[发明专利]一种测量位移量的光学细分干涉方法

说明书

本发明属于非接触位移传感器领域，涉及精密线位移和角位移计量的光学细分干涉方法。

已知技术中利用周期性变化的分光元件作为基准进行位移计量都采用常规的光栅莫尔条纹技术(王惠民主编“光学仪器信号转换技术”1993年北京理工大学出版社出版)。当需要测量高精度位移量时，则要求光栅主尺和副尺间的间隙变小，这样就增加了机械调整难度和光栅位移传动装置的精度要求，鉴于此，苏联学者M.M.bytycoB等人提出一种基于自复制技术来取消副尺(美国专利号567871A1)，虽然降低了对光栅位移传动装置的要求，但是又增加了光学元件调整的难度，而且这种方法还是采用了莫尔条纹技术，其测量灵敏度比常规的莫尔条纹技术仅仅提高一倍，实现了2倍细分，因此它也不能满足测量高精度位移量的要求。

本发明的目的是利用周期性变化的分光元件位移时，在其一个分光元件上完成光的分束和合束而形成干涉条纹来提高测量灵敏度，并且降低对光栅位移传动装置的精度要求，减轻光学元件调整难度。

本发明光学细分的干涉步骤如下：由相干光源发出的相干光经透镜调整形成近似的平行光束而入射到周期性变化的分光元件上，相干光经周期性变化的分光元件衍射分解为0，±1，±2，±3，……±m级次的出射光束，反射元件至少使每束出射光束的波阵面沿周期性变化的分光件刻线的垂直方向反转一定角度(例如反射元件采用直角棱镜时，其反转角度可以在180°附近)而形成反射光束并且返回到周期性变化的分光元件而进行合束又形成0，±1，±2，±3，……±n级次的合束光束，第n级的合束光束是由m₁和m₂级次的出射光束合束而组成的，满足n＝m₁-m₂，某一合束光束的干涉条纹由接收器接收而变成电信号送至处理器处理。选择合适的反射元件，至少使出射光束的波阵面经反射元件反射后再沿周期性变化的分光元件刻线的垂直方向上反转一定角度，保证周期性变化的分光元件沿其刻线的垂直方向位移时引起的各光束的位相变化不因利用同一周期性变化的分光元件进行分束和合束而互相抵消。这样，当周期性变化的分光元件沿其刻线垂直方向位移时，干涉条纹数目的变化正比该位移量的大小。若选择的反射元件不合适，则无法获得上述结果。例如，选择平面反射镜作为反射元件，此时各级次的出射光束的波阵面经反射后并不发生反转，当周期性变化分光元件沿其刻线垂直方向位移时，虽然它会引起各级次的出射光束的位相变化，但是经过合束后在任一级次的合束光束中的出射光束(被平面反射镜反射，返回到周期性变化的分光元件进行合束)的位相差保证不变，这样，周期性变化的分光元件的位移不使干涉条纹发生变化。调整接收器的位置或者采用空间滤波的手段，使接收器只接收某一级次的合束光束的干涉条纹。选择接收器接收合束光束的级次n≠0时的干涉条纹，当周期性变化的分光元件沿其刻线垂直方向位移ΔX时，干涉条纹数目变化为，其中T为周期性变化的分光元件的周期，当位移一个周期时，实现了2|n|倍的光学细分，选择接收器接收合束光束级次n＝0时的干涉条纹，周期性变化的分光元件可采用闪耀光栅，其出射光束仅具有+m和-m级次，当周期性变化的分光元件沿其刻线垂直方向位移ΔX时，干涉条纹数目变化为当位移一个周期时，实现了2|m|倍的光学细分。

选择等间距光栅作周期性变化的分光元件，则使偶级次出射光束的强度为零，接收器只接收第n级次的合束光束(其中选择n＝±1，±3，±5，……)，因此接收的干涉条纹仅由(0，n)和(n，0)两束光形成的正弦条纹，同时接收器接收到的2|n|倍的光学细分的正弦信号。

本发明由于利用了周期性变化的分光元件作为光的分束和合束器件，其与莫尔条纹技术相比，具有下述优点：1.选择接收器接收高级次n的合束光束时，使测量灵敏度提高2n倍。2.出射光由周期性变化的分光元件至反射元件并返回到周期性变化的分光元件的光程不需满足自复制的距离，因此减轻了光学元件调整难度。3.由于用一个光学元件完成了光的分束和合束，因此省去光栅副尺，即不存间隙问题，这样使位移传动装置的机械精度要求降低。4.选择接收器接收级次n＝0的合束光束时，并且分光元件采用闪耀光栅，其出射光束仅仅具有+m和-m级次，本发明又实现了2|m|倍的光学细分，比自复制技术的灵敏度提高了|m|倍。

最佳实施例：

图1是采用透射式分光元件时本发明光路结构示意图。

图2是采用反射式分光元件时本发明光路结构的主视图。

图3是图2的侧视图。

图4是采用空间滤波手段时本发明光路结构示意图。