[发明专利]虚拟合成波长链绝对距离干涉测量方法及实现装置

说明书

本发明属于绝对距离测量技术领域，特别涉及合成波长绝对距离干涉测量方法的改进。

无导轨绝对距离测量方法在精密测量中有很广阔的应用前景，它相对于有导轨的相对测量方法而言有明显的优点，不但省去了导轨，也避免了在累加计数过程中出现的误差甚至错误。其中常用的一种绝对距离干涉测量方法是合成波长法，它利用两个光波的拍波(即合成波)在干涉系统中形成干涉信号，对于一个给定的待测距离，当拍波波长(即合成波长)足够长时，可以唯一确定合成波干涉信号的整数级次，因此只需测出干涉信号的小数级次，就可以精确测量出待测距离。在合成波绝对距离干涉测量系统中，需要直接对合成波干涉信号的小数级次进行测量，为此采用的光源要能够同时发射两个或多个稳定的波长，一般是通过一个或多个激光器实现，如CO₂激光器、3.39μm波段双波长氦氖激光器，0.6328μm纵向塞曼氦氖激光器和0.6328μm双纵模氦氖激光器。由此可以看出，合成波长绝对距离干涉测量方法具有以下两个局限性：

1．由于采用多波长激光器或多个单波长激光器作为光源，波长间隔是固定值，因此只能得到固定的某些合成波长，如果为了得到合适的合成波长而增加激光器个数，将会使系统变得相当复杂。

2．合成波长固定的另一缺点是，如果不能得到足够长的合成波长，就需要增加对待测距离的粗测手段以唯一确定合成波干涉信号的整数级次。

本发明的目的是为克服传统的合成波绝对距离干涉测量技术的不足，设计出一种利用虚拟合成波长链进行绝对距离干涉测量的方法及测量系统。该方法不直接测量合成波干涉条纹的小数级次，具有小数条纹测量精度高以及可一次完成从粗测到精测过程的特点，适于进行内、外尺寸测量，可用于制作微小尺寸测头。

本发明提出的一种虚拟合成波长链绝对距离干涉测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)平行设置一对单面镀增透膜的玻璃镜片，其非镀膜面A、C相对；再放置一对平面反射镜片在该对玻璃镜片之间，且该两反射镜片端面B、D与该两玻璃镜片平行，d₁、d₂分别为A、B与C、D之间的距离，d=d₁+d₂为待测距离；

(2)将波长可调的单色光源发出的光束分成两路入射光分别入射至A、B和C、D四个表面。A、B面的反射光沿原路返回发生干涉，C、D面的反射光沿原路返回发生干涉，即构成了在一条直线上的两个双光束干涉仪；

(3)利用压电陶瓷的驱动使任意一对镜片以一定速度υ匀速运动，使两干涉仪的干涉信号产生大小相同而方向相反的多普勒频移，从而待测量d被包含于一个交流信号的相位项中，即干涉条纹级次的测量转化成了交流信号的相位测量；

(4)确定第一级虚拟合成波长为λ_s1＞2d，和级间过渡条件为λ_s(i+1)＞4Δd_i，从而确定其余各级虚拟合成波长，计算对应的波长间隔，得到一系列由大到小的虚拟合成波长链；

(5)在波长调谐过程中，同时测量波长值和单波长对应的干涉条纹的小数级次，通过计算确定虚拟合成波长及其干涉条纹的小数级次和整数级次，从而得到待测距离d的精确值。

所说的平行设置的任意一对镜片间的距离可为精确的已知值，则测出两对镜片间的间隙，就得到了另一对镜片间的距离。

本发明提出一种采用如上所述的虚拟合成波长链绝对距离干涉测量方法的测量装置，其特征在于，包括一可调谐激光器，设置在该激光器的光路上将该光束分为两束光的分光元件，平行设置在光路中的一对单面镀增透膜的玻璃镜片和放置在该对玻璃镜片之间一对平面反射镜片，该玻璃镜片的非镀膜面A、C相对，且两反射镜片端面B、D与两玻璃镜片平行，玻璃镜片的非镀膜面A与反射镜片端面B、玻璃片的非镀膜面C与反射镜片端面D各自构成一条直线上的双光束干涉仪，用于调制所说的任意一对镜片的压电陶瓷，用于各自接收该两干涉仪的干涉信号的两探测器及其后续放大、整流电路，用于测量该两干涉仪的干涉信号相位差的相位计，以及测量该激光器发出光的波长计和数据处理单元。该激光器发出光经第一个分光镜分为两路，反射光入射至波长计内；透射光又经第二个分光镜分为两束：一束光经反射后入射至A与B构成的双光束干涉仪，A、B面的反射光相干涉并沿原路返回，又经过第二个分光镜，其透射光信号由探测器接收；另一束光经必要的反射和第三个普通分光镜后入射至C与D构成的双光束干涉仪，C、D面的反射光相干涉并沿原路返回，又经第三个分光镜透射的部分由另一探测器接收，两个探测器接收到的干涉信号经放大、整形处理后送入相位计比相，所得数据经数据处理单元处理得到待测距离d。