的环境扰动误差可以通过测量臂与参考臂的共光路干涉来互消，从而使测量结果完全不受环境扰动的影响。

下面以几个更具体的实施例来说明本发明的共光路差分干涉位移测量系统。

第一实施例

图4为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第一实施例示意图，共光路差分外差干涉位移测量系统包括：外差双频光源11、位移反射镜21、非偏振分光镜31、基准光栅4、光电探测器51、外差相位计数卡52。

如图4所示，本实施例中相干光源1采用外差双频光源11，位移元件2采用位移反射镜21，合束元件采用非偏振分光镜31，相位探测元件5采用光电探测器51和外差相位计数卡52组成的外差相位探测系统。

第一实施例的工作原理与上述本发明的工作原理完全相同，外差双频光源11发出偏振态相同的第一频率光111(即合束前参考臂61)和第二频率光112(合束前测量臂62)，位移反射镜21的y向位移使测量臂第二频率光112沿x’方向运动，合束前参考臂61与合束前测量臂62通过非偏振分光镜31合束，合束后参考臂63和合束后测量臂64经过基准光栅4时产生衍射多普勒效应，引起的相位变化通过外差相位探测系统获取后，根据上述公式计算得到无环境扰动误差的位移反射镜21在y向的平移量。

第二实施例

图5为本发明的共光路差分干涉位移测量系统的第二实施例示意图，共光路差分外差干涉位移测量系统包括：零差单频光源12、位移反射镜21、偏振分光镜32、基准光栅4、光电探测器51、四分之一波片53、多通道鉴相分束器54、偏振片55，零差相位计数卡56。

如图5所示，本实施例中相干光源1采用零差单频光源12，位移元件2采用位移反射镜21，合束元件采用偏振分光镜32，相位探测元件5采用光电探测器51、多通道鉴相分束器54、偏振片55，零差相位计数卡56组成的零差相位探测系统。

该实施例的工作原理与上述本发明的工作原理完全相同，零差单频光源12发出频率相同的S偏振态光121和P偏振态光122，位移反射镜21的y向位移使测量臂P偏振态光122沿x’方向运动，测量臂与参考臂通过偏振分光镜32合束，再经过四分之一波片53形成左旋和右旋圆偏振光，测量臂经过基准光栅4时产生衍射多普勒效应，引起的相位变化通过零差相位探测系统获取后，按照上述公式计算得到无环境扰动误差的位移反射镜21在y向平移量。

第三实施例

图6为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第三实施例示意图，共光路差分外差干涉位移测量系统包括：外差双频光源11、位移反射镜21、基准光栅4、光电探测器51、外差相位计数卡52。

如图6所示，本实施例中相干光源1采用外差双频光源11，位移元件2采用位移反射镜21，合束元件采用基准光栅4，相位探测元件5采用光电探测器51和外差相位计数卡52组成的外差相位探测系统。

该实施例的工作原理与上述本发明的工作原理完全相同，外差双频光源11发出偏振态相同的第一频率光111(即合束前参考臂61)和第二频率光112(合束前测量臂62)，位移反射镜21的沿光栅矢量方向x’方向的位移分量使第二频率光112产生沿x’方向的运动分量，只有第二频率光112沿光栅矢量方向的运动才会产生衍射多普勒效应。测量臂与参考臂以不同角度入射基准光栅4，它们的不同级次衍射光分别重合形成多路干涉信号，测量臂经过基准光栅4时产生衍射多普勒效应，引起的相位变化通过外差相位探测系统获取后，按照上述公式计算得到无环境扰动误差的位移反射镜21在y向位移。

第四实施例

图7为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第一实施例示意图，共光路差分外差干涉位移测量系统包括：外差双频光源11、光纤准直器23、基准光栅4、光电探测器51、外差相位计数卡52。

如图7所示，本实施例中相干光源1采用外差双频光源11，位移元件2采用光纤准直器23，合束元件采用基准光栅4，相位探测元件5采用光电探测器51和外差相位计数卡52组成的外差相位探测系统。

该实施例的工作原理与上述本发明的工作原理完全相同，外差双频光源11发出光纤耦合传输的偏振态相同的第一频率光111(即合束前参考臂61)和第二频率光112(合束前测量臂62)，光纤准直器23沿x轴方向移动，光纤准直器23在x’向位移分量使第二频率光112产生沿x’方向的运动分量，测量臂与参考臂以不同角度入射基准光栅4，它们的不同级次衍射光分别重合形成多路干涉信号，测量臂经过基准光栅4时产生衍射多普勒效应，引起的相位变化通过外差相位探测系统获取后，按照上述公式计算得到无环境扰动误差的光纤准直器23在x向位移。

第五实施例

图8为本发明一种共光路差分干涉位移测量系统的第一实施例示意图，共光路差分外差干涉位移测量系统包括：外差双频光源11、等厚透射片22、非偏振分光镜31、反射镜33、基准光栅4、光电探测器51、外差相位计数卡52。

如图8所示，本实施例中相干光源1采用外差双频光源11，位移元件2采用等厚透射片22，合束元件采用非偏振分光镜31，相位探测元件5采用光电探测器51和外差相位计数卡52组成的外差相位探测系统。

该实施例的工作原理与上述本发明的工作原理完全相同，外差双频光源11发出偏振态相同的第一频率光111(即合束前参考臂61)和第二频率光112(合束前测量臂62)，等厚透射片22的Rz向(在垂直于x-y平面方向)转动位移使第一频率光111沿y方向(基准光栅的矢量方向)运动，测量臂与参考臂通过非偏振分光镜31合束，测量臂经过基准光栅4时产生衍射多普勒效应，引起的相位变化通过外差相位探测系统获取后，按照上述公式计算得到无环境扰动误差的等厚透射片22在Rz向转动位移。

以上实施例中位移元件是以反射镜和透视镜为例来说明的，当然，位移元件也可以是衍射元件，例如光栅，利用光栅将合束前测量臂62转变光路进入合束元件即可。在此不再做详细描述。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。