高精度大量程激光位移測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種位移測量裝置，特別是一種高精度大量程激光位移測量裝 置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在精密機械設(shè)計和材料研制等分析過程中，零部件的位移、振動振幅和振動頻率、 變形、材料的熱膨脹系數(shù)等數(shù)據(jù)的采集成為分析的關(guān)鍵。而現(xiàn)有的位移測量系統(tǒng)，一般都是 精度高則量程短，量程大則精度低，波形匹配好其精度高但運算時間長響應(yīng)慢，響應(yīng)快則精 度低，不能滿足現(xiàn)代化分析的需要。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實用新型要解決的技術(shù)問題是:提供一種精度高、量程大且響應(yīng)快的高精度大 量程激光位移測量裝置。
[0004] 解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:一種高精度大量程激光位移測量裝置，包括激 光發(fā)射裝置、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、第=分光棱鏡、第四分光棱鏡、第一反射鏡、第 二反射鏡、第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組、第一光電接收裝置、第二光電接收 裝置、驅(qū)動器;其中：
[0005] 所述的激光發(fā)射裝置發(fā)射出的激光光路上設(shè)置第一分光棱鏡，第一分光棱鏡的分 光光路包括分光光路A、分光光路B;所述的分光光路A上設(shè)置第二分光棱鏡，第二分光棱鏡 的分光光路包括分光光路C、分光光路D;所述的分光光路C上設(shè)有光學(xué)諧振腔，該光學(xué)諧振 腔由第一反射鏡、第二反射鏡構(gòu)成;光學(xué)諧振腔之后設(shè)置有所述的第一光電接收裝置;第二 分光棱鏡的分光光路D上設(shè)置有所述的第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組，第一直 角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組的一端與第一反射鏡、第二反射鏡固定連接，第一直角 反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組的另一端與驅(qū)動器連接，第一直角反射棱鏡組、第二直角 反射棱鏡組的反射光回射到第二分光棱鏡形成分光光路F，第二分光棱鏡的分光光路F上設(shè) 有所述的第=分光棱鏡;所述的第一分光棱鏡的分光光路B上設(shè)置第四分光棱鏡，第四分光 棱鏡的分光光路E上設(shè)置有直角反射鏡，直角反射鏡的反射光進入第=分光棱鏡，第=分光 棱鏡的分光光路G上設(shè)有所述的第二光電接收裝置;所述的驅(qū)動器包括驅(qū)動件、粘接游動 塊、補償塊、固定塊，所述的游動塊和固定塊分別粘接在驅(qū)動件的兩端，固定塊與補償塊粘 接，補償塊與驅(qū)動件之間留有間隙，補償塊與游動塊分別與第一直角反射棱鏡組、第二直角 反射棱鏡組固定連接。
[0006] 本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述的第一分光棱鏡包括直角棱鏡I和直角棱 鏡n，直角棱鏡I和直角棱鏡n的斜面粘合在一起;所述的第二分光棱鏡包括直角棱鏡虹和 直角棱鏡IV，直角棱鏡虹和直角棱鏡IV的斜面粘合在一起，且直角棱鏡虹和直角棱鏡IV相 對的直角面平行。
[0007] 本實用新型的再進一步技術(shù)方案是:所述的直角棱鏡m在其直角面處設(shè)有光吸收 及漫反射層I，直角棱鏡IV在直角面處設(shè)有光吸收及漫反射層n。
[0008] 本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述的第一反射鏡在靠近第二反射鏡一側(cè)鍛履 有反射膜;所述的第二反射鏡在靠近第一反射鏡一側(cè)鍛履有反射膜。
[0009] 本實用新型的再進一步技術(shù)方案是:所述的激光發(fā)射裝置的光譜寬度為Ao~An;所 述的第一反射鏡在光譜寬度~的光束中對光譜寬度、~Aj的波長反射率為90~99%;所 述的第二反射鏡在光譜寬度如~的光束中對光譜寬度、~Aj的波長反射率為90~99%。
[0010] 本實用新型的再進一步技術(shù)方案是:所述的第一光電接收裝置用于對波長、~Aj 光束的能量進行分析，并計算出第一反射鏡和第二反射鏡的距離;所述的第二光電接收裝 置，用于對不同波長Ao~An的光束能量進行分析，并分析出光能量最強的波長。
[0011] 本實用新型的進一步技術(shù)方案是:所述的第一直角反射棱鏡組包括一個利用斜面 對光產(chǎn)生反射的直角棱鏡V，多個利用兩直角面對光產(chǎn)生反射的標準直角棱鏡VI;所述的 第二直角反射棱鏡組包括一個利用直角面對光產(chǎn)生反射的小直角棱鏡、多個利用兩直角面 對光產(chǎn)生反射的標準直角棱鏡W。
[0012] 本實用新型的再進一步技術(shù)方案是:所述的小直角棱鏡的直角面面積是標準直角 棱鏡VD直角面面積的0.3~0.8倍。
[0013] 本實用新型的再進一步技術(shù)方案是:所述的第=分光棱鏡包括直角棱鏡M和直角 棱鏡K，直角棱鏡M和直角棱鏡K的斜面粘合在一起，且彼此相對的直角面平行;所述的直 角棱鏡K直角面處設(shè)有光吸收及漫反射層m。
[0014] 本實用新型的再進一步技術(shù)方案是:所述的第四分光棱鏡由四塊同樣的直角棱鏡 X彼此直角面膠合組成的正方形，其中直角棱鏡X斜面上設(shè)有光吸收及漫反射層IV，該第 四分光棱鏡隨被測直線移動物體一起移動。
[0015] 由于采用上述結(jié)構(gòu)，本實用新型之高精度大量程激光位移測量裝置與現(xiàn)有技術(shù)相 比，具有W下有益效果：
[0016] 1.可實現(xiàn)對位移的精密測量：
[0017] 由于本實用新型包括激光發(fā)射裝置、第一分光棱鏡、第二分光棱鏡、第=分光棱 鏡、第四分光棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組、 第一光電接收裝置、第二光電接收裝置、驅(qū)動器。當(dāng)被測件未移動時，分光棱鏡組與被測件 相接觸，系統(tǒng)開啟后，驅(qū)動器開始沿光路方向高頻伸縮變化，使第一反射鏡和第一直角反射 棱鏡組相對于第二反射鏡和第一直角反射棱鏡組之間的距離產(chǎn)生變化。激光發(fā)射裝置發(fā)射 出的光束由第一分光棱鏡分開后，分為測量光束a和掃描光束b，測量光束a和掃描光束b經(jīng) 過一系列傳播最后分別變?yōu)楣馐鴊和光束j，當(dāng)光束g和光束j最后到達第二光電接收裝置的 光程相當(dāng)時，使第二光電接收裝置顯示為光束g和光束j產(chǎn)生干設(shè)光能量最強值，即激光發(fā) 射裝置發(fā)出的所有光譜Ao~An的光能量都為最強，此時記錄第一光電接收裝置給出的第一 反射鏡、第二反射鏡的距離；當(dāng)?shù)谒姆止饫忡R隨被測物體沿掃描光束b傳播方向移動距離X 時，驅(qū)動器持續(xù)高頻伸縮，總有一刻能使得激光發(fā)射裝置發(fā)出的激光經(jīng)第一分光棱鏡分開 后的兩束光線最后到達第二光電接收裝置的光程相等，使第二光電接收裝置顯示為光束g 和光束j產(chǎn)生干設(shè)光能量最強值，記錄此時第一光電接收裝置給出的第一反射鏡、第二反射 鏡的距離，通過腔長變化即可計算出被測物位移。因此，本實用新型從初始未產(chǎn)生位移開始 工作，直至被測件直線位移停止，測量出被測件位移，從而可實現(xiàn)對位移的精密測量，還可 W測量振動的振幅和頻率、位移過程中的速率變化。
[001引 2.精度高：
[0019] 本實用新型利用分離光波振幅方法對一束光均勻分成兩束，當(dāng)兩支光束在達到干 設(shè)條件時，且經(jīng)過的光程相等時，干設(shè)能量會達到極值，利用此原理，當(dāng)一束光(測量光束a) 的光程(從光源發(fā)出至接收器接收）隨著被測件相對較慢的速度變化時，另一束光（掃描光 束b)的光程較快的交替變化(頻率不變），總有一刻使測量光束a和掃描光束b的光程相等。
[0020] 本實用新型中，測量光束a的光程是:光束從激光發(fā)射裝置發(fā)出經(jīng)過第一分光棱鏡 后，分為測量光束a開始經(jīng)第二分光棱鏡、第一直角反射棱鏡組、第二直角反射棱鏡組、第= 分光棱鏡等，最后至第二光電接收裝置所經(jīng)過的光程。
[0021 ]掃描光束b的光程是:光束從激光發(fā)射裝置發(fā)出經(jīng)過第一分光棱鏡后，分為掃描光 束b開始經(jīng)第四分光棱鏡組、直角反射鏡、第=分光棱鏡，最后至第二光電接收裝置所經(jīng)過 的光程。
[0022] 當(dāng)被測件在位置Ol時，測量光束a的光程為hi，掃描光束b的光程在hi ± Ahi變化， 當(dāng)測量光束和掃描光束光程都為h時，兩束光產(chǎn)生干設(shè)能量最強，被第二光電接收裝置檢測 并分析，記錄掃描光束的光程，記錄驅(qū)動掃描光束部件的位置。
[0023] 當(dāng)被測件在位置02時，測量光束光程變?yōu)閔i+Ahi，掃描光束光程繼續(xù)反復(fù)變化，當(dāng) 掃描光束的光程與測量光束的光程再次相等時，兩束光產(chǎn)生干設(shè)能量再次達到最強，被接 收器接收并再次記錄掃描光束的光程，通過前后兩次記錄掃描光束光程差值即可得出被測 件的位移變化。若是利用寬光譜a〇~An),則各個波長能量皆為干設(shè)最大值時為兩束光的光 程為相等。因此，本實用新型的波長越短a〇越?。?，光譜越寬(Ao~An范圍越大），則測量精度 越局。
[0024] 此外，本實用新型對光偏振不敏感，接收光波段波長最短，精度比較穩(wěn)定，從而進 一步提高了測量精度。
[00巧]3.量程大：
[0026] 本實用新型是利用光學(xué)諧振腔(法布里巧羅腔)對波長選擇性透過的特性，通過對 透射光波長的分析，可W得到腔長。當(dāng)腔長變化時，透射波長隨之產(chǎn)生變化，接收器檢測并 分析透射波長可得出腔長變化量。
[0027] 諧振腔內(nèi)可接收光譜范圍、~Aj)越窄，波長越長(Al越大），其最小腔長h'越長，腔 長可變化范圍AK Ah含5 h'）越大，從而測量范圍越大，另外增加第一直角反射棱鏡組和 第二直角反射棱鏡組中的標準直角棱鏡數(shù)量可W增加測量范圍。因此，本實用新型的測量 范圍可根據(jù)要求制定，其測量范圍L為:0~10 (2N+1化'，式中N為第一直角反射棱鏡組和第 二直角反射棱鏡組中各自標準直角棱鏡的個數(shù)，測量精度8:0. l*A〇,其量程大，跨越量級 大，可從nm級跨越至m級。
[002引 4.響應(yīng)快：
[0029] 本實用新型采用折疊光路方法使其結(jié)構(gòu)緊湊，不通過對光波譜型分析而只需分析 能量最大的波長值，因此避免軟件匹配波形時出現(xiàn)的誤差，同時減少運算量，可大大提高系 統(tǒng)的響應(yīng)時間。
[0030] 下面，結(jié)合附圖和實施例對本實用新型之高精度大量程激光位移測量裝置的技術(shù) 特征作進一步的說明。
【附圖說明】

[0031] 圖1:本實用新型之高精度大量程激光位移測量裝置的結(jié)構(gòu)原理圖，
[0032] 圖2:第一分光棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0033] 圖3:第二分光棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0034] 圖4:第一反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0035] 圖5:第二反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0036] 圖6:第一直角反射棱鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0037] 圖7:第二直角反射棱鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0038] 圖8:第S分光棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0039] 圖9:第四分光棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0040] 圖10:驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0041 ]圖11:初始測量的能量一波長圖，
[0042] 圖12:初始測量的損耗一波長圖，
[0043] 圖13:被測件產(chǎn)生位移的能量一波長圖，
[0044] 圖14:被測件產(chǎn)生位移的損耗一波長圖，
[0045] 圖15:諧振腔透射光能量一波長圖，
[0046] 圖16:腔長增加1皿透射光波長前后對比局部圖，
[0047] 圖17:腔長增加 Ium透射光波長前峰值捕捉數(shù)據(jù)圖，
[004引圖18:腔長增加1皿透射光波長后峰值捕捉數(shù)據(jù)圖，
[0049] 圖19:諧振腔腔長為6 h' =46.8皿時透射光能量一波長分布圖。
[0050] 在上述附圖中，各標記說明如下：
[0051] 1-激光發(fā)射裝置，
[0052] 2-第一分光棱鏡，201-直角棱鏡1,202-直角棱鏡n，
[0化3] 3-第二分光棱鏡，301-直角棱鏡虹，302-直角棱鏡IV，
[0054] 303-光吸收及漫反射層n ,304-光吸收及漫反射層I，
[0055] 4-第一反射鏡，5-第二反射鏡，6-第一光電接收裝置，
[0化6] 7-第一直角反射棱鏡組，701-直角棱鏡V ,702-直角棱鏡VI，
[0057] 8-第二直角反射棱鏡組，801-直角棱鏡VD ,802-小直角棱鏡，
[005引9-第S分光棱鏡，901-直角棱鏡M ,902-直角棱鏡K，903-光吸收及漫反射層虹， [0化9] 10-第四分光棱鏡，1001-直角棱鏡X ,1002-光吸收及漫反射層IV，
[0060] 11-直角反射鏡，12-第二光電接收裝置，
[0061 ] 13-驅(qū)動器，1301-驅(qū)動件，1302-粘接游動塊，1303-補償塊，1304-固定塊。
【具體實施方式】 [006^ 實施例一.
[0063] -種高精度大量程激光位移測量裝置，包括激光發(fā)射裝置1、第一分光棱鏡2、第二 分光棱鏡3、第=分光棱鏡9、第四分光棱鏡10、第一反射鏡4、第二反射鏡5、第一直角反射棱 鏡組7、第二直角反射棱鏡組8、第一光電接收裝置6、第二光電接收裝置12、驅(qū)動器13;
[0064] 所述的激光發(fā)射裝置I發(fā)射出的激光光路上設(shè)置第一分光棱鏡2,第一分光棱鏡2 的分光光路包括分光光路A、分光光路B;所述的分光光路A上設(shè)置第二分光棱鏡3，第二分光 棱鏡3的分光光路包括分光光路C、分光光路D;所述的分光光路C上設(shè)有光學(xué)諧振腔，該光學(xué) 諧振腔由第一反射鏡4、第二反射鏡5構(gòu)成;光學(xué)諧振腔之后設(shè)置有所述的第一光電接收裝 置6;第二分光棱鏡3的分光光路D上設(shè)置有所述的第一直角反射棱鏡組7、第二直角反射棱 鏡組8,第一直角反射棱鏡組7、第二直角反射棱鏡組8的一端與第一反射鏡4、第二反射鏡5 固定連接，第一直角反射棱鏡組7、第二直角反射棱鏡組8的另一端與驅(qū)動器13連接，第一直 角反射棱鏡組7、第二直角反射棱鏡組8的反射光回射到第二分光棱鏡3形成分光光路F，第 二分光棱鏡3的分光光路F上設(shè)有所述的第=分光棱鏡9;所述的第一分光棱鏡2的分光光路 B上設(shè)置第四分光棱鏡10,第四分光棱鏡10的分光光路e上設(shè)置有直角反射鏡11，直角反射 鏡11的反射光進入第=分光棱鏡9,第=分光棱鏡9的分光光路G上設(shè)有所述的第二光電接 收裝置12。
[0065] 所述的激光發(fā)射裝置1可W發(fā)出一定光能量的寬光譜激光，其光譜寬度為Ao~An， Ao 二O.lum，、!二2um。
[0066] 所述的第一分光棱鏡2包括直角棱鏡1201和直角棱鏡11202,直角棱鏡1201和直角 棱鏡n 202的斜面粘合在一起，且保證彼此相對的直角面平行。該第一分光棱鏡2對激光發(fā) 射裝置1發(fā)出的寬光譜激光分成兩支光束一一測量光束a和掃描光束b，且兩支光束的能量 相等。
[0067] 所述的第二分光棱鏡3包括直角棱鏡虹301和直角棱鏡IV302,直角棱鏡虹301和直 角棱鏡IV302的斜面粘合在一起，且直角棱鏡虹301和直角棱鏡IV302相對的直角面平行。該 第二分光棱鏡3對測量光束a分成光束C和光束d，且光束C和光束d的能量相等。
[0068] 所述的直角棱鏡虹301在其直角面處設(shè)有光吸收及漫反射層1304,光吸收及漫反 射層1304在不遮擋光束f的前提下對光束C'進行吸收和漫反射(光束C'由第一反射鏡4和第 二反射鏡5組成的光學(xué)諧振腔產(chǎn)生，在經(jīng)過第二分光棱鏡3分離后出現(xiàn)的），直角棱鏡IV302 在直角面處貼有光吸收及漫反射層n 303，光吸收及漫反射層n 303在不遮擋測量光束a的 前提下對光束f'進行吸收和漫反射(光束f'由光束d經(jīng)過多次反射后由第二分光棱鏡3分離 后出現(xiàn)的）。
[0069] 所述的第一反射鏡4在靠近第二反射鏡5-側(cè)鍛履有反射膜;該第一反射鏡4在光 譜寬度如~的光束中對光譜寬度、~Aj的波長反射率為90~99%。
[0070] 所述的第二反射鏡5在靠近第一反射鏡4 一側(cè)鍛履有反射膜，該第二反射鏡5在光 譜寬度~的光束中對光譜寬度、~Aj的波長反射率為90~99%，所述的、~Aj為0.2~ 0.4皿。
[0071] 所述的第一光電接收裝置6用于對波長、~光束的能量進行分析，并計算出第一 反射鏡4和第二反射鏡5的距離，對波長、~外光束不進行分析和計算；
[0072] 所述的第一直角反射棱鏡組7包括一個利用斜面對光產(chǎn)生反射的直角棱鏡V701、 N個利用兩直角面對光產(chǎn)生反射的標準直角棱鏡VI702,該第一直角反射棱鏡組7與直角反 射棱鏡組8同時對光束d進行多次反射，并在不同的位置把光束d反射回第二分光棱鏡3。
[0073] 所述的第二直角反射棱鏡組8包括一個利用直角面對光產(chǎn)生反射的小直角棱鏡 802、N個利用兩直角面對光產(chǎn)生反射的標準直角棱鏡W801。所述的小直角棱鏡802的直角 面面積是標準直角棱鏡VII801直角面面積的0.5倍。該第二直角反射棱鏡組8與直角反射棱 鏡組7同時對光束d進行多次反射，并在不同的位置把光束d反射回第二分光棱鏡3;上述的N
[0074] 所述的第=分光棱鏡9包括直角棱鏡VDI901和直角棱鏡K902,直角棱鏡VDI901和直 角棱鏡K902的斜面粘合在一起，且彼此相對的直角面平行;所述的直角棱鏡K902直角面 處貼有光吸收及漫反射層虹903。第=分光棱鏡9對進入其內(nèi)的光束f和光束e'分成兩支重 疊在一起的光束g和光束j，且光束g和光束j的能量相等;光吸收及漫反射層虹903對光束e' 進行吸收和漫反射(光束e'由光束e經(jīng)直角反射鏡11直角面反射后進入第=分光棱鏡9分離 后出現(xiàn)的）；
[0075] 所述的第四分光棱鏡10由四塊同樣的直角棱鏡X 1001彼此直角面膠合組成的正 方形，其中直角棱鏡XlOOl斜面上設(shè)有光吸收及漫反射層IV1002,分別吸收掃描光束b經(jīng)過 分光棱鏡組10內(nèi)部的交界面產(chǎn)生的透射和反射光束，該第四分光棱鏡10隨被測直線移動物 體一致移動。
[0076] 所述的直角反射鏡11，在斜面處對光束可W進行全反射。
[0077] 所述的第二光電接收裝置12,用于對不同波長Ao~An的光束能量進行分析，并分析 出光能量最強的波長。
[0078] 所述的驅(qū)動器13包括驅(qū)動件1301、粘接游動塊1302、補償塊1303、固定塊1304,所 述的游動塊1302和固定塊1304分別粘接在驅(qū)動件1301的兩端，固定塊1304與補償塊1303粘 接，補償塊1303與驅(qū)動件1301之間留有間隙，補償塊1303與游動塊1302分別與第一直角反 射棱鏡組7、第二直角反射棱鏡組8固定連接。
[0079] 本驅(qū)動器13在通電時可伸長，放電時可回到原始長度，收縮時不可使第一反射鏡4 與第二反射鏡5接觸或碰撞，不可使第一直角反射棱鏡組7和第二直角反射棱鏡組8接觸或 碰撞，驅(qū)動器13的左端固定，當(dāng)驅(qū)動件1301高頻伸縮時，浮動塊1302帶動第二反射鏡5和第 二直角反射棱鏡組8持續(xù)高頻的沿光束C傳播方向左右運動，驅(qū)動件1301的伸縮量Ah不超 過最小腔長h'的5倍，即Ah含化'，第一反射鏡4和第二反射鏡5之間的距離與第一直角反射 棱鏡組7和第二直角反射棱鏡組8之間的距離相等，稱為腔長h，h必須大于最小腔長h'。且第 一反射鏡4與第一直角反射棱鏡組7為固定組不移動，第二反射鏡5與第二直角反射棱鏡組8 為同步移動組沿光束C方向左右移動。
[0080] 最小腔長h'：為保證第一電接收裝置6對激光發(fā)射裝置1發(fā)射的寬光譜光束不同波 長(Ao~An)范圍內(nèi)，掃描時可W測得至少2個波長光強為最大值，通過運2個波長的長度和之 間譜線距離反算出此時的腔長，因此只有在第一反射鏡4和第二反射鏡5之間的距離h大于 最小腔長h '時可進行測量，
>
[0081 ]光學(xué)諧振腔腔長h，為保證測量光學(xué)諧振腔腔長，且保證第一光電接收裝置6對光 束的掃描識別，腔長h范圍為h' <h<1.5 h'。
[0082]本實用新型是利用光學(xué)諧振腔(法布里巧羅腔)對波長選擇性透過的特性，通過對 透射光波長的分析，可W得到腔長。當(dāng)腔長變化時，透射波長隨之產(chǎn)生變化，接收器檢測并 分析透射波長可得出腔長變化量。
[008；3]諧振腔內(nèi)可接收光譜范圍（、~Aj)越窄，波長越長(Al越大），其最小腔長h'越長， 腔長可變化范圍AK Ah含5 h'）越大，從而測量范圍越大，另外增加第一直角反射棱鏡組7 和第二直角反射棱鏡組8中的標準直角棱鏡數(shù)量可W增加測量范圍（但過多會影響測量精 度，即諧振腔位移精度與標準直角棱鏡數(shù)量的乘積大于0.1倍最小波長A〇)。測量范圍L為:0 ~10 (2N+1化'，式中N為第一直角反射棱鏡組和第二直角反射棱鏡組中各自標準直角棱鏡 的個數(shù)，測量精度S: 0. l*A〇，量程大，跨越量級大，可從nm級跨越至m級。其原理如下：
[0084] 假設(shè)光源采用紫外波段(IOOnm~400nm，A〇 =IOOnm, An=400nm)的光譜范圍，被測件 相對較慢的速度產(chǎn)生直線位時移進行測量，因此有光能量函數(shù)式：
[0085]
[0086]
---干設(shè)光的能量相對值，歸一化。（測量光束a和掃描光束b兩束光 疊加干設(shè)后能達到的最強光能量為最大值，最弱光能量為0)
[0087] n-介質(zhì)折射率，真空或氣體中值約為1;
[008引 h-掃描光束A與測量光束B之間的光程差，um;
[0089] Ah廣被測物位移產(chǎn)生的光差，um;
[0090] A-波長,um;
[0091] 當(dāng)掃描光束a與測量光束b之間的光程差相等時，目化=0,能量一波長圖像為圖11 所示。從圖11中可W看出，被測件未產(chǎn)生位移時，當(dāng)掃描光束a與測量光束b之間的光程差相 等時，波長IOOnm~400nm之間的光能量都為干設(shè)能量的最大值。
[0092] 如果使用光功率計歸零后測試，則光能量歸一化后看其衰減值(損耗值）
[0093]
[0094] 干設(shè)光的能量損耗值，DB;
[00M]損耗一波長圖像為圖12所示。
[0096] 當(dāng)被測件產(chǎn)生位移X使測量光束b光程產(chǎn)生微小光程變量Ahi=O. Olum=IOnm時 (按系統(tǒng)預(yù)設(shè)Ahi=O. Uo),此時當(dāng)掃描光束a再W初始光程來干設(shè)時，能量一波長圖像為圖 13所示。從圖13中可W看出，短波長處，尤其在波長0. lum(=100nm)處，干設(shè)光能量未達到最 大值，只有90%左右。
[0097] 如果使用光功率計測試，得損耗-波長圖像為圖14所示。
[0098] 普通功率計精度在-0 . IDB，因此可W明顯發(fā)現(xiàn)測量光束a和掃描光束b的光程不 同，因此測量位移精度高于0. Uo。而Ao越小測量精度越高。
[0099] 當(dāng)測量光束a和掃描光束b的光程相等，如圖11和圖12情況時，第二光電接收裝置 12發(fā)出信號，此時由第一光電接收裝置6記錄光學(xué)諧振腔的腔長和時間。當(dāng)物體移動時，使 測量光束b光程產(chǎn)生微小變化，而較快往復(fù)運動的驅(qū)動器13再次使測量光束a的光程等于掃 描光束b的光程，再記錄此時光學(xué)諧振腔的腔長和時間，通過前后對照，可得出物體的位移 及隨時間變化的情況。
[0100] 當(dāng)光束C(設(shè)波長為IOOnm~400nm)進入由第一反射鏡4和第二反射鏡5構(gòu)成的光學(xué) 諧振腔中，而光學(xué)諧振腔選擇性透過較為窄的波長范圍（350~400nm)。
[0101] 現(xiàn)今光波測量精度0.04pm，系統(tǒng)取測量精度1pm，即最大光能量波長產(chǎn)生大于Ipm 變化時第一光電接收裝置6可測得并分析出。
[0102] 光學(xué)諧振腔透射光能量函數(shù)式：
[0103]
[0104] 侶化義)_諧振腔透射光能量；
[01化]h-諧振腔腔長值，皿；
[0106] Ah-諧振腔腔長變化值，um;
[0107] 1-光波波長，皿；
[0108] R一諧振腔反射率；
[0109] n-介質(zhì)折射率，真空或氣體中值約為1。
[0110] 由于有最小腔長h'的要求，選擇透射光波的波長范圍(、~Aj)后即可得出：
[0111]
[0112] 假設(shè)諧振腔選擇透過波長為380nm~400nm(、=380nm，Aj=400)，貝化' =7.8um，若采 用最小腔長為諧振腔腔長(h'=h)，透射光能量一波長圖像為圖15所示。
[0113] 注:若腔長在h' <h< 1.5 h'，可通過相鄰?fù)干涔獠ㄩL(入1，入2)得出腔長值。
[0114]
[0115] 當(dāng)腔長有變化值(Ah)時，透射光波長產(chǎn)生變化，假設(shè)腔長增加 Inm，則前后對比透 射波長漂移圖像如圖16所示。對其圖像峰值捕捉得變化前的譜線Pl和變化后的譜線P2的峰 值波長分別為圖像圖17、圖18所示。
[0116] 由圖17、圖18可得出當(dāng)諧振腔長增加 Ium時，透射光中屯、波長漂移0 . OOOOSum= 0.05nm=50pm，遠大于系統(tǒng)所取的測量精度1pm，系統(tǒng)足W測得。
[0117] 當(dāng)Ah = S h '時，此時為系統(tǒng)所設(shè)定的腔長最大h= h ' + Ah=6 h ' =6 X 7 . Sum= 46.8皿，透過諧振腔的能量-波長圖像為圖19所示。
[0118] 此時通過相鄰波峰中屯、波長之間距離譽為0.0 Ol皿=lnm=1000pm> 1pm，
[0119] 注:理論上諧振腔長仍可W繼續(xù)擴大，但實際中由于諧振腔過長難W保證兩平面 反射鏡反射面平行，因此系統(tǒng)取保守值(Ah=S h'）。
[0120] 腔長變化值為Ah=S h'，因此驅(qū)動器13伸長值應(yīng)等于5 h'，驅(qū)動器同步帶動第二 直角反射掠鏡紐8族動相對笠一官值巧射掠鏡紐7有5 h'的位移變化，因此量程L為：
[0121]
[0122] 2N-標準直角棱鏡VI702和標準直角棱鏡VII801的總數(shù)量，
[0123] h'一諧振腔最小腔長，
[0124] 由量程公式得，當(dāng)N的數(shù)量增加時，系統(tǒng)測量范圍L等比例增加，最小腔長值h'越大 則測量范圍L越大。
[0125] 本實用新型的測量原理：
[0126] 當(dāng)光線由激光發(fā)射裝置1發(fā)射由第一分光棱鏡2分開后，分為測量光束a和掃描光 束b，其中測量光束a經(jīng)過第二分光棱鏡3后分成光束C和光束d，光束C進入由第一反射鏡4和 第二反射鏡5組成的光學(xué)諧振腔，光束C經(jīng)過諧振多次反射后透射到第一光電接收裝置6,得 出第一反射鏡4和第二反射鏡5之間的距離。光束d進入第一直角反射棱鏡組7和第二直角反 射棱鏡組8,經(jīng)過多次反射后回到第二分光棱鏡3后變?yōu)楣馐鴉，光束f經(jīng)過第=分光棱鏡9后 變?yōu)楣馐鴊。掃描光束b經(jīng)過第四分光棱鏡組10后變?yōu)楣馐鴈，光束e經(jīng)過直角反射鏡11后再 進入第=分光棱鏡9變?yōu)楣馐鴍，此時光束g和光束j產(chǎn)生的干設(shè)圖譜的波長和中屯、光能量由 第二光電接收裝置12進行接收和處理，并分析和繪制光能量的變化圖。
[0127] ①當(dāng)被測件未移動時，第四分光棱鏡組10與被測件相接處，系統(tǒng)未開啟時，第二反 射鏡5和第二直角反射棱鏡組8相對于第一反射鏡4和第一角反射棱鏡組7之間的距離為h。 系統(tǒng)開啟后，驅(qū)動器13開始沿光路方向高頻伸縮變化，使第二反射鏡5和第二直角反射棱鏡 組8相對于第一反射鏡4和第一直角反射棱鏡組7之間的距離產(chǎn)生Ah的變化，即距離變?yōu)閔+ Aho
[0128] 當(dāng)光線由激光發(fā)射裝置1發(fā)射由第一分光棱鏡2分開后，分為測量光束a和掃描光 束b，測量光束a、掃描光束b經(jīng)過一系列傳播最后分別變?yōu)楣馐鴊和光束j經(jīng)過的光程相當(dāng) 時，激光發(fā)射裝置1發(fā)出的所有光譜Ao~An在第二光電接收裝置12顯示為光束g和光束j產(chǎn)生 干設(shè)光能量最強值，即所有波長的光能量都為最強，此時記錄第一光電接收裝置6給出的第 一反射鏡4和第二反射鏡5的距離h"。
[0129] ②當(dāng)?shù)谒姆止饫忡R組10隨被測物體沿掃描光束b傳播方向移動距離X時，驅(qū)動器13 持續(xù)高頻伸縮，總能使得由激光發(fā)射裝置1發(fā)出的激光經(jīng)第一分光棱鏡2分開后的2束光線 最后到達第二光電接收裝置12的光程相等，使第二光電接收裝置12顯示為光束g和光束j產(chǎn) 生干設(shè)光能量最強值，記錄此時第一光電接收裝置6給出的第一射鏡4和第二反射鏡5的距 離h"+Ah"，此時2x=2 X (2N+1) X Ah"，N為第一直角反射棱鏡組和第二直角反射棱鏡組中 各自標準直角棱鏡的個數(shù)。通過腔長變化Ah"計算出被測物位移X。
【主權(quán)項】
1. 一種高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:包括激光發(fā)射裝置（1)、第一分 光棱鏡(2)、第二分光棱鏡(3)、第三分光棱鏡(9)、第四分光棱鏡(10)、第一反射鏡(4)、第二 反射鏡(5)、第一直角反射棱鏡組(7)、第二直角反射棱鏡組(8)、第一光電接收裝置(6)、第 二光電接收裝置(12)、驅(qū)動器(13);其中： 所述的激光發(fā)射裝置（1)發(fā)射出的激光光路上設(shè)置第一分光棱鏡（2)，第一分光棱鏡 (2)的分光光路包括分光光路A、分光光路B;所述的分光光路A上設(shè)置第二分光棱鏡(3)，第 二分光棱鏡(3)的分光光路包括分光光路C、分光光路D;所述的分光光路C上設(shè)有光學(xué)諧振 腔，該光學(xué)諧振腔由第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)構(gòu)成;光學(xué)諧振腔之后設(shè)置有所述的第 一光電接收裝置(6);第二分光棱鏡(3)的分光光路D上設(shè)置有所述的第一直角反射棱鏡組 (7 )、第二直角反射棱鏡組(8 )，第一直角反射棱鏡組(7 )、第二直角反射棱鏡組(8 )的一端與 第一反射鏡(4)、第二反射鏡(5)固定連接，第一直角反射棱鏡組(7)、第二直角反射棱鏡組 (8)的另一端與驅(qū)動器（13)連接，第一直角反射棱鏡組(7)、第二直角反射棱鏡組(8)的反射 光回射到第二分光棱鏡(3)形成分光光路F，第二分光棱鏡(3)的分光光路F上設(shè)有所述的第 三分光棱鏡(9);所述的第一分光棱鏡(2)的分光光路B上設(shè)置第四分光棱鏡（10)，第四分光 棱鏡（10)的分光光路E上設(shè)置有直角反射鏡（11 )，直角反射鏡（11)的反射光進入第三分光 棱鏡(9)，第三分光棱鏡(9)的分光光路G上設(shè)有所述的第二光電接收裝置(12);所述的驅(qū)動 器（13)包括驅(qū)動件（1301)、粘接游動塊（1302)、補償塊（1303)、固定塊（1304)，所述的游動 塊（1302)和固定塊（1304)分別粘接在驅(qū)動件（1301)的兩端，固定塊（1304)與補償塊（1303) 粘接，補償塊（1303)與驅(qū)動件（1301)之間留有間隙，補償塊（1303)與游動塊（1302)分別與 第一直角反射棱鏡組(7)、第二直角反射棱鏡組(8)固定連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的第一分 光棱鏡（2)包括直角棱鏡1(201)和直角棱鏡Π (202)，直角棱鏡1(201)和直角棱鏡Π (202) 的斜面粘合在一起;所述的第二分光棱鏡(3)包括直角棱鏡ΠΚ301)和直角棱鏡IV(302)，直 角棱鏡ΠΚ301)和直角棱鏡IV(302)的斜面粘合在一起，且直角棱鏡ΠΚ301)和直角棱鏡IV (302)相對的直角面平行。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的直角棱 鏡ΠΚ301)在其直角面處設(shè)有光吸收及漫反射層1(304)，直角棱鏡IV(302)在直角面處設(shè)有 光吸收及漫反射層Π ( 303)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的第一反 射鏡(4)在靠近第二反射鏡(5)-側(cè)鍍履有反射膜;所述的第二反射鏡(5)在靠近第一反射 鏡(4) 一側(cè)鍍履有反射膜。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的激光發(fā) 射裝置（1)的光譜寬度為λ〇~λη;所述的第一反射鏡(4)在光譜寬度λ〇~/"的光束中對光譜 寬度λ?~λ」的波長反射率為90~99%;所述的第二反射鏡(5)在光譜寬度λ〇~λ η的光束中對 光譜寬度λ?~λ」的波長反射率為90~99%。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的第一光 電接收裝置(6)用于對波長光束的能量進行分析，并計算出第一反射鏡(4)和第二反 射鏡(5)的距離;所述的第二光電接收裝置，用于對不同波長λ〇~λ η的光束能量進行分析，并 分析出光能量最強的波長。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的第一直 角反射棱鏡組(7)包括一個利用斜面對光產(chǎn)生反射的直角棱鏡V(701)，多個利用兩直角面 對光產(chǎn)生反射的標準直角棱鏡VI( 702);所述的第二直角反射棱鏡組(8)包括一個利用直角 面對光產(chǎn)生反射的小直角棱鏡(802)、多個利用兩直角面對光產(chǎn)生反射的標準直角棱鏡VII (801)〇8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的小直角 棱鏡(802)的直角面面積是標準直角棱鏡W(801)直角面面積的0.3~0.8倍。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征在于:所述的第三分 光棱鏡（9)包括直角棱鏡ΥΠΚ901)和直角棱鏡Κ(902)，直角棱鏡ΥΠΚ901)和直角棱鏡IX (902)的斜面粘合在一起，且彼此相對的直角面平行;所述的直角棱鏡Κ(902)直角面處設(shè) 有光吸收及漫反射層ΠΚ 903)。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至9任一權(quán)利要求所述的高精度大量程激光位移測量裝置，其特征 在于:所述的第四分光棱鏡（10)由四塊同樣的直角棱鏡X(lOOl)彼此直角面膠合組成的正 方形，其中直角棱鏡X( 1001)斜面上設(shè)有光吸收及漫反射層IV( 1002)，該第四分光棱鏡 (10)隨被測直線移動物體一起移動。
【專利摘要】一種高精度大量程激光位移測量裝置，涉及一種位移測量裝置，在激光發(fā)射裝置的光路上設(shè)置第一分光棱鏡，第一分光棱鏡的分光光路A上設(shè)置第二分光棱鏡，第二分光棱鏡的分光光路C上設(shè)有光學(xué)諧振腔、第一光電接收裝置；分光光路D上設(shè)置第一、二直角反射棱鏡組，該反射棱鏡組的一端與第一、二反射鏡連接，另一端與驅(qū)動器連接，其反射光回到第二分光棱鏡形成分光光路F，分光光路F上設(shè)有第三分光棱鏡；分光光路B上設(shè)置第四分光棱鏡，第四分光棱鏡的分光光路E上設(shè)置直角反射鏡，其反射光進入第三分光棱鏡，第三分光棱鏡的分光光路G上設(shè)置第二光電接收裝置。本實用新型的測量精度高，量程大，可從nm級跨越至m級，還可大大提高系統(tǒng)的響應(yīng)時間。
【IPC分類】G01P3/36, G01B11/02, G01H9/00
【公開號】CN205383991
【申請?zhí)枴緾N201620076875
【發(fā)明人】林澎, 孫榮敏, 楊靈敏, 于瑛, 傅勝華, 黃艷, 韋家見, 張禹, 潘俊, 盧燦
【申請人】廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院
【公開日】2016年7月13日
【申請日】2016年1月27日