共光路差分干涉位移测量系统及方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN113237427A(43)申请公布日2021.08.10(21)申请号202110526074.9(22)申请日2021.05.14(71)申请人清华大学地址100084北京市海淀区清华园(72)发明人张鸣叶伟楠朱煜王磊杰成荣郭子文李鑫(74)专利代理机构北京鸿元知识产权代理有限公司11327代理人董永辉曹素云(51)Int.Cl.G01B11/02(2006.01)G01D5/353(2006.01)权利要求书2页说明书9页附图4页(54)发明名称共光路差分干涉位移测量系统及方法(57)摘要本发明公开一种共光路差分干涉位移测量系统及方法，系统包括相干光源，用于发出两束相干的激光，所述激光为一束测量臂和一束参考臂；位移元件，用于将待测物理量转换为测量臂沿基准光栅矢量方向的光平移量；合束元件，用于将测量臂与参考臂合束；基准光栅，用于使位移后的测量臂产生衍射多普勒效应，将测量臂与参考臂合束产生的干涉信号分为多路以作差分；相位探测元件，用于干涉信号的探测及相位计算。位移测量系统中，多路干涉信号相位的差分可以消除合束元件之前的环境扰动误差，而合束后的环境扰动误差可以通过测量臂与参考臂的共光路干涉来互消，使测量结果完全不受环境扰动的影响，位移测量精度极高，特别适用于非真空环境中的高精度测量。CN113237427ACN113237427A权利要求书1/2页1.一种共光路差分干涉位移测量系统，其特征在于，包括：相干光源(1)，用于发出两束相干涉的激光，作为相互干涉的合束前测量臂和合束前参考臂，并使得合束前参考臂进入合束元件，以及合束前测量臂传输至位移元件；位移元件(2)，用于接收所述合束前测量臂，并使得所述合束前测量臂转变光路进入合束元件，并使得位移元件的待测物理量转换为转变光路后测量臂沿基准光栅矢量方向的光平移量；合束元件(3)，用于接收合束前参考臂和转变光路后测量臂，并将转变光路后测量臂与合束前参考臂合束为合束后测量臂和合束后参考臂；基准光栅(4)，用于接收从合束元件出来的合束后参考臂和合束后测量臂，使合束后测量臂产生衍射多普勒效应，并将合束后测量臂和合束后参考臂衍射分束为多路干涉信号；相位探测元件(5)，用于探测所述多路干涉信号，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，并利用所述相位变化计算获得所述光平移量，从而由所述光平移量根据光路几何关系计算得到所述待测物理量。2.根据权利要求1所述的共光路差分干涉位移测量系统，其特征在于，所述相干光源(1)是零差单频光源、外差双频光源中的一种，其输出方式是空间光输出、光纤耦合输出中的一种。3.根据权利要求1所述的共光路差分干涉位移测量系统，其特征在于，所述位移元件(2)是反射元件、透射元件、衍射元件中的任一种。4.根据权利要求1所述的共光路差分干涉位移测量系统，其特征在于，所述合束元件(3)是分束镜、光栅中任一种。5.根据权利要求4所述的共光路差分干涉位移测量系统，其特征在于，所述合束元件(3)和基准光栅(4)共用同一块光栅。6.根据权利要求1所述的共光路差分干涉位移测量系统，其特征在于，所述相位探测元件(5)是零差相位探测系统或外差相位探测系统，所述相位探测元件采用光纤耦合器、光纤纤芯、光电探测器中的任一种接收干涉信号，且所述相位探测元件(5)的干涉信号接收器件的尺寸小于合束后测量臂和合束后参考臂形成的光束直径，使得仅探测共光路的干涉信号。7.一种共光路差分干涉位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：利用相干光源发出两束相干涉的激光，分别作为相互干涉的合束前测量臂和合束前参考臂，所述合束前参考臂进入合束元件，所述合束前测量臂经过位移元件转变光路后进入合束元件，转变光路后测量臂与所述合束前参考臂在合束元件中合束出来形成合束后测量臂和合束后参考臂，合束后测量臂和合束后参考臂沿相同光路传输至基准光栅，并经基准光栅衍射分束为多路干涉信号；通过位移元件的移动将位移元件的待测物理量转换为转变光路后测量臂沿基准光栅的矢量方向的光平移量；通过相位探测元件探测所述多路干涉信号，通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化，并利用所述相位变化计算获得所述光平移量，从而根据光路几何关系计算得到所述待测物理量。8.根据权利要求7所述的共光路差分干涉位移测量方法，其特征在于，2CN113237427A权利要求书2/2页通过多路干涉信号相位的差分获取衍射多普勒效应引起的相位变化的公式包括：是第一干涉信号产生的相位变化；是第二干涉信号产生的相位变化；是测量臂在合束前、合束后的相位变化之和；是参考臂的合束前、合束后的相位变化之和；是合束前测量臂因环境扰动引起的相位变化；是合束前参考臂因环境扰动引起的相位变化；合