回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準方法與裝置制造方法
【專利摘要】回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準方法與裝置屬于激光測量技術，本發(fā)明將被校準激光干涉儀測量光束穿過三軸中空激光干涉鏡組的中間通孔，被校準激光干涉儀測量光束平行置于以正三棱柱側棱形式分布的三條平行標準測量光束中心位置處；標準測量光束與被校準激光干涉儀測量光束垂直距離很小，三條標準測量光束的空氣折射率平均值接近被校準激光干涉儀測量光束的空氣折射率值；三個光束位置探測器分別測量出三條標準測量光束相對目標反射鏡在垂直于標準測量光束平面內任意二維方向衍生位移；微動裝置根據(jù)三個光束位置探測器測量出衍生位移平均值，對目標反射鏡衍生位移進行實時回位補償，保證目標反射鏡反射面上測量光束入射位置不發(fā)生變化。
【專利說明】回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光測量【技術領域】，主要涉及一種激光干涉儀校準方法與裝置。
【背景技術】
[0002]激光干涉測量線位移技術是精度很高的標準測量技術，廣泛應用于精密和超精密 機械加工、微電子裝備、納米技術工業(yè)裝備和國防裝備等領域，為了保證激光干涉儀測量線 位移的準確性，需要科學有效的線位移激光干涉儀校準方法與裝置。校準線位移激光干涉 儀一般思路是采用精度等級更高的線位移激光干涉儀來校準，當兩者的精度相近時，即稱 為比對。在實際校準工作中，線位移激光干涉儀大多具有相當?shù)木?，因而對線位移激光干 涉儀的校準是通過比對實現(xiàn)的。目前，線位移激光干涉儀的一般校準方法有并行式，面對面 式和共光路式(廖澄清，朱小平，王蔚晨，杜華.激光干涉儀測長精度校準方法的研究.現(xiàn) 代測量與實驗室管理，2005，1:6-7)。
[0003]圖1是并行式激光干涉儀校準裝置結構示意圖，標準測量鏡和被校準測量鏡安裝 在同一個可動平臺上，當運動臺移動時，兩套激光干涉儀測量光束的光程同時增加與減小。 由于兩套激光干涉儀并行放置，兩路光受環(huán)境影響相似，空氣折射率對兩路光影響較小，但 由于兩路光之間的垂直距離較大，因此兩套激光干涉儀校準時阿貝誤差較大。
[0004]圖2是面對面式激光干涉儀校準裝置結構示意圖，標準測量鏡和被校準測量鏡面 對面的安裝在運動臺上，其優(yōu)點是兩套激光干涉儀測量光束軸線可調整至幾乎同一測量軸 線上，兩者的阿貝誤差很小，缺點是由于一臺干涉儀的近端是另一臺的遠端，兩者光程不 等，受環(huán)境的干擾不同，空氣折射率對兩套激光干涉儀的光路影響不一致。
[0005]2011年，中國計量科學研究院建立國內首個80米大長度激光干涉儀測量裝置(冷 玉國，陶磊，徐健.基于80m測量裝置的雙頻激光干涉儀系統(tǒng)精度及影響因素分析.計量與 測試技術，2011，38 (9):47-49)，采用的標準裝置是將三個Agilent5530型的長距離雙頻激 光干涉儀并行擺放，成為三路激光干涉儀，被校準的激光干涉儀擺放在它們中間，從而進行 校準校準，此方案屬于并行式校準方法的衍生方案，并且由于采用三路光同時測量，因此可 以補償測量時的阿貝誤差，但由于是三臺激光器并行擺放，因此三路標準測量光空間位置 較遠，被校準激光干涉儀的測量光距離每路標準測量光距離也較遠，所有測量光路受環(huán)境 的影響不同，空氣折射率對所有測量光路影響不一致，造成校準測量結果不準確。
[0006]圖3是共光路式激光干涉儀校準裝置結構示意圖，共光路式與并行式激光干涉儀 校準裝置不同的是兩臺激光器和接收器成90度折轉方式，兩套激光干涉儀共用干涉鏡組 和測量鏡。由于兩套激光干涉儀共用一個干涉鏡組和測量鏡，無法確定共用的干涉鏡組和 測量鏡是屬于標準激光干涉儀部件還是屬于被校準標準激光干涉儀部件，因此，不是準確 意義上兩套激光干涉儀的校準進行校準。
[0007]1985 年，Dr-1ng H._H.Schussler 充分利用空間分布(Dr-1ng H.-H.Schussler.Comparison and calibration oflaser interferometer systems.Measurement，1985， 3(4):175-184),將多對線位移激光干涉儀進行共光路校準。由于只是增加共光路激光干涉儀的數(shù)量，所以此方法也有上面提到的共光路式激光干涉儀校準裝置的缺點。
【發(fā)明內容】
[0008]針對上述現(xiàn)有線位移激光干涉儀校準裝置中較大的阿貝誤差、嚴重的空氣折射率 不一致性和不是準確意義上兩套激光干涉儀進行校準的問題，本發(fā)明提出和研發(fā)了回位補 償式三光軸線位移激光干涉儀校準方法與裝置，該發(fā)明使標準測量光束與被校準激光干涉 儀測量光束垂直距離很小，從而可以減小阿貝誤差、減小空氣折射率不一致性的影響，并且 是準確意義上兩套激光干涉儀進行校準。
[0009]本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn):
[0010]一種回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準方法，該方法步驟如下:
[0011](I)標準激光干涉儀激光器的輸出光經三軸中空激光干涉鏡組形成相互平行的 三條標準測量光束，三條標準測量光束以正三棱柱側棱分布形式入射到有中間孔的平面鏡 上，每條標準測量光束中帶有平面鏡位移信息的部分光被反射回三軸中空激光干涉鏡組 后，根據(jù)從三軸中空激光干涉鏡組中獲得的與三條標準測量光束分別對應的三個干涉信 號，可以得到有中間孔的平面鏡沿標準測量光束方向運動的三個位移值，每條標準測量光 束的其余部分光經有中間孔的平面鏡透射到三個光束位置探測器上；
[0012](2)被校準激光干涉儀激光器的輸出光經被校準激光干涉儀干涉鏡組形成被校 準激光干涉儀測量光束，被校準激光干涉儀測量光束穿過三軸中空激光干涉鏡組的中間通 孔，與三條標準測量光束平行，并與每條標準測量光束的距離相等。被校準激光干涉儀測量 光束入射到被校準激光干涉儀反射鏡上，在被反射回被校準激光干涉儀干涉鏡組后，根據(jù) 從被校準激光干涉儀干涉鏡組中獲得的干涉信號，可以得到被校準激光干涉儀反射鏡沿標 準測量光束方向運動的位移值；
[0013](3)運動臺沿標準測量光束方向作往復運動過程中伴有在垂直于標準測量光束平 面內任意二維方向的衍生位移，配裝在運動臺上的目標反射鏡在垂直于標準測量光束平面 內任意二維方向有相對遠動臺的自由位移，三個光束位置探測器分別測量出標準測量光束 相對目標反射鏡在垂直于標準測量光束平面內任意二維方向衍生位移，微動裝置根據(jù)三個 光束位置探測器測量出衍生位移的平均值，對目標反射鏡衍生位移進行實時回位補償，保 證目標反射鏡反射面上測量光束的入射位置不發(fā)生變化；
[0014](4)在運動臺沿標準測量光束方向往復運動過程中，以勻速或非勻速采樣速率，同 步采樣標準激光干涉儀三個測量位移值和被校準激光干涉儀測量位移值，將每次采樣獲得 的標準激光干涉儀三個測量位移取平均值后與同時采樣獲得的被校準激光干涉儀測量位 移值作差，得到若干采樣測量誤差值。
[0015]一種回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置，包括標準激光干涉儀激光 器，三個配置在可接收標準激光干涉儀干涉信號位置上的接收器，導線將三個接收器分別 與標準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)連接；在標準激光干涉儀激光器輸出光路上配置有中間通 孔的可以讓被校準激光干涉儀測量光束穿過的三軸中空標準激光干涉鏡組；三軸中空標準 激光干涉鏡組一側配置導軌，運動臺配裝在導軌上，在運動臺上通過微動裝置安裝有中間 孔的平面鏡，在平面鏡中間孔內安裝被校準激光干涉儀反射鏡，被校準激光干涉儀反射鏡 和有中間孔的平面鏡組成入射面共面并且相對位置固定的目標反射鏡；三個光束位置探測器配置在有中間孔的平面鏡透射區(qū)域后面，且分別位于三條平行標準測量光束透射光路 上；在三軸中空標準激光干涉鏡組另一側配置被校準激光干涉儀干涉鏡組和被校準激光干 涉儀激光器，所述被校準激光干涉儀干涉鏡組位于被校準激光干涉儀激光器輸出光路上； 被校準激光干涉儀接收器配置在可接收被校準激光干涉儀干涉信號的位置上，導線將被校 準激光干涉儀接收器與被校準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)連接。
[0016]本發(fā)明具有以下特點及良好效果:
[0017](I)與并行式激光干涉儀校準裝置相比，由于被校準激光干涉儀測量光束通過三 軸中空激光干涉鏡組的中間通孔，被校準激光干涉儀測量光軸與平行標準光軸之間的垂直 距離更短，兩者的光路更加接近，因此兩套激光干涉儀校準時阿貝誤差很小。
[0018](2)與面對面式激光干涉儀校準裝置相比，在垂直于三條標準測量光束的平面內， 由三條標準測量光束在該平面投影點構成的等邊三角形區(qū)域中，三條標準測量光束和被校 準激光干涉儀測量光束受環(huán)境干擾的程度差異很小，三條標準測量光束的空氣折射率平均 值接近被校準激光干涉儀測量光束的空氣折射率值。
[0019](3)與共光路式激光干涉儀校準裝置相比，沒有共用干涉鏡組和測量鏡，標準激光 干涉儀部件和被校準標準激光干涉儀部件歸屬明確，是準確意義上兩套激光干涉儀進行校 準。
[0020](4)三個光束位置探測器能夠分別測量出三條標準測量光束相對目標反射鏡在垂 直于標準測量光束平面內任意二維方向衍生位移，微動裝置根據(jù)三個光束位置探測器測量 出衍生位移的平均值，對目標反射鏡衍生位移進行實時回位補償，使目標反射鏡反射面上 測量光束的入射位置不發(fā)生變化，保證校準時不會引人目標反射鏡反射面上不同形貌特征 值造成的測量誤差。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為并行式激光干涉儀校準裝置結構示意圖
[0022]圖2為面對面式激光干涉儀校準裝置結構示意圖
[0023]圖3為共光路式激光干涉儀校準裝置結構示意圖
[0024]圖4為回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置結構示意圖
[0025]圖5為在有中間孔的平面鏡與被校準激光干涉儀反射鏡組成的目標反射鏡的入 射面上光斑位置分布示意圖
[0026]圖中:1標準激光干涉儀激光器、2三軸中空標準激光干涉鏡組、3、4、5三條平行 標準測量光束、6有中間孔的平面鏡、7、8、9標準激光干涉儀接收器、10標準信號處理系統(tǒng)、 11被校準激光干涉儀激光器、12被校準激光干涉儀干涉鏡組、13被校準激光干涉儀測量光 束、14中間通孔、15被校準激光干涉儀反射鏡、16被校準激光干涉儀接收器、17被校準激光 干涉儀信號處理系統(tǒng)、18微動裝置、19運動臺、20導軌、21、22、23三個光束位置探測器、24、 25,26三條平行標準測量光束光斑位置、27被校準激光干涉儀光束光斑位置。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖對本發(fā)明具體實施例作進一步詳細描述。
[0028]一種回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置，包括標準激光干涉儀激光器1，三個配置在可接收標準激光干涉儀干涉信號位置上的接收器7、8、9，導線將三個接收器
7、8、9分別與標準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)10連接；在標準激光干涉儀激光器I輸出光路 上配置有中間通孔14的可以讓被校準激光干涉儀測量光束13穿過的三軸中空標準激光干 涉鏡組2 ;三軸中空標準激光干涉鏡組2 —側配置導軌20，運動臺19配裝在導軌20上，在 運動臺19上通過微動裝置18安裝有中間孔的平面鏡6，在平面鏡6中間孔內安裝被校準激 光干涉儀反射鏡15，被校準激光干涉儀反射鏡15和有中間孔的平面鏡6組成入射面共面并 且相對位置固定的目標反射鏡；三個光束位置探測器21、22、23配置在有中間孔的平面鏡6 透射區(qū)域后面，且分別位于三條平行標準測量光束3、4、5透射光路上；在三軸中空標準激 光干涉鏡組2另一側配置被校準激光干涉儀干涉鏡組12和被校準激光干涉儀激光器11，所 述被校準激光干涉儀干涉鏡組12位于被校準激光干涉儀激光器11輸出光路上；被校準激 光干涉儀接收器16配置在可接收被校準激光干涉儀干涉信號的位置上，導線將被校準激 光干涉儀接收器16與被校準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)17連接。
[0029]所述的三條平行標準測量光束3、4、5和被校準激光干涉儀測量光束13都與目標 反射鏡入射面垂直。
[0030]所述的三軸中空標準激光干涉鏡組2的中間通孔14包括任意形狀，數(shù)目是一個或 一個以上。
[0031]所述的每條平行標準測量光束3、4、5和被校準激光干涉儀測量光束13分別被有 中間孔的平面鏡6和被校準激光干涉儀反射鏡15反射一次或一次以上。
[0032]所述的被校準激光干涉儀反射鏡15包括平面鏡、角錐棱鏡、直角棱鏡。
[0033]一種回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準方法，該方法步驟如下:
[0034](I)標準激光干涉儀激光器I的輸出光經三軸中空激光干涉鏡2組形成相互平行 的三條標準測量光束3、4、5，三條標準測量光束3、4、5以正三棱柱側棱分布形式入射到有 中間孔的平面鏡6上，每條標準測量光束3、4、5中帶有平面鏡6位移信息的部分光被反射 回三軸中空激光干涉鏡組2后，根據(jù)從三軸中空激光干涉鏡組2中獲得的與三條標準測量 光束3、4、5分別對應的三個干涉信號，可以得到有中間孔的平面鏡6沿標準測量光束3、4、 5方向運動的三個位移值，每條標準測量光束3、4、5的其余部分光經有中間孔的平面鏡6透 射到三個光束位置探測器21、22、23上；
[0035](2)被校準激光干涉儀激光器11的輸出光經被校準激光干涉儀干涉鏡組12形成 被校準激光干涉儀測量光束13，被校準激光干涉儀測量光束13穿過三軸中空激光干涉鏡 組2的中間通孔14，與三條標準測量光束3、4、5平行，并與每條標準測量光束3、4、5的距離 相等。被校準激光干涉儀測量光束13入射到被校準激光干涉儀反射鏡15上，在被反射回 被校準激光干涉儀干涉鏡組12后，根據(jù)從被校準激光干涉儀干涉鏡組12中獲得的干涉信 號，可以得到被校準激光干涉儀反射鏡15沿標準測量光束3、4、5方向運動的位移值；
[0036](3)運動臺19沿標準測量光束3、4、5方向作往復運動過程中伴有在垂直于標準測 量光束3、4、5平面內任意二維方向的衍生位移，配裝在運動臺19上的目標反射鏡在垂直于 標準測量光束3、4、5平面內任意二維方向有相對遠動臺19的自由位移，三個光束位置探測 器21、22、23分別測量出標準測量光束3、4、5相對目標反射鏡在垂直于標準測量光束3、4、 5平面內任意二維方向衍生位移，微動裝置18根據(jù)三個光束位置探測器21、22、23測量出衍 生位移的平均值，對目標反射鏡衍生位移進行實時回位補償，保證目標反射鏡反射面上測量光束的入射位置不發(fā)生變化；
[0037](4)在運動臺19沿標準測量光束3、4、5方向往復運動過程中，以勻速或非勻速米 樣速率，同步采樣標準激光干涉儀三個測量位移值和被校準激光干涉儀測量位移值，將每 次采樣獲得的標準激光干涉儀三個測量位移取平均值后與同時采樣獲得的被校準激光干 涉儀測量位移值作差，得到若干采樣測量誤差值。
[0038]標準測量光束光斑位置24、25、26依次分別是三條平行標準測量光束3、4、5入射 到有中間孔的平面鏡6的位置，被校準激光干涉儀光束光斑位置27是被校準激光干涉儀測 量光束13入射被校準激光干涉儀反射鏡15的位置，從位置分布可以看出被校準激光干涉 儀光束光斑位置27處在標準測量光束光斑位置24、25、26的中心位置點，即三條平行標準 測量光束3、4、5將被校準激光干涉儀測量光束13夾持在中心位置。
【權利要求】
1.一種回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準方法，其特征在于該方法步驟如下:(1)標準激光干涉儀激光器的輸出光經三軸中空激光干涉鏡組形成相互平行的三條標準測量光束，三條標準測量光束以正三棱柱側棱分布形式入射到有中間孔的平面鏡上，每條標準測量光束中帶有平面鏡位移信息的部分光被反射回三軸中空激光干涉鏡組后，根據(jù)從三軸中空激光干涉鏡組中獲得的與三條標準測量光束分別對應的三個干涉信號，可以得到有中間孔的平面鏡沿標準測量光束方向運動的三個位移值，每條標準測量光束的其余部分光經有中間孔的平面鏡透射到三個光束位置探測器上；(2)被校準激光干涉儀激光器的輸出光經被校準激光干涉儀干涉鏡組形成被校準激光干涉儀測量光束，被校準激光干涉儀測量光束穿過三軸中空激光干涉鏡組的中間通孔，與三條標準測量光束平行，并與每條標準測量光束的距離相等，被校準激光干涉儀測量光束入射到被校準激光干涉儀反射鏡上，在被反射回被校準激光干涉儀干涉鏡組后，根據(jù)從被校準激光干涉儀干涉鏡組中獲得的干涉信號，可以得到被校準激光干涉儀反射鏡沿標準測量光束方向運動的位移值；(3)運動臺沿標準測量光束方向作往復運動過程中伴有在垂直于標準測量光束平面內任意二維方向的衍生位移，配裝在運動臺上的目標反射鏡在垂直于標準測量光束平面內任意二維方向有相對遠動臺的自由位移，三個光束位置探測器分別測量出標準測量光束相對目標反射鏡在垂直于標準測量光束平面內任意二維方向衍生位移，微動裝置根據(jù)三個光束位置探測器測量出衍生位移的平均值，對目標反射鏡衍生位移進行實時回位補償，保證目標反射鏡反射面上測量光束的入射位置不發(fā)生變化；(4)在運動臺沿標準測量光束方向往復運動過程中，以勻速或非勻速采樣速率，同步采樣標準激光干涉儀三個測量位移值和被校準激光干涉儀測量位移值，將每次采樣獲得的標準激光干涉儀三個測量位移取平均值后與同時采樣獲得的被校準激光干涉儀測量位移值作差，得到若干采樣測量誤差值。
2.一種回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置，包括標準激光干涉儀激光器(1)和三個配置在可接收標準激光干涉儀干涉信號位置上的接收器(7、8、9)，導線將三個接收器(7、8、9)分別與標準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)(10)連接；其特征在于在標準激光干涉儀激光器(I)輸出光路上配置有中間通孔(14)的可以讓被校準激光干涉儀測量光束(13)穿過的三軸中空標準激光干涉鏡組(2);三軸中空標準激光干涉鏡組(2) —側配置導軌(20)，運動臺(19)配裝在導軌(20)上，在運動臺(19)上通過微動裝置(18)安裝有中間孔的平面鏡(6)，在平面鏡(6)中間孔內安裝被校準激光干涉儀反射鏡(15)，被校準激光干涉儀反射鏡(15)和有中間孔的平面鏡(6)組成入射面共面并且相對位置固定的目標反射鏡；三個光束位置探測器(21、22、23)配置在有中間孔的平面鏡(6)透射區(qū)域后面，且分別位于三條平行標準測量光束(3、4、5)透射光路上；在三軸中空標準激光干涉鏡組(2)另一側配置被校準激光干涉儀干涉鏡組(12)和被校準激光干涉儀激光器(11)，所述被校準激光干涉儀干涉鏡組(12)位于被校準激光干涉儀激光器(11)輸出光路上；被校準激光干涉儀接收器(16)配置在可接收被校準激光干涉儀干涉信號的位置上，導線將被校準激光干涉儀接收器(16)與被校準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)(17)連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置，其特征在于所述的三條平行標準測量光束(3、4、5)和被校準激光干涉儀測量光束(13)都與目標反射鏡入射面垂直。
4.根據(jù)權利要求2所述的回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置，其特征在于所述的三軸中空標準激光干涉鏡組(2)的中間通孔(14)包括任意形狀，數(shù)目是一個或一個以上。
5.根據(jù)權利要求2所述的回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置，其特征在于所述的每條平行標準測量光束(3、4、5)和被校準激光干涉儀測量光束(13)分別被有中間孔的平面鏡(6)和被校準激光干涉儀反射鏡(15)反射一次或一次以上。
6.根據(jù)權利要求2所述的回位補償式三光軸線位移激光干涉儀校準裝置，其特征在于所述的被校準激光干涉儀反射鏡(15)包括平面鏡、角錐棱鏡、直`角棱鏡。
【文檔編號】G01B9/02GK103499280SQ201310475512
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權日:2013年10月11日
【發(fā)明者】胡鵬程, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學