一種波長修正式多光束階梯平面反射鏡激光干涉儀及波長修正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種精密測(cè)試技術(shù)及儀器領(lǐng)域，特別涉及一種波長修正式多光束階梯平面反射鏡激光干涉儀及波長修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光器的出現(xiàn)，使古老的干涉技術(shù)得到迅速發(fā)展，激光具有亮度高、方向性好、單色性及相干性好等特點(diǎn)，激光干涉測(cè)量技術(shù)已經(jīng)比較成熟。激光干涉測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛:精密長度、角度的測(cè)量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測(cè)；精密儀器中的定位檢測(cè)系統(tǒng)如精密機(jī)械的控制、校正；大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和檢測(cè)儀器中的定位檢測(cè)系統(tǒng)；微小尺寸的測(cè)量等。在大多數(shù)激光干涉測(cè)長系統(tǒng)中，都采用了邁克爾遜干涉儀或類似的光路結(jié)構(gòu)。
[0003]單頻激光干涉儀從激光器發(fā)出的光束，經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后由分光鏡分為兩路，并分別從固定反射鏡和可動(dòng)反射鏡反射回來會(huì)合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)時(shí)，干涉條紋的光強(qiáng)變化由接受器中的光電轉(zhuǎn)換元件和電子線路等轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)整形、放大后輸入可逆計(jì)數(shù)器計(jì)算出總脈沖數(shù)，再由電子計(jì)算機(jī)按計(jì)算式L = NX λ/2，式中λ為激光波長(Ν為電脈沖總數(shù))，算出可動(dòng)反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時(shí)，要求周圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會(huì)引起直流電平變化而影響測(cè)量結(jié)果。
[0004]單頻激光干涉儀的弱點(diǎn)之一就是受環(huán)境影響嚴(yán)重，在測(cè)試環(huán)境惡劣，測(cè)量距離較長時(shí)，這一缺點(diǎn)十分突出。其原因在于它是一種直流測(cè)量系統(tǒng)，必然具有直流光平和電平零漂的弊端。激光干涉儀可動(dòng)反光鏡移動(dòng)時(shí)，光電接收器會(huì)輸出信號(hào)，如果信號(hào)超過了計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平則就會(huì)被記錄下來，而如果激光束強(qiáng)度發(fā)生變化，就有可能使光電信號(hào)低于計(jì)數(shù)器的觸發(fā)電平而使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，使激光器強(qiáng)度或干涉信號(hào)強(qiáng)度變化的主要原因是空氣湍流，機(jī)床油霧，切削肩對(duì)光束的影響，結(jié)果光束發(fā)生偏移或波面扭曲。
[0005]單頻激光干涉儀由于測(cè)量結(jié)構(gòu)的問題，其測(cè)量精度受限于激光的波長，其精度一般只能為其波長的整數(shù)倍，很難再進(jìn)行提升，同時(shí)測(cè)量環(huán)境的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響。隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)精密測(cè)量的要求越來越高，對(duì)測(cè)量儀器的測(cè)量精度提出了更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有激光干涉儀測(cè)量精度受限于激光波長，測(cè)量精度難以提升的不足，提供一種波長修正式多光束階梯平面反射鏡激光干涉儀及波長修正方法，該激光干涉儀在現(xiàn)有邁克爾遜激光干涉儀的基礎(chǔ)上，采用多光源多階梯平面反射鏡，對(duì)于η階梯平面反射鏡可以檢測(cè)λ/2η的精度，提高了激光干涉儀的測(cè)量精度。測(cè)量環(huán)境下的激光等效波長可以通過本發(fā)明所述波長修正方法獲得，進(jìn)一步提高了該激光干涉儀的測(cè)量精度。同時(shí)由于多光路干涉狀態(tài)交替變換，對(duì)測(cè)量光路的環(huán)境變化有更高的抗干擾能力。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案:
[0008]—種波長修正式多光束階梯平面反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、固定反射鏡、測(cè)量反射鏡裝置、光電探測(cè)器組，其特征在于，所述測(cè)量反射鏡裝置包括測(cè)量反射鏡與精密位移裝置，所述測(cè)量反射鏡設(shè)置在所述精密位移裝置上，所述精密位移裝置設(shè)置在被測(cè)物體上，所述精密位移裝置為所述測(cè)量反射鏡提供與被測(cè)物體位移同向或反向的位移。所述激光源包括η個(gè)平行激光束，其中η ^ 2，所述光電探測(cè)器組包括η個(gè)光電探測(cè)器件，所述固定反射鏡的反射面為η個(gè)成階梯型的反射平面，相鄰兩個(gè)反射平面的間距等于λ /2n+k λ /2，其中k為任意自然數(shù)、λ為激光源發(fā)出的激光波長；每個(gè)所述激光源發(fā)出的每束激光經(jīng)過所述分光鏡反射后，分別垂直射入對(duì)應(yīng)一個(gè)反射平面，每個(gè)所述反射平面將對(duì)應(yīng)激光反射到所述光電探測(cè)器組的對(duì)應(yīng)各個(gè)光電探測(cè)器件；所述激光源發(fā)出的每束激光束經(jīng)過所述分光鏡透射后，分別垂直入射到所述測(cè)量反射鏡后反射到光電探測(cè)器組的對(duì)應(yīng)的各個(gè)光電探測(cè)器件。
[0009]該激光干涉儀的激光源產(chǎn)生的平行激光束數(shù)量、階梯型反射平面數(shù)量和光電探測(cè)器件的數(shù)量均為η (η多2)，且為一一對(duì)應(yīng)，即激光源發(fā)射的每束激光均分為兩路，一路激光通過分光鏡反射到固定反射鏡的階梯面的其中一個(gè)平面后，垂直反射到光電探測(cè)器組上的其中一個(gè)光電探測(cè)器件，另一路激光直接在分光鏡內(nèi)透射后入射到測(cè)量反射鏡后再垂直反射到同一個(gè)光電探測(cè)器件，該光電探測(cè)器件即能探測(cè)到這兩路光程差在測(cè)量反射鏡發(fā)生位移過程中是否產(chǎn)生最強(qiáng)干涉狀態(tài)或最弱干涉狀態(tài)。由于固定反射鏡上為階梯型反射面，所以激光源發(fā)射的各束激光通過固定反射鏡的階梯面反射后的光路的光程是不相同的，同時(shí)激光源發(fā)射的每束激光分成兩路后到達(dá)對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器件后的光程差值均不相同，能夠發(fā)生干涉現(xiàn)象不僅和激光的波長有關(guān)，還和階梯反射平面的平面高度差值有關(guān)系，該階梯面(即階梯型反射平面)的相鄰兩個(gè)平面高度差值等于λ/2n+k λ/2，即相鄰階梯面的高度差值可以相同也可以不同，由于每束激光在每個(gè)反射平面反射后，光程有所差異，不管相鄰兩個(gè)反射平面的高度差值多少，其光程差均為λ/η+kA。
[0010]由于上述光程差公式中k λ并不會(huì)影響該光束激光的干涉狀態(tài)，只有差值λ/η才會(huì)對(duì)該光束激光的干涉狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此，只要測(cè)量反射鏡進(jìn)行移動(dòng)λ /2η的距離或整數(shù)倍于λ/2η的距離，該光電探測(cè)器組上的光電探測(cè)器件的其中一個(gè)能夠檢測(cè)出其激光干涉狀態(tài)達(dá)到最強(qiáng)干涉狀態(tài)，故該激光干涉儀的檢測(cè)精度則變?yōu)棣?/2η，相對(duì)于現(xiàn)有的激光干涉儀只能檢測(cè)精度為激光波長λ而言，該測(cè)量精度得到了顯著提高，該測(cè)量精度即由固定反射鏡的階梯面的每兩個(gè)階梯平面的間距(也可稱為高度或厚度)以及激光源的激光波長決定。
[0011]由于采用多光路干涉測(cè)量，測(cè)量過程中，各光電探測(cè)器探測(cè)到的直流電平應(yīng)該交替變化，如果某一光路的測(cè)量環(huán)境的變化造成光電探測(cè)器測(cè)量的直流電平發(fā)生偏移，而其它測(cè)量光路的光電探測(cè)器探測(cè)到的直流電平?jīng)]有發(fā)生交替變化，此時(shí)認(rèn)為該測(cè)量光路是受到測(cè)量環(huán)境的影響，忽略其電平變化。如果多條光路的測(cè)量環(huán)境的變化造成多個(gè)光電探測(cè)器測(cè)量的直流電平發(fā)生偏移，則認(rèn)為測(cè)量環(huán)境發(fā)生變化，忽略其電平變化。僅僅對(duì)于測(cè)量過程中嚴(yán)格滿足多光路干涉狀態(tài)交替變化的情況才對(duì)其進(jìn)行計(jì)數(shù)，即多光路干涉測(cè)量中引入交流信號(hào)，將傳統(tǒng)的激光干涉測(cè)量中直流電平的測(cè)量轉(zhuǎn)換為交流信號(hào)的測(cè)量。
[0012]需要說明的是，相鄰兩個(gè)平面高度差值等于λ /2n+k λ /2，真正決定激光是否處于最強(qiáng)干涉狀態(tài)的只是差值λ/2η，增加的差值k λ/2是為了增加階梯面相鄰兩個(gè)反射面的高度差值。
[0013]優(yōu)選地，所述固定反射鏡包括平面反射鏡本體以及η-l個(gè)反射薄片組合而成，每個(gè)所述反射薄片的厚度為λ /2n+k λ /2，其中k為自然數(shù)。
[0014]該階梯面通過η-l個(gè)反射薄片疊加在平面反射鏡本體上而成，平面反射鏡本體表面為激光干涉儀用普通反射鏡，其中每個(gè)反射薄片的厚度為λ/2η+1?λ/2，k為自然數(shù)，SP每個(gè)反射薄片的厚度可以相同也可以不同。
[0015]優(yōu)選地，每個(gè)所述反射薄片厚度均為λ/2η。
[0016]優(yōu)選地，所述平面反射鏡本體以及η-l個(gè)厚度相同的反射薄片為一體成型體，避免分塊的反射薄片連接在一起產(chǎn)生的相鄰兩個(gè)反射薄片形成的兩個(gè)階梯平面的高度誤差。
[0017]本申請(qǐng)的上述方案中，由于將測(cè)量反射鏡設(shè)置在精密位移裝置上，而精密位移裝置設(shè)置在被測(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，被測(cè)物體帶動(dòng)精密位移裝置，進(jìn)而帶動(dòng)測(cè)量反射鏡，如此，當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生位移時(shí)，在位移過程中，由于干涉光路光程的變化，使得，對(duì)應(yīng)光束的激光干涉狀態(tài)也隨之變化，開始測(cè)量工作前，啟動(dòng)精密位移裝置，使測(cè)量反射鏡產(chǎn)生位移，所述測(cè)量反射鏡的位移方向與被測(cè)物體的位移方向在同一直線上，當(dāng)光電探測(cè)器組中任意一個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)到最強(qiáng)相長干涉時(shí)，停止精密位移裝置，并將光電探測(cè)器組中所有光電探測(cè)器計(jì)數(shù)清零，然后再開始測(cè)量被