專利名稱：旋轉干涉儀的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及干涉儀，更具體地，涉及測量物體角位移的旋轉干涉儀。
背景技術：
干涉儀在19世紀末就已廣為人知，名義上由阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜(A.A.MichelS0n)于1881年發明。邁克爾遜的干涉儀設計有助于推翻“以太”(luminiferousaether)的存在，憑借此設計邁克爾遜于1907年贏得了諾貝爾物理獎。 隨著貝爾實驗室(Bell Labs)的Ali Javan.ffilliam Bennet Jr和Donald Herriot于 1960 年發明連續波氦氖激光器(continuous-wave HeNe laser)，邁克爾遜干涉儀已經成為用于精確地測量大范圍值上的物體位移的主要裝置和方法。線性干涉儀圖1示出了基于邁克爾遜設計的常規線性干涉儀。光發射器100包括用于發出相干激光束102的激光器101。光束通過法拉第隔離器(Faraday isolator) 103以阻止不需要的反饋進入激光腔的光學振蕩器。發出的光束150在與圖的平面成45度角偏振。光束行進到相位檢測器200，不加改變地通過分束棱鏡201，并從檢測器200出射，成為激光束151。然后，光束進入相移器300，在其中45度偏振光束151通過偏振分束器301分為兩個分束152和153。垂直偏振激光束152從偏振分束器301出射，并從固定參考回射器303 反射。同時，光束的水平偏振分量從偏振分束器301出射，成為激光束153，并水平行進以被線性可移動回射器302反射。因此，分束主要產生兩個光束。第一光束152用作參考光束，第二光束153用作測量光束。當可移動測量回射器302如下面描述的那樣從初始方向移動以在光束之間引起可檢測的相移時，參考光束和測量光束經過的路程的相對長度改變。回射器的特性是進入回射器底座的任意光束沿著與入射光束精確平行但是側向移動的路徑離開回射器。光束的離開點以及由此的側向位移量在圓形的回射器面上與進入點具有相同徑向距離，但是旋轉了 180度。回射器可有效地接納任意入射光模式，將其循環旋轉180度，并在與進入光束完全相同的方向上返回光束。離開回射器303之后，垂直偏振光束IM返回偏振分束器301，在此光束再次被反射，并作為光束156的一部分返回檢測器200。同時，從線性可移動回射器302離開之后，水平偏振光束155向回通過偏振分束器 301，并與來自回射器303的垂直偏振光束重組以形成復偏振光束156。因為回射器302能水平移動(309)，所以相對于參考光束，測量光束必須穿過的距離能夠改變。因此，從回射器302返回的光束155相對于來自參考回射器303的光束IM 能具有附加的相位延遲。正是相位延遲的這種變化使得能夠進行距離測量。在偏振分束器301處，兩個光束1M-155組合以具有相同的光路。因為光束 154-155具有互相正交的偏振，即垂直對水平，所以光束不相交。組合光束156然后返回檢測器200，進入分束器201，在分束器201處光束被反射到分束器202。不使用未從分束器 201反射的光束117。 來自分束器202的反射光束158由反射棱鏡203完全反射為光束159，并且該反射光束通過45度偏振器206，變為光束160。因為偏振器使穿過光束的波函數坍縮 (collapse)，所以光束的光子不再垂直或水平偏振，而是現在所有光子都具有45度偏振因為光束現在共享相同的偏振，光束160展示出干涉效應，也稱為“干涉條紋”，隨著回射器302移動來改變路程長度而表現為光束的正弦亮暗。光電二極管208將光束160 的能量轉換為電信號，該電信號可被放大并測量為線性位移。離開分束器202的未反射光束161通過四分之一波片204。四分之一波片包含各向異性光學材料，例如云母或應力聚苯乙烯，隨著變化的偏振展示變化的折射率。特別地， 為特定波長λ設計的完美四分之一波片將在波片的相對于光束的一個偏振旋轉處具有最小(理想為零)相位延遲，并且當光束垂直于零相位延遲方向偏振時具有最大(理想地，恰好為λ /4)相位延遲。四分之一波片204使偏振中的一個延遲λ /4，形成90度相移光束162。光束162 然后通過45度偏振器205，該45度偏振器205類似于偏振器206，使光束偏振坍縮到45度以形成光束163。光束163的分量部分現在共享相同的偏振，并且同樣地，展示干涉條紋。 這些條紋由光電二極管207檢測以生成第二電信號。來自光電二極管207和208的兩個電信號是具有由四分之一波片204生成的90 度的相對相角的正弦曲線。對這兩個正弦曲線的平均值進行閾值判斷。所得的脈沖序列用作到正交計數器(未示出)的正交信號，來有效測量移動回射器302時的線性位移309。旋轉干涉儀圖2Α-2Β示出了使用旋轉位移而非線性位移的常規的、現有技術的旋轉干涉儀。 圖2Α是細節，圖2Β概括了主要光學特性。發射器100、檢測器200以及激光束150到162與圖1相同。相移器300具有在可旋轉移動的聯動裝置304上的可旋轉測量回射器302。當聯動裝置304沿弧線305旋轉通過某一位移時，測量回射器302隨著聯動裝置移動，并在激光束153產生的光束155中產生相位差異，如圖1所示的那樣，但是現在測量角位移。然而，該常規配置存在一些問題。質量和角慣量首先，可旋轉測量回射器302和聯動裝置具有很大的質量。對于輕量、快速移動機機構，例如安裝在光學檢流計上的激光束定向器反射鏡，回射器的重量能大于所有其它光學組件的質量。附加的質量相當大地干擾了系統動態，還降低了激光束定向器的最大回轉速度。范圍其次，系統能操作的角位移305是有限的，這是因為可旋轉回射器在與移動軸平行的路程上返回光束。如果弧線305的高度317大于激光束156的直徑，則沒有激光束返回檢測器200，角位移305的測量變得不可能。期望減小旋轉干涉儀的重量并增加其角度范圍。
發明內容
本發明實施方式提供了一種測量可旋轉物體的角位移的旋轉干涉儀。相比于現有技術，該干涉儀大幅減小了旋轉干涉儀的重量和角慣量。此外，該干涉儀具有比常規干涉儀大幅增加的角位移范圍。實施方式使用需要測量角位移的可旋轉物體上的拋光平反射面，而非使用可旋轉回射器和聯動裝置。如果物體不反光，該面還可以是設置在物體表面上的小的平面鏡。使用固定的角反射器來以與測量出的可旋轉物體的角度的正切成正比的比率產生條紋。
圖1是現有技術的線性干涉儀的示意圖。圖2A-2B是現有技術的旋轉干涉儀的示意圖。圖3A-3D是根據本發明實施方式的旋轉干涉儀的示意圖。圖4是圖3D的干涉儀的俯視示意圖。圖5是圖3D的干涉儀的等軸測圖(isometric view)示意圖。
具體實施例方式圖3A-3D示出了根據本發明實施方式的旋轉干涉儀。圖3A和圖概述了圖3C 和圖3D所示的干涉儀的主要基本細節。發射器100與圖1-2所示的相同。擴束器在圖3C中，相位檢測器200具有可選的激光擴束器210。擴束器增加了光束直徑， 得到了更寬的相干激光束163。如下面所描述的，通過擴展光束，增加了能測量角位移的范圍。擴束器可以是具有一個負透鏡和一個正透鏡的伽利略望遠鏡(feilileantelescope)，或具有一對正透鏡的開普勒望遠鏡Ofeplerian telescope)。擴展光束163繼續，成為通過第一分束器201的擴展光束151。可旋轉反射面不像現有技術中那樣使用設置在聯動裝置304上的重量級旋轉測量回射器302。 相反，使用插入在擴大光束153的路路上的可旋轉反射面306，使擴大光束153作為擴大光束165轉向到固定測量回射器302。反射面可以是要測量角位移的物體的拋光表面。如果表面不反光，則可以在表面上設置反射鏡。如本文定義的，可旋轉表面被配置為沿弧線移動角位移307。回射器302將擴大光束165作為擴大光束164返回到可旋轉反射面306。反射面 306沿著與擴大光束155相同的路徑反射回擴大光束164。擴大光束IM和155用交叉偏振合并為擴大光束156。擴大光束156從分束器201 反射成為擴大光束166。如果使用擴束器210，則擴大光束166通過可選光圈板212中的孔213，成為直徑減小的光束157。光圈板使光束在進入擴束器之前減小到其原有直徑。如對于圖1所描述的那樣，光束157傳播通過相位檢測器200的剩余部分，以測量角位移。
因為通過擴束器210增加了用于檢測的光束的直徑，所以反射面反射鏡306能在返回感應擴大光束155之前旋轉通過較大的角度，而不會交疊。結果，與現有技術相比，能測量的角度更大。此外，反射面306可以是需要測量角位移的物體的拋光、鍍鋁、鍍銀或其它反射部分，因此，沒有增加物體的總質量或角慣量。在使用本發明測量光束定向光學檢流計的位置的優選實現中，反射鏡306是與最終光束定向反射鏡相同的反射鏡，因此總質量或角慣量保持與不具有干涉測量旋轉的能力的光束定向光學檢流計恰好相同。四程光學組件圖3D示出了本發明的另選實施方式。發射器100和相位檢測器200與上面對圖 2A和2B描述的相同。然而，通過使用四程(four-pass)光學組件350改變了相移器300， 圖4示出了簡略形式，圖5示出了細節。如圖3D所示，四程光學組件350內的光束模式使用可旋轉反射面306、固定回射器 302和固定平面鏡308，產生不會通過可旋轉反射面306的大的角位移307而在位置上顯著偏離的返回光束155。圖4和圖5示出了四程光學組件350的細節。圖4示出了四程光學組件350的俯視圖。圖5示出了四程光學組件350的等軸測圖。下面的描述適用圖4。來自偏振分束器301的光束153與圖的平面平行地進入四程光學組件350，并記為光束351。光束351從旋轉反射鏡306向下反射為光束352，如圖4末端所示。光束352進入回射器302，并在內部反射為光束353，光束353反射到回射器外面成為光束354，如圖4末端所示。注意，光束352相對于回射器302中心的位移導致光束3M 從回射器302中心的相等并相反的位移。光束3M從回射器302出射，并從可旋轉反射面306反射，形成光束355。光束355 從固定平面鏡308反射，形成光束356。因為回射器302的平行反射功能，光束355總是垂直于固定平面鏡308。反射光束356總是與入射光束355同軸，光束356按光束355的路線反向地折回。光束356從可旋轉反射面306反射，形成光束357，同樣，光束357沿光束3M的路線反向折回。光束357進入固定回射器302，在內部反射，形成光束358，同樣，光束358按光束353的路線反向折回。光束353在回射器302內部反射，形成光束359，同樣，光束359 沿光束352的路線反向折回。光束359從回射器302出射，并從旋轉反射鏡306反射，產生光束306，同樣光束306沿光束351的路線反向折回。然后，光束360從四程光學組件350出射，變成圖3D所示的光束155。光束155與圖3D所示的參考光束巧4組合以形成組合光束156，如上面對于圖1進行描述的那樣，組合光束156然后由相位檢測器200進行相位檢測，以測量角位移。利用圖4和圖5所示的配置，整個光束在可旋轉反射面306的很大角位移307上保持對齊。此外，因為光束對于隨著可旋轉反射面306的位置而變化的位移進行四次跨越， 具體為光路351、355、356和360，而不是如上面所描述的具體為光路153和155的路程的兩次穿過，所以圖4和圖5所描述的實施方式的靈敏度是現有技術或圖3A和圖3C的實施方
7式的兩倍。 盡管已經以優選實施方式為例描述了本發明，但將理解，在本發明的精神和范圍內可以作出各種其它改寫和修改。因此，所附權利要求的目的是涵蓋落入本發明真正精神和范圍內的所有這些變型和修改。
權利要求
1.一種用于對物體的角位移進行干涉測量的裝置，所述裝置包括 用于生成激光束的裝置；以及用于將所述激光束分為參考光束和測量光束的裝置，其中所述參考光束被導向固定參考回射器，然后導向相移檢測器，其中所述測量光束被導向所述物體的可旋轉反射面，然后導向固定測量回射器，然后回到所述可旋轉反射面，再然后導向所述相移檢測器，從而當所述可旋轉反射面移動時，所述測量光束的路程長度改變，所述相移檢測器測量所述可旋轉反射面的角位移。
2.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括 擴束器，所述擴束器放置在所述激光束的路程中。
3.如權利要求2所述的裝置，其中所述擴束器是具有一個負透鏡和一個正透鏡的伽利略望遠鏡。
4.如權利要求2所述的裝置，其中所述擴束器是具有一對正透鏡的開普勒望遠鏡。
5.如權利要求1所述的裝置，其中所述可旋轉反射面是所述物體的拋光表面。
6.如權利要求1所述的裝置，其中所述可旋轉反射面是設置在所述物體的表面上的反射鏡。
7.如權利要求1所述的裝置，其中所述位移是沿弧線的角位移。
8.如權利要求2所述的裝置，其中所述相移檢測器還包括 光圈板，所述光圈板放置在所述測量光束的路程中。
9.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括光學組件，所述光學組件放置在所述測量光束的路程中，以增大所述參考光束和所述測量光束之間的相移差。
10.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括多個反射光學組件，所述多個反射光學組件放置在所述測量光束的路徑中，以增大能測量的角度范圍。
11.如權利要求1所述的裝置，所述裝置還包括多個反射光學組件，所述多個反射光學組件放置在所述測量光束的路徑中，以增大由于所述可旋轉反射面的角度的給定變化導致的所述參考光束和所述測量光束之間的相移差。
12.一種用于對物體的角位移進行干涉測量的裝置，所述裝置包括 用于生成激光束的裝置；以及用于將所述激光束分為參考光束和測量光束的裝置，其中所述參考光束被導向固定參考回射器，然后導向相移檢測器，其中所述測量光束被導向所述物體的可旋轉反射面，然后導向固定測量回射器，然后回到所述可旋轉反射面，然后導向固定平面反射面，然后回到所述可旋轉反射面，然后回到所述固定測量回射器，然后回到所述可旋轉反射面，然后導向所述相移檢測器，從而當所述可旋轉反射面移動時，所述測量光束的路程長度改變，所述相移檢測器測量所述可旋轉反射面的角位移。
13.一種用于對物體的角位移進行干涉測量的方法，所述方法包括以下步驟 生成激光束；以及將所述激光束導向分束器，以產生參考光束和測量光束；將所述參考光束導向固定參考回射器，然后導向相移檢測器；以及將所述測量光束導向所述物體的可旋轉反射面，然后導向固定測量回射器，然后回到所述可旋轉反射面，然后導向所述相移檢測器，從而當所述可旋轉反射面移動時，所述測量光束的路程長度改變，所述相移檢測器測量所述可旋轉反射面的角位移。
14. 一種用于對物體的角位移進行干涉測量的方法，所述方法包括以下步驟 生成激光束；以及將所述激光束導向分束器，以產生參考光束和測量光束； 將所述參考光束導向固定參考回射器，然后導向相移檢測器；以及將所述測量光束導向所述物體的可旋轉反射面，然后導向固定測量回射器，然后回到所述可旋轉反射面，然后導向固定測量平面反射器，然后回到所述可旋轉反射面，然后回到所述固定測量回射器，然后回到所述可旋轉反射面，然后導向所述相移檢測器，從而當所述可旋轉反射面移動時，所述測量光束的路程長度改變，所述相移檢測器測量所述可旋轉反射面的角位移。
全文摘要
本發明涉及旋轉干涉儀。通過將激光束分為參考光束和測量光束來干涉測量物體的角位移。所述參考光束被導向固定參考回射器，然后導向相移檢測器。所述測量光束被導向所述物體的可旋轉反射面，然后導向固定測量回射器，然后回到所述可旋轉反射面，然后導向所述相移檢測器，從而當所述可旋轉反射面移動時，所述測量光束的路程長度改變，所述相移檢測器測量所述可旋轉反射面的角位移。
文檔編號G01B11/26GK102162723SQ201010610340
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月28日 優先權日2009年12月30日
發明者威廉·S·葉拉茲尼斯, 理查德·C·沃特斯 申請人:三菱電機株式會社