本发明公开了一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法。单频激光器输出的光束经偏振片转换为45°线偏振光，射向由分光镜、电光相位调制器、二分之一玻片、三个角锥棱镜、两个偏振分光镜组成的两套正弦相位调制干涉仪，形成测量和参考干涉信号，两个光电探测器接收；两套干涉仪公共参考臂的电光相位调制器施加高频正弦电压信号，将干涉信号调制为高频交流信号；检测被测对象运动时两路干涉信号的相位变化量之差，得到被测位移。本发明通过正弦相位调制提高了干涉信号的抗干扰能力，采用差动光路消除了参考臂和部分测量臂的温度漂移和环境扰动误差，具有亚纳米级测量精度，适用于高端装备制造与精密测试计量领域的精密位移测量。
1.一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：包括单频激光器(1)、偏振片(2)、分光镜(3)、二分之一玻片(4)、电光相位调制器(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(7)、第二角锥棱镜(8)、第三角锥棱镜(9)、第二偏振分光镜(10)、第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)；单频激光器(1)输出的光束经偏振片(2)后转换为偏振方向与光束传播方向成45°的线偏振光射向分光镜(3)发生透射和反射：分光镜(3)的反射输出光束经二分之一玻片(4)后调制为s偏振光，经电光相位调制器(5)调制后射向第一角锥棱镜(6)发生折返反射，第一角锥棱镜(6)反射的光束再次经过二分之一玻片(4)后变成
45°线偏振光并射向分光镜(3)发生透射；分光镜(3)的透射输出光束射向第一偏振分光镜(7)发生反射和透射分别分为s偏振和p偏振的两束正交线偏振光束，经第一偏振分光棱镜(7)反射的s偏振光束射向第二角锥棱镜(8)发生折返反射，经第一偏振分光棱镜(7)透射的p偏振光束射向第三角锥棱镜(9)发生折返反射，第二角锥棱镜(8)反射的s偏振光束和第三角锥棱镜(9)反射的p偏振光束回到第一偏振分光棱镜(7)处并汇合为一束正交线偏振光入射到分光镜(3)发生反射；经二分之一玻片(4)返回的45°线偏振光束与第一偏振分光棱镜(7)返回的正交线偏振光束在分光镜(3)处合束，其中45°线偏振光束的s偏振分量和正交线偏振光束的s偏振光产生干涉形成s偏振干涉信号，45°线偏振光束的p偏振分量和正交线偏振光束的p偏振光产生干涉形成p偏振干涉信号，s偏振干涉信号作为参考干涉信号经第二偏振分光镜(10)反射后由第一光电探测器(11)接收，p偏振干涉信号作为测量干涉信号经第二偏振分光镜(10)透射后由第二光电探测器(12)接收。
2.根据权利要求1所述的一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的偏振片(2)的偏振透射方向与光束传播方向成45°。
3.根据权利要求1所述的一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的二分之一玻片(4)的光轴与光束传播方向成22.5°。
4.根据权利要求1所述的一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置，其特征在于：所述的电光相位调制器(5)放置在二分之一玻片(4)和第一角锥棱镜(6)之间，调制的是射向第一角锥棱镜(6)的二分之一玻片(4)输出的s偏振光束，且电光相位调制器(5)的电场施加方向与s偏振光的偏振方向一致。
5.一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量方法，其特征在于：
方法采用权利要求1所述的测量装置，方法步骤如下：1)单频激光器(1)输出波长为λ的光束经偏振片(2)转换为偏振方向与光束传播方向成45°的线偏振光，分别射向由分光镜(3)、二分之一玻片(4)、电光相位调制器(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(7)和第二角锥棱镜(8)组成的参考正弦相位调制干涉仪和由分光镜(3)、二分之一玻片(4)、电光相位调制器(5)、第一角锥棱镜(6)、第一偏振分光镜(7)和第三角锥棱镜(9)组成的测量正弦相位调制干涉仪，分别形成参考干涉信号和测量干涉信号，经第二偏振分光镜(10)分光后由两个光电探测器(11、12)接收；
2)电光相位调制器(5)放置在正弦相位调制干涉仪的二分之一玻片(4)和第一角锥棱镜(6)之间，调制由二分之一玻片(4)出射、向第一角锥棱镜(6)入射的s偏振光束，对电光相位调制器(5)施加电场方向与s偏振光的偏振方向一致的高频正弦载波电压，将参考正弦相位调制干涉仪和测量正弦相位调制干涉仪的干涉信号调制为高频正弦载波交流干涉信号；
3)第三角锥棱镜(9)移动位移ΔL时，采用PGC相位解调方法获得参考干涉信号的相位变化量 和测量干涉信号的相位变化量 分别为：
式中：λ为激光波长，δLR为第三角锥棱镜(9)运动过程中温度漂移和环境扰动引起的分光镜(3)至第一角锥棱镜(6)之间的光程波动，δLM为第三角锥棱镜(9)运动过程中温度漂移和环境扰动引起的分光镜(3)至第一偏振分光镜(7)之间的光程波动；
4)通过计算测量干涉信号的相位变化量和参考干涉信号的相位变化量之差，再采用以下公式得到被测位移ΔL为：
差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及激光干涉位移测量方法及装置，尤其是涉及一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法，属于精密测量技术领域。
背景技术
[0002] 高精度的纳米位移测量在超精密加工、微电子制造以及精密测试计量等技术领域有着重要的应用。激光干涉测量技术因具有测量范围大、测量精度高和直接溯源至激光波长的特点，在高端制造、精密测量、大科学研究等领域广泛应用。根据干涉信号处理方式的不同，主要分为单频干涉技术、外差干涉技术和正弦相位调制干涉技术，单频干涉技术本质上是一种直流光强检测，直流光强漂移、对干涉条纹细分直接细分和干涉信号非正交等会引入较大的误差；外差干涉技术是一种交流探测，可以克服直流光强漂移的影响，但是由于存在频率混叠和偏振混叠等引起的一阶非线性误差，限制了测量精度的提高；正弦相位调制干涉技术将单频干涉的直流干涉信号调制为高频正弦载波及其各阶谐频信号的边带，可以提高干涉信号的抗干扰能力，但是受测量过程中干涉仪的参考臂和测量臂的温度变化和环境波动等影响，位移测量精度难以提高。
发明内容
[0003] 针对现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置及方法，同时构建两套正弦相位调制干涉仪，在两套干涉仪的公共参考臂中放置电光相位调制器，将两套干涉仪的直流干涉信号调制为高频正弦载波交流信号，通过解调计算两路干涉信号的相位变化量之差来获得被测位移，实现亚纳米级位移测量。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] 一、一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量装置：
[0006] 装置包括单频激光器、偏振片、分光镜、二分之一玻片、电光相位调制器、第一角锥棱镜、第一偏振分光镜、第二角锥棱镜、第三角锥棱镜、第二偏振分光镜、第一光电探测器和第二光电探测器；单频激光器输出的光束经偏振片后转换为偏振方向与光束传播方向成45°的线偏振光射向分光镜发生透射和反射：分光镜的反射输出光束经二分之一玻片后调制为s偏振光，经电光相位调制器调制后射向第一角锥棱镜发生折返反射，第一角锥棱镜反射的光束再次经过二分之一玻片后变成45°线偏振光并射向分光镜发生透射；分光镜的透射输出光束射向第一偏振分光镜发生反射和透射分别分为s偏振和p偏振的两束正交线偏振光束，经第一偏振分光棱镜反射的s偏振光束射向第二角锥棱镜发生折返反射，经第一偏振分光棱镜透射的p偏振光束射向第三角锥棱镜发生折返反射，第二角锥棱镜反射的s偏振光束和第三角锥棱镜反射的p偏振光束回到第一偏振分光棱镜处并汇合为一束正交线偏振光入射到分光镜发生反射；经二分之一玻片返回的45°线偏振光束与第一偏振分光棱镜返回的正交线偏振光束在分光镜处合束，其中45°线偏振光束的s偏振分量和正交线偏振光束的s偏振光产生干涉形成s偏振干涉信号，45°线偏振光束的p偏振分量和正交线偏振光束的p偏振光产生干涉形成p偏振干涉信号，s偏振干涉信号作为参考干涉信号经第二偏振分光镜反射后由第一光电探测器接收，p偏振干涉信号作为测量干涉信号经第二偏振分光镜透射后由第二光电探测器接收。
[0007] 所述的偏振片的偏振透射方向与光束传播方向成45°。
[0008] 所述的二分之一玻片的光轴与光束传播方向成22.5°。
[0009] 所述的电光相位调制器放置在二分之一玻片和第一角锥棱镜之间，调制的是射向第一角锥棱镜的二分之一玻片输出的s偏振光束，且电光相位调制器的电场施加方向与s偏振光的偏振方向一致。
[0010] 二、一种差动式正弦相位调制激光干涉纳米位移测量方法：
[0011] 1)单频激光器输出波长为λ的光束经偏振片转换为偏振方向与光束传播方向成45°的线偏振光，分别射向由分光镜、二分之一玻片、电光相位调制器、第一角锥棱镜、第一偏振分光镜和第二角锥棱镜组成的参考正弦相位调制干涉仪和由同一分光镜、二分之一玻片、电光相位调制器、第一角锥棱镜、第一偏振分光镜和不同的第三角锥棱镜组成的测量正弦相位调制干涉仪，分别形成参考干涉信号和测量干涉信号，经第二偏振分光镜分光后由两个光电探测器(11、12)接收；
[0012] 2)电光相位调制器放置在正弦相位调制干涉仪的二分之一玻片和第一角锥棱镜之间，调制由二分之一玻片出射、向第一角锥棱镜入射的s偏振光束，对电光相位调制器施加电场方向与s偏振光的偏振方向一致的高频正弦载波电压，将参考正弦相位调制干涉仪和测量正弦相位调制干涉仪的干涉信号调制为高频正弦载波交流干涉信号；
[0013] 3)第三角锥棱镜固定于待测物体上，第三角锥棱镜移动位移△L时，采用PGC相位解调方法获得参考干涉信号的相位变化量 和测量干涉信号的相位变化量 分别为：
[0014]
[0015]
[0016] 式中：λ为激光波长，δLR为第三角锥棱镜运动过程中温度漂移和环境扰动引起的分光镜至第一角锥棱镜之间的光程波动，δLM为第三角锥棱镜运动过程中温度漂移和环境扰动引起的分光镜至第一偏振分光镜之间的光程波动；
[0017] 4)通过计算测量干涉信号的相位变化量和参考干涉信号的相位变化量之差，再采用以下公式得到被测位移△L为：
[0018]
[0019] 至此求出第三角锥棱镜的运动位移。
[0020] 本发明具有的有益效果是：
[0021] (1)本发明中包含两套正弦相位调制干涉仪，通过在两套干涉仪公共参考臂中的电光相位调制器上施加高频正弦调制电压，将两套干涉仪的直流干涉信号调制为高频正弦载波交流干涉信号，提高了干涉信号的抗干扰能力。
[0022] (2)第三角锥棱镜运动时，检测测量干涉信号的相位变化量和参考干涉信号的相位变化量，计算两套干涉仪的两路干涉信号的相位变化量之差来获得被测位移，消除了温度漂移和环境扰动引入的误差，具有亚纳米级测量精度，可达到88pm左右的精度。
[0023] (3)光路结构简单，使用方便。本发明主要适用于超精密加工、微电子制造以及精密测试计量等领域所涉及的亚纳米级精度的位移测量。
附图说明
[0024] 图1是本发明装置和方法的原理图。
[0025] 图中：1、单频激光器，2、偏振片，3、分光镜，4、二分之一玻片，5、电光相位调制器，6、第一角锥棱镜，7、第一偏振分光镜，8、第二角锥棱镜，9、第三角锥棱镜，10、第二偏振分光镜，11、第一光电探测器，12、第二光电探测器。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
[0027] 如图1所示，本发明包括单频激光器1、偏振片2、分光镜3、二分之一玻片4、电光相位调制器5、第一角锥棱镜6、第一偏振分光镜7、第二角锥棱镜8、第三角锥棱镜9、第二偏振分光镜10、第一光电探测器11和第二光电探测器12；单频激光器1输出的光束经偏振片2后转换为偏振方向与光束传播方向成45°的线偏振光射向分光镜3发生透射和反射：分光镜3的反射输出光束经二分之一玻片4后调制为s偏振光，经电光相位调制器5调制后射向第一角锥棱镜6发生折返反射，第一角锥棱镜6反射的光束再次经过二分之一玻片4后变成45°线偏振光并射向分光镜3发生透射；分光镜3的透射输出光束射向第一偏振分光镜7发生反射和透射分别分为s偏振和p偏振的两束正交线偏振光束，经第一偏振分光棱镜7反射的s偏振光束射向第二角锥棱镜8发生折返反射，经第一偏振分光棱镜7透射的p偏振光束射向第三角锥棱镜9发生折返反射，第二角锥棱镜8反射的s偏振光束和第三角锥棱镜9反射的p偏振光束回到第一偏振分光棱镜7处并汇合为一束正交线偏振光入射到分光镜3发生反射；经二分之一玻片4返回的45°线偏振光束与第一偏振分光棱镜7返回的正交线偏振光束在分光镜3处合束，其中45°线偏振光束的s偏振分量和正交线偏振光束的s偏振光产生干涉形成s偏振干涉信号，45°线偏振光束的p偏振分量和正交线偏振光束的p偏振光产生干涉形成p偏振干涉信号，s偏振干涉信号作为参考干涉信号经第二偏振分光镜10反射后由第一光电探测器11接收，p偏振干涉信号作为测量干涉信号经第二偏振分光镜10透射后由第二光电探测器12接收。
[0028] 记分光镜3、二分之一玻片4、电光相位调制器5、第一角锥棱镜6、第一偏振分光镜7和第二角锥棱镜8组成的干涉仪为参考正弦相位调制干涉仪，记分光镜3、二分之一玻片4、电光相位调制器5、第一角锥棱镜6、第一偏振分光7和第三角锥棱镜9组成的干涉仪为测量正弦相位调制干涉仪；从图1中可以看出，分光镜3和第一角锥棱镜6之间的光路构成参考干涉仪和测量干涉仪的公共参考臂，分光镜3、第一偏振分光镜7和第二角锥棱镜8之间的光路构成参考干涉仪的测量臂，分光镜3、第一偏振分光镜7和第三角锥棱镜9之间的光路构成测量干涉仪的测量臂。
[0029] 由此构成两套干涉仪，利用电光相位调制器5将干涉仪的直流干涉信号调制为高频正弦载波交流信号，固定于待测对象上的第三角锥棱镜9运动时，带动测量干涉仪的相位发生了变化，检测两条干涉仪的相位变化量可更准确计算获得位移。
[0030] 偏振片2的偏振透射方向与光束传播方向成45°，二分之一玻片4的光轴与光束传播方向成22.5°。
[0031] 电光相位调制器5放置在二分之一玻片4和第一角锥棱镜6之间，调制的是射向第一角锥棱镜6的二分之一玻片4输出的s偏振光束，且电光相位调制器5的电场施加方向与s偏振光的偏振方向一致。
[0032] 本发明实施过程如下：
[0033] 记分光镜3、二分之一玻片4、电光相位调制器5、第一角锥棱镜6、第一偏振分光镜7和第二角锥棱镜组成的干涉仪为参考正弦相位调制干涉仪，记分光镜3、二分之一玻片4、电光相位调制器5、第一角锥棱镜6、第一偏振分光7和第三角锥棱镜9组成的干涉仪为测量正弦相位调制干涉仪；从图1中可以看出，分光镜3和第一角锥棱镜6之间的光路构成参考干涉仪和测量干涉仪的公共参考臂，分光镜3、第一偏振分光镜7和第二角锥棱镜8之间的光路构成参考干涉仪的测量臂，分光镜3、第一偏振分光镜7和第三角锥棱镜9之间的光路构成测量干涉仪的测量臂。
[0034] 测量开始时，记LCR为参考干涉仪和测量干涉仪的公共参考臂光程，LM1为参考干涉仪的测量臂光程，LM2为测量干涉仪的测量臂光程。当电光相位调制器5施加高频正弦电压时，两个探测器接收到的参考和测量干涉信号分别为：
[0035]
[0036]
[0037] 式中：S01、S11分别表示参考干涉信号的直流分量和交流分量幅度，S02、S12分别表示测量干涉信号的直流分量和交流分量幅度，λ为激光波长，ω为电光相位调制器5上施加的正弦电压的频率，z为正弦相位调制深度。
[0038] 从公式(1)和(2)可以看出，参考干涉信号和测量干涉信号被调制为高频正弦载波交流信号，采用PGC相位解调方法获得参考干涉信号的相位 和测量干涉信号的相位 分别为：
[0039]
[0040]
[0041] 第三角锥棱镜9移动位移△L，在此过程中，受温度漂移和环境扰动的影响，两套干涉仪的公共参考臂和测量臂光程会发生变化，记分光镜3至第一角锥棱镜6之间的光程波动δLR，记分光镜3至第一偏振分光镜7之间的光程波动δLM，则参考干涉信号和测量干涉信号的相位分别变为：
[0042]
[0043]
[0044] 此时两路干涉信号的相位变化量分别为：
[0045]
[0046]
[0047] 式中： 表示参考干涉信号的相位变化量， 表示测量干涉信号的相位变化量。
[0048] 则根据公式(7)和(8)，可得第三角锥棱镜9移动的位移△L为：
[0049]
[0050] 实施例中，激光光源为单频He-Ne稳频激光器，采用的是英国Renishaw公司的XL80型激光器，输出的线偏振光波长λ＝632.990577nm，电光相位调制器的调制频率为1MHz，光电探测器的带宽为10MHz，现有PGC相位解调技术一般能达到的相位解调精度为0.1°，由此代入上述公式(9)获得位移测量精度为88pm。
[0051] 至此由实施例可见，本发明方法构建了两套正弦相位调制干涉仪，在两套干涉仪的公共参考臂中放置电光相位调制器，将两套干涉仪的直流干涉信号调制为高频正弦载波交流信号，提高了干涉信号的抗干扰能力；构建的参考干涉仪的相位变化表征了测量过程中温度漂移和环境扰动引起的干涉仪参考臂和部分测量臂的光程波动，通过计算两路干涉信号的相位变化量之差来获得被测位移，消除了温度漂移和环境扰动引入的误差，实现了亚纳米级测量精度。
[0052] 上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
