[发明专利]激光干涉游标卡尺

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体上是属于激光测距技术领域。

背景技术

目前的长度精确测量工具，常见的有游标卡尺和螺旋测微器。游标卡尺可测内外径、长度及深度，测量方便，但读数较为麻烦，市面上最精密的游标卡尺也只能精确到0.02mm；螺旋测微器可精确到0.01mm，但量程太短，且只能测外径和长度。市面上缺少一种使用及读数方便且测量精度小于1微米的长度测量工具。

目前国内激光测距装置相关专利文献如下：

公开号为CN104976957A的专利公布了一种激光卡尺，其原理也是用激光干涉测量，但其装置只能测长度和外径，且没有说明如何获得干涉条纹变化数量信息；

公开号为CN205484802U的专利公布了一种激光测距游标卡尺，其原理是利用飞秒计时器来计时，用光速乘时间来测距。其测量精度主要取决于飞秒计时器，但常见的飞秒计时器只能达到几十到上百飞秒的计时精度，实际应用中会比其理论上的精度差上一个数量级，实际误差会在1微米以上。

发明内容

本发明提供一种利用相干光源的干涉来测量长度的测量工具，可测长度、内外径以及深度，其测量精度可小于1微米。

本发明所采用的技术方案是：

其组成部件包括干涉模块、卡尺模块、光电计数及显示模块。干涉模块参照迈克尔逊干涉仪，可分为由激光器及扩束镜组成的激光源模块、分光镜、两个平面反射镜，这其中，有一个反射镜固定在卡尺本体带测量爪的头部，其余部件均固定在游标尺上；卡尺模块包括卡尺本体和游标尺，二者头部分布有测内外径的两对测量爪，在游标尺的背面则与深度尺固定在一起；光电计数及显示模块固定在游标尺上，包括电源、显示器、可逆光电计数器及相关处理电路。

可选的，干涉模块的平面反射镜可用全反射棱镜替代。

可选的，固定在游标尺上的反射镜可以和分光镜对应位置结合，一种方案是在分光镜的对应反射镜的那一面镀银，作为反射镜。这样做的好处是元件更少，可以把干涉模块做的更小、更加稳定。

下面结合附图详述本发明的技术方案及原理，但附图示例并不限制本发明的保护范围。

图1是激光干涉游标卡尺结构示意图。图1中，平面镜1和2、分光镜3、激光器及扩束镜4组成迈克尔逊干涉模块；光电计数及显示模块5由可逆光电计数器、相关数据处理电路、显示屏及电源组成；卡尺本体6、游标尺7以及二者上面的两对测量爪、深度尺8组成卡尺模块。其中，平面镜1固定在卡尺本体6的头部；平面镜2、分光镜3、激光器及扩束镜4、光电计数及显示模块5固定在游标尺7上。分光镜可用两个直角棱镜拼合成的立方体分光镜，激光器可用常见的氦氖激光器或波长更短的氩激光器等，扩束镜可用凸透镜。

图1中虚线代表激光束。从激光器发出的激光经过凸透镜扩束，进入分光镜3中，在分光镜的分光面上发生反射和透射，形成反射光和透射光两束相干光。其中，反射光进入平面镜2，反射后重新进入分光镜，并发生透射，光线被光电计数及显示模块5中的可逆计数器接收；透射光经过平面镜1的反射，重新进入分光镜，并在分光镜的分光面发生反射，最终同样被可逆计数器接收。这样反射光和透射光就在可逆计数器上形成干涉条纹，由于激光之前经过凸透镜扩束，形成圆锥形的光束，因此干涉条纹是等倾干涉条纹。

上述反射光，由于平面镜2与分光镜3、激光器及扩束镜7均固定在游标尺上，相对位置不变，因此反射光的光程不会发生变化，作为参考光；上述透射光，由于平面镜1固定在卡尺本体6上，只要游标尺6发生移动，其光程就会发生变化，变化的光程为游标尺移动距离的2倍，因此可作为测量光测量游标尺移动距离。这样，一旦游标尺发生移动，测量光的光程就会发生变化，引起干涉条纹的变化；干涉条纹亮暗每变化一次，就说明测量光与参考光之间的光程差变化一个波长；可逆光电计数器可根据条纹移动方向来增减计数，用光电计数器测算亮暗条纹移动的次数，即可获得游标尺移动的距离数据。若激光的波长为λ，光电计数器的计数为n，则待测长度l=n*λ/2，其精确度为λ/2。如果用波长632.8nm的氦氖激光，则精度为316.4nm，约0.3微米；如果采用波长更短的激光，则测量结果会更精确。

使用本发明的卡尺进行测量时，先把游标尺推到最左端，光电计数器数据清零并打开激光器，注意测量过程中不要遮挡从激光器到平面镜1的激光，然后把游标尺卡紧测量物体，即可从显示屏上读出测量结果。

因此，本发明的有益效果是：测量精度高，小于0.5微米；适用范围广，有测量爪和深度尺，适合测长度、内外径以及深度；操作及读数简单，可直接从显示屏读取测量结果；量程可根据选用的卡尺本体长度灵活调整。