[发明专利]基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法，系统包括半导体激光传感头、平面反射镜、反射式二维平面光栅、数据采集卡和计算机，半导体激光传感头发出的激光入射到反射式二维光栅上，相应的衍射光沿原光路反馈回半导体激光传感头发生自混合干涉，自混合干涉信号被半导体激光器内置的光电探测器转化为电信号，输出至数据采集卡，经过计算机处理后得到待测目标的三维位移。本发明解决了传统光栅干涉仪在进行面外位移测量时量程受限的问题，同时相对传统光栅干涉仪更加紧凑，并保持了激光自混合干涉仪自准直的优点，可以实现结构简单、大量程、高分辨率三维实时位移测量系统和测量方法。

技术领域

本发明属于精密位移测量技术领域，特别是涉及一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法。

背景技术

精密位移测量是先进制造业发展的关键技术，也是整个纳米科技领域的先导和基础。随着半导体制造技术和超微细加工技术的发展，对实时高精度三维定位系统的需求迅速增长。激光干涉仪和光栅干涉仪由于具有非接触，高分辨率和宽动态测量范围等优点而被广泛用于高精度位移测量。激光干涉仪以波长为测量基准，通常用于测量目标的面外位移，其精度可以达到纳米量级，测量范围可以达到数十米。光栅干涉仪以光栅栅距为测量基准，通常用于测量目标的面内位移，其精度也可以达到纳米量级，测量范围取决于光栅大小。当采用零膨胀系数材料制作光栅时，环境温度变化不会对光栅栅距产生影响，因此光栅干涉仪具有很好的环境适应性。

目前能够实现三维位移测量的解决方案还很少，人们往往通过将多个干涉仪组合从而实现三维位移测量，但这一方案对各个干涉仪间的配合精度提出了极高的要求。近几年，用反射光栅替换反射镜的光栅干涉仪得到了许多关注，它在传统二维光栅干涉仪的基础上同时计算了面外位移对衍射光光程的影响，可以同时测量面内和面外的位移。基于这种思路，已经有一些三维位移测量系统被开发出来，但这类系统普遍存在一个缺陷：当目标在平面外方向上移动一段距离时，这些系统的光路也将改变，导致检测光与光电检测器之间出现偏差，大大限制了平面外位移测量的量程。同时，现有的精密三维测量系统结构往往十分复杂，难于调整。

激光自混合干涉技术，又称激光回馈干涉技术，是近年来兴起的一种具有很高应用价值的新型干涉计量技术，当激光器输出光被外界物体反射或散射后，部分光将返回激光器谐振腔内与腔内光束相混合而引起激光器的输出光强的变化，实现速度、位移、振动及距离等物理量的精密测量。由于系统固有的结构简单紧凑、自准直、以及可以工作于粗糙散射表面显著优点，解决了传统干涉测量技术系统复杂、敏感于准直等问题，在很多场合可以代替传统的激光干涉仪。

发明内容

发明目的：本发明要解决的技术问题是提供一种基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统及测量方法，解决了传统光栅干涉仪在面外位移测量时量程受限的问题，同时相对传统光栅干涉仪更加紧凑，并保持了激光自混合干涉仪自准直的优点，可以实现结构简单、大量程、高分辨率三维实时位移测量系统和测量方法。

技术方案：本发明所述的基于激光自混合光栅干涉的三维位移测量系统，包括第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头、第三半导体激光传感头、反射式二维平面光栅、第一平面反射镜、第二平面反射镜、数据采集卡和计算机，第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头、第三半导体激光传感头垂直于反射式二维平面光栅，它们在反射式二维平面光栅的投影呈等腰直角三角形，第一半导体激光传感头的投影为顶点，第一平面反射镜和第二平面反射镜分别设置在第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头到反射式二维平面光栅的垂线上，数据采集卡的一端连接第一半导体激光传感头、第二半导体激光传感头和第三半导体激光传感头，另一端连接计算机。