專利名稱：一種使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種距離測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
雙頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)才艮據(jù)光學(xué)干涉原理，通過光學(xué)和電子細(xì)分技術(shù)，可 以進(jìn)行高速高精密的位移測(cè)量，如果與不同的附件組合，還可以進(jìn)行長度、速 度、角度、平面度、直線度等測(cè)量，具有測(cè)量范圍大、分辨率高、精度高等優(yōu) 勢(shì)。作為一種超精密的非接觸式測(cè)量設(shè)備，激光干涉測(cè)量系統(tǒng)在半導(dǎo)體制造、 精密機(jī)床加工、軍事航天、汽車制造、坐標(biāo)測(cè)量等領(lǐng)域都具有非常廣泛的用途。
盡管雙頻激光干涉儀可以達(dá)到納米甚至亞納米的分辨率，但它的測(cè)量精度 卻受很多因素的影響，如環(huán)境誤差、余弦誤差、阿貝誤差等，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量時(shí) 達(dá)到的精度常常是微米量級(jí)，甚至更差。這其中，環(huán)境誤差又是影響測(cè)量精度 的最主要因素。
環(huán)境誤差產(chǎn)生的原因在于測(cè)量光路上空氣折射率在不斷波動(dòng)。由于雙頻干 涉測(cè)量給出的是干涉儀參考臂與移動(dòng)臂之間的光程差，因此其物理路徑長度是 光程除以光束通過路徑上空氣的平均折射率。在實(shí)際應(yīng)用中，沿測(cè)量路徑的空 氣折射率經(jīng)常會(huì)因溫度、壓力以及氣流的波動(dòng)(尤其在運(yùn)動(dòng)臺(tái)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)) 而變化，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)誤差。必須對(duì)此加以實(shí)時(shí)補(bǔ)償修正，以滿足超精密 測(cè)量應(yīng)用的需求。
目前， 一種補(bǔ)償方法是利用專門研制的環(huán)境補(bǔ)償儀器，如Agilent公司的差 分折射率計(jì)(也稱為wavelength tracker) 10717A,但價(jià)格昂貴；另外一種方法 是根據(jù)測(cè)得的環(huán)境溫度、濕度和壓力值，通過埃德勒(Edlen)公式實(shí)時(shí)計(jì)算波 長變化情況，但該公式本身就是一種近似算法，應(yīng)用時(shí)也往往采用它的簡化形 式，以避免復(fù)雜的計(jì)算，這就不可避免的會(huì)引入系統(tǒng)誤差，另外，這種方法的 溫度壓力值的測(cè)量更新往往是以秒為單位進(jìn)行的，屬"半實(shí)時(shí)"校正方法，且對(duì)測(cè)量光路中的空氣擾動(dòng)無能為力；還有一種方法是通過同時(shí)測(cè)量沿測(cè)量路徑 行進(jìn)方向的聲速來確定環(huán)境的影響，如文獻(xiàn)"改善激光干涉儀的測(cè)量的方法"(專 利申請(qǐng)?zhí)朇N99814090.2)，但這種方法無疑增大了設(shè)備成本；另外一種與此類似 的方法是通過測(cè)量兩個(gè)或多個(gè)波長的光程長度求出折射率，如專利"補(bǔ)償空氣 擾動(dòng)的雙波長外差干涉儀的結(jié)構(gòu)"(申請(qǐng)?zhí)朇N99118742.3),但是這種方法需要 兩個(gè)分開很遠(yuǎn)的測(cè)量波長(通常是倍數(shù)關(guān)系)，對(duì)激光器提出了新的要求。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量 系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)完成環(huán)境誤差的校正，對(duì)激光器波長不穩(wěn)定引起的漂移也具 有很好的補(bǔ)償效果進(jìn)行補(bǔ)償。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻 干涉測(cè)量系統(tǒng)，其包括激光器、測(cè)量干涉儀、被測(cè)物體、第一光電接收元件、 第一計(jì)數(shù)電路，該激光器發(fā)出的光束進(jìn)入該測(cè)量干涉儀后照射該被測(cè)物體反射 回到該測(cè)量干涉儀，經(jīng)過該測(cè)量干涉儀的干涉的光束經(jīng)該第一光電接收元件轉(zhuǎn) 換后進(jìn)入該第一計(jì)數(shù)電路，該激光器、測(cè)量干涉儀、第一光電接收元件、第一 計(jì)數(shù)電路構(gòu)成測(cè)量光^各。
該使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)還包括補(bǔ)償分光鏡、 補(bǔ)償干涉儀參考鏡、第二光電接收元件、第二計(jì)數(shù)電路和環(huán)境補(bǔ)償電路，該補(bǔ) 償分光鏡將測(cè)量光束分出一部分進(jìn)入該補(bǔ)償干涉儀后經(jīng)過該參考鏡的反射回到 該補(bǔ)償干涉儀，經(jīng)過該補(bǔ)償干涉儀的干涉光束經(jīng)該第二光電接收元件轉(zhuǎn)換后進(jìn) 入該第二計(jì)數(shù)電路，該第一計(jì)數(shù)電路和該第二計(jì)數(shù)電路的輸出信號(hào)輸入該環(huán)境
補(bǔ)償電路。
該從補(bǔ)償干涉儀到該參考鏡的傳播介質(zhì)與該從測(cè)量千涉儀到該被測(cè)物體的
傳播介質(zhì)相同。
該從補(bǔ)償干涉儀到該參考鏡的路徑長度固定。
該補(bǔ)償干涉儀為單軸干涉儀。該補(bǔ)償干涉儀可以是差分干涉儀，也可以是 平鏡千涉儀，還可以是線性千涉儀。
該測(cè)量系統(tǒng)中，還可以加入與該測(cè)量光路相同的用于測(cè)量的干涉光路。 可以在該補(bǔ)償分光鏡分出的光路上加入反射鏡調(diào)整補(bǔ)償光路的方向。 本發(fā)明所提供的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)，只需 要在傳統(tǒng)的雙頻干涉測(cè)量的基礎(chǔ)上增加一個(gè)干涉儀和相關(guān)的接收元件即可，無 需其它的額外設(shè)備，使用筒單，計(jì)算方便，費(fèi)用低廉，實(shí)時(shí)性好，且對(duì)激光器 頻差不穩(wěn)定所引起的穩(wěn)頻誤差也具有良好的補(bǔ)償效果。
圖1為本發(fā)明的^f吏用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超^^密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)原理圖； 圖2為本發(fā)明的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密三軸雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)原 理附圖中1、氦氖激光器；2、補(bǔ)償分光鏡；3、測(cè)量干涉儀；4、被測(cè)物體； 5、第一光電接收元件；6、反光鏡；7、補(bǔ)償干涉儀；8、參考鏡；9、第二光電 接收元件；10、第一計(jì)數(shù)電路；11、第二計(jì)數(shù)電路；12、環(huán)境補(bǔ)償電路；13、 雙頻氦氖激光器；14、 50%分光鏡；15、 50%分光鏡；16、反光鏡；17、單軸 干涉儀；18、單軸干涉儀；19、 50%分光鏡；20、反光鏡；21、單軸干涉儀； 22、用于補(bǔ)償測(cè)量的單軸干涉儀；23、兩面鍍膜的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)；24、反光鏡；25、 光電檢測(cè)接收器；26、光電檢測(cè)接收器；27、光電檢測(cè)接收器；28、光電檢測(cè) 接收器；29、 VME機(jī)箱；30、 PowerPC板卡；31、環(huán)境補(bǔ)償卡；32、數(shù)據(jù)格式 轉(zhuǎn)換卡；33、兩軸的激光計(jì)數(shù)卡；34、兩軸的激光計(jì)數(shù)卡；35、運(yùn)動(dòng)臺(tái)控制器； 36、主控制。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明。 圖1示出了本發(fā)明的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)原 理圖，該超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)頻差穩(wěn)定的氦氖激光器1，在激光 器光束前進(jìn)方向上依次同軸放置一個(gè)補(bǔ)償分光鏡2、 一個(gè)測(cè)量干涉儀3和被測(cè)物 體4;補(bǔ)償分光鏡2分出的光經(jīng)反光鏡6后進(jìn)入補(bǔ)償干涉儀7和靜止的參考鏡8。 來自測(cè)量干涉儀3的干涉光，與來自補(bǔ)償干涉儀7的干涉光分別經(jīng)第一光電接 收元件5、第二光電接收元件9轉(zhuǎn)換后送入第一計(jì)數(shù)電路10、第二計(jì)數(shù)電路ll
進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后送入環(huán)境補(bǔ)償電路12。
對(duì)于測(cè)量干涉^f義，在初始條件下，測(cè)量的物理路徑Lo、初始波長入。、擴(kuò)展 分辨率N與對(duì)應(yīng)的初始空氣中的條紋數(shù)XLo的關(guān)系為
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此時(shí)測(cè)量干涉儀所對(duì)應(yīng)的測(cè)量光路的測(cè)量條纟丈數(shù)讀數(shù)為0。 而對(duì)于補(bǔ)償干涉儀，在初始條件下，測(cè)量的物理路徑C。、初始波長入。、擴(kuò) 展分辨率N和對(duì)應(yīng)的初始空氣中的條紋數(shù)XCo的關(guān)系為
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此時(shí)補(bǔ)償干涉儀所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償光路的測(cè)量條纟丈數(shù)讀數(shù)也為0。 記某時(shí)刻波長的實(shí)際值為A。對(duì)于補(bǔ)償干涉儀所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償光路，記測(cè)量 條紋數(shù)的當(dāng)前值為XC，由于參考鏡始終靜止，物理路徑?jīng)]有變化，則有 <formula>formula see original document page 7</formula>
于是
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對(duì)于測(cè)量干涉儀所對(duì)應(yīng)的測(cè)量光路，記測(cè)量條紋數(shù)的當(dāng)前值為XL,則凈皮測(cè) 物體移動(dòng)的物理路徑長度應(yīng)該為
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代入式一，則有
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顯然，只要補(bǔ)償干涉儀的測(cè)量光路與測(cè)量干涉儀的測(cè)量光路具有相同的環(huán) 境條件，就可以精確得到被測(cè)物體實(shí)際位移的物理路徑長度。且計(jì)算簡單，能 夠充分保證實(shí)時(shí)性要求。
圖2示出了本發(fā)明的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密三軸雙頻干涉測(cè)量系 統(tǒng)原理圖，包括一個(gè)雙頻氦氖激光器13，三個(gè)50%分光鏡14、 15、 19,兩個(gè)反 光鏡16、 20， 3個(gè)用于測(cè)量的單軸干涉儀17、 18、 21， 一個(gè)用于補(bǔ)償測(cè)量的單 軸干涉儀22, —個(gè)兩面鍍膜的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)23， 一個(gè)靜止的反光鏡24，四個(gè)光電檢 測(cè)接收器25、 26、 27、 28， 一個(gè)VME機(jī)箱29,內(nèi)置了 一個(gè)PowerPC板卡30， 兩個(gè)兩軸的激光計(jì)數(shù)卡33、 34， 一塊環(huán)境補(bǔ)償卡31, —塊數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換卡32,
一個(gè)運(yùn)動(dòng)臺(tái)控制器35， 一個(gè)主控制36。
為了獲取更好的測(cè)量精度，補(bǔ)償干涉儀選用了差分干涉儀，測(cè)量干涉儀選 用了平鏡干涉儀。此外，補(bǔ)償干涉儀22和靜止鏡24固定在同一塊殷鋼板上， 以盡量降低環(huán)境變化對(duì)二者距離的影響。工作時(shí)，環(huán)境補(bǔ)償卡以固定采樣間隔T 從兩塊激光計(jì)數(shù)卡33、 34中讀取計(jì)數(shù)值XI (對(duì)應(yīng)于測(cè)量干涉儀17)、 X2 (對(duì) 應(yīng)于測(cè)量干涉儀18 )、 Y (對(duì)應(yīng)于測(cè)量干涉儀21 )和C (對(duì)應(yīng)于補(bǔ)償干涉儀22 )。 記初始化時(shí)，XI、 X2、 Y對(duì)應(yīng)的死程長度分別為DX1、 DX2、 DY，補(bǔ)償干涉 儀的差分測(cè)量距離為DC,測(cè)量干涉儀17和18之間的光束間距為M，初始波長 為入o,擴(kuò)展分辨率為N,則經(jīng)過環(huán)境校正后，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位移情況x、 y和Rz 分別為
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該計(jì)算過程在環(huán)境補(bǔ)償板中完成。計(jì)算給出的位移結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn) 換板(不是必須，視控制器接口情況而定)后送入控制器，即可完成超精密運(yùn)
動(dòng)控制任務(wù)。實(shí)測(cè)表明，該環(huán)境補(bǔ)償方法的精度優(yōu)于0.15ppm，完全滿足超精密
測(cè)控的需要。從本發(fā)明的技術(shù)方案還可以看出，本發(fā)明不僅能夠?qū)崟r(shí)完成對(duì)環(huán) 境擾動(dòng)的誤差校正，而且對(duì)激光器頻差不穩(wěn)定所引起的誤差也具有良好的補(bǔ)償 效果。
權(quán)利要求
1、一種使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)，包括激光器；測(cè)量干涉儀；被測(cè)物體；第一光電接收元件；第一計(jì)數(shù)電路；所述激光器發(fā)出的光束進(jìn)入所述測(cè)量干涉儀后照射所述被測(cè)物體反射回到所述測(cè)量干涉儀，經(jīng)過所述測(cè)量干涉儀的干涉的光束經(jīng)所述第一光電接收元件轉(zhuǎn)換后進(jìn)入所述第一計(jì)數(shù)電路，所述激光器、測(cè)量干涉儀、第一光電接收元件、第一計(jì)數(shù)電路構(gòu)成測(cè)量光路；其特征在于，還包括補(bǔ)償分光鏡；測(cè)量補(bǔ)償干涉儀；參考鏡；第二光電接收元件；第二計(jì)數(shù)電路；和環(huán)境補(bǔ)償電路；所述補(bǔ)償分光鏡將測(cè)量光束分出一部分進(jìn)入所述補(bǔ)償干涉儀后經(jīng)過所述參考鏡的反射回到所述補(bǔ)償干涉儀，經(jīng)過所述補(bǔ)償干涉儀的干涉光束經(jīng)所述第二光電接收元件轉(zhuǎn)換后進(jìn)入所述第二計(jì)數(shù)電路，所述第一計(jì)數(shù)電路和所述第二計(jì)數(shù)電路的輸出信號(hào)輸入所述環(huán)境補(bǔ)償電路。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所述從補(bǔ)償干涉儀到所述參考鏡的傳播介質(zhì)與所述從測(cè)量干 涉儀到所述被測(cè)物體的傳播介質(zhì)相同。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所述從補(bǔ)償干涉儀到所述參考鏡的路徑長度固定。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述補(bǔ)償干涉儀為單軸干涉儀。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所述補(bǔ)償干涉儀可以是差分干涉儀，也可以是平鏡干涉儀， 還可以是線性干涉儀。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于所述測(cè)量系統(tǒng)中，還可以加入與所述測(cè)量光路相同的用于測(cè) 量的干涉光路。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系 統(tǒng)，其特征在于可以在所述補(bǔ)償分光鏡分出的光路上加入反射鏡調(diào)整補(bǔ)償光 路的方向。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種使用實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法的超精密雙頻干涉測(cè)量系統(tǒng)能夠用于超精密雙頻干涉測(cè)量的實(shí)時(shí)環(huán)境補(bǔ)償方法，只需要在傳統(tǒng)的雙頻干涉測(cè)量的基礎(chǔ)上增加一個(gè)干涉儀和相關(guān)的接收元件即可，無需其它的額外設(shè)備，使用簡單，計(jì)算方便，費(fèi)用低廉，實(shí)時(shí)性好，且對(duì)激光器頻差不穩(wěn)定所引起的穩(wěn)頻誤差也具有良好的補(bǔ)償效果。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101206108SQ200710172428
公開日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月17日
發(fā)明者張曉文, 峰 池, 陳勇輝, 陳飛彪 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司;上海微高精密機(jī)械工程有限公司