一種波長修正式多光束角階梯反射鏡激光干涉儀及其測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精密測試技術(shù)及儀器領(lǐng)域，特別涉及一種波長修正式多光束角階 梯反射鏡激光干涉儀及其測量方法。
【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，激光干涉測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟。激光干涉測量系統(tǒng)應(yīng)用非常廣 泛:精密長度、角度的測量如線紋尺、光柵、量塊、精密絲杠的檢測；精密儀器中的定位檢測 系統(tǒng)如精密機械的控制、校正;大規(guī)模集成電路專用設(shè)備和檢測儀器中的定位檢測系統(tǒng);微 小尺寸的測量等。在大多數(shù)激光干涉測長系統(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反射鏡反射回來會合在分光鏡上而產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)可動反射鏡移動 時，干涉條紋的光強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，經(jīng) 整形、放大后輸入可逆計數(shù)器計算出總脈沖數(shù)，再由電子計算機按計算式L = NXA/2,式中λ 為激光波長(Ν為電脈沖總數(shù)），算出可動反射鏡的位移量L。使用單頻激光干涉儀時，要求周 圍大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，各種空氣湍流都會引起直流電平變化而影響測量結(jié)果。
[0004] 單頻激光干涉儀的弱點之一就是受環(huán)境影響嚴(yán)重，在測試環(huán)境惡劣，測量距離較 長時，這一缺點十分突出。其原因在于它是一種直流測量系統(tǒng)，必然具有直流光平和電平零 漂的弊端。激光干涉儀可動反光鏡移動時，光電接收器會輸出信號，如果信號超過了計數(shù)器 的觸發(fā)電平則就會被記錄下來，而如果激光束強度發(fā)生變化，就有可能使光電信號低于計 數(shù)器的觸發(fā)電平而使計數(shù)器停止計數(shù)，使激光器強度或干涉信號強度變化的主要原因是空 氣湍流，機床油霧，切削肩對光束的影響，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量結(jié)構(gòu)的問題，其測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，很難再進行提升，同時測量環(huán)境的變化對測量結(jié)果有較大影響。 隨著工業(yè)生產(chǎn)對精密測量的要求越來越高，對測量儀器的測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)有激光干涉儀測量精度受限于激光波長，測量精度難以 提升的不足，提供一種波長修正式多光束角階梯反射鏡激光干涉儀及其測量方法，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η光源η階梯平面角反射鏡，測量精度可 以達到+，提高該激光干涉儀的測量精度。測量環(huán)境下的激光等效波長可以通過本發(fā)明所 2 η 述測量方法獲得，進一步提高了該激光干涉儀的測量精度。同時由于多光路干涉狀態(tài)交替 變換，對測量光路的環(huán)境變化有更高的抗干擾能力。
[0007] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術(shù)方案：
[0008] 一種波長修正式多光束角階梯反射鏡激光干涉儀，包括激光源、分光鏡、固定階梯 平面角反射鏡、測量角反射鏡裝置、光電探測器組，所述測量角反射鏡裝置包括測量角反射 鏡與精密位移裝置，所述測量角反射鏡設(shè)置在所述精密位移裝置上，所述精密位移裝置設(shè) 置在被測物體上，所述精密位移裝置為所述測量角反射鏡提供與被測物體位移同向或反向 的位移。所述激光源包括η個平行激光束，其中η 2 2,所述光電探測器組包括η個光電探測器 件;所述固定階梯平面角反射鏡(3)包括成直角的兩個反射階梯面，每個所述反射階梯面包 括η個成階梯形的反射平面，相鄰兩個反射平面的間距等于
?其中k為自然數(shù)、λ 為激光源發(fā)出的激光波長，所述測量角反射鏡包括成直角的兩個反射平面;所述激光源發(fā) 出的每束激光經(jīng)過所述分光鏡反射后，分別射入對應(yīng)一個反射平面，每個所述反射平面將 每束激光反射到對應(yīng)的所述光電探測器組的各個光電探測器件;所述激光源發(fā)出的每束激 光經(jīng)過所述分光鏡透射后，分別入射到所述測量角反射鏡后反射到對應(yīng)的光電探測器組的 各個光電探測器件。
[0009] 該激光干涉儀的激光束數(shù)量、階梯形反射平面數(shù)量和光電探測器件的數(shù)量均為η (η 2 2)，且為一一對應(yīng)，即激光源發(fā)射的每個激光均分為兩路，一束激光通過分光鏡反射到 固定階梯平面角反射鏡的階梯面的其中一個平面后，反射到光電探測器組上的其中一個光 電探測器件，另一束激光直接在分光鏡內(nèi)透射后入射到測量角反射鏡后再反射到同一個光 電探測器件，該光電探測器件即能探測到這兩路光程差在測量角反射鏡發(fā)生位移過程中是 否產(chǎn)生最強干涉狀態(tài)或最弱干涉狀態(tài)。由于固定階梯平面角反射鏡上為階梯形反射面，所 以激光源發(fā)射的各束激光通過固定階梯平面角反射鏡的階梯面反射后的光路的光程是不 相同的，同時激光源發(fā)射的每個激光分成兩路后到達對應(yīng)的光電探測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（即階梯形反射平面)的相鄰兩個平面高度差值等于
由于入射 角為45度，等效光程為
，即相鄰階梯面的高度差值可以相同也可以不同，由于每束 激光在每個反射平面反射后，光程有所差異，不管相鄰兩個反射平面的高度差值多少，其光 程差均為Vn+kA。
[0010] 由于上述光程差公式中kA并不會影響該光束激光的干涉狀態(tài)，只有差值λ/η才會 對該光束激光的干涉狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此，只要測量角反射鏡進行移動λ/2η的距離或整數(shù) 倍于λ/2η的距離，該光電探測器組上的光電探測器件的至少其中一個能夠檢測出其激光干 涉狀態(tài)發(fā)生的變化，故該激光干涉儀的檢測精度則變?yōu)棣?2η，相對于現(xiàn)有的激光干涉儀只 能檢測精度為激光波長λ而言，該測量精度得到了顯著提高，該測量精度即由固定階梯平面 角反射鏡的階梯面的每兩個階梯平面的間距(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量，測量過程中，各光電探測器探測到的直流電平應(yīng)該交 替變化，如果某一光路的測量環(huán)境的變化造成光電探測器測量的直流電平發(fā)生偏移，而其 它測量光路的光電探測器探測到的直流電平?jīng)]有發(fā)生交替變化，此時認為該測量光路是受 到測量環(huán)境的影響，忽略其電平變化。如果多條光路的測量環(huán)境的變化造成多個光電探測 器測量的直流電平發(fā)生偏移，則認為測量環(huán)境發(fā)生變化，忽略其電平變化。僅僅對于測量過 程中嚴(yán)格滿足多光路干涉狀態(tài)交替變化的情況才對其進行計數(shù)，即多光路干涉測量中引入 交流信號，將傳統(tǒng)的激光干涉測量中直流電平的測量轉(zhuǎn)換為交流信號的測量。
[0012] 需要說明的是，相鄰兩個平面高度差值等于
真正決定激光是否處于 最強干涉狀態(tài)或最弱干涉狀態(tài)的只是差值^J，增加的差值kA/2是為了增加階梯面相鄰 兩個反射面的高度差值，參數(shù)較大是為了便于加工裝配。
[0013] 優(yōu)選地，所述固定階梯平面角反射鏡包括角反射鏡本體以及n-1個反射薄片組合 而成，每個所述反射薄片的厚度為
，其中k為自然數(shù)。
[0014] 該階梯面通過2 X (n-1)個反射薄片疊加在角反射鏡本體上而成，角反射鏡本體表
面為激光干涉儀用普通反射鏡，其中每個反射薄片的厚度為 ?為自然數(shù)，即每 個反射薄片的厚度可以相同也可以不同，但兩階梯面應(yīng)對稱。
[0015] 優(yōu)選地，每個所述反射薄片厚度均為
[0016] 優(yōu)選地，所述角反射鏡本體和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)生的相鄰兩個反射薄片形成的兩個階梯平面的高度誤差。
[0017] 優(yōu)選地，η個所述激光源等距分布，且相鄰兩個所述激光束的間距等于激光波長的 整數(shù)倍。
[0018] 優(yōu)選地，相鄰兩個所述激光源發(fā)出的激光束之間的間距均為100-10000倍的激光 波長。
[0019] 本申請的上述方案中，由于將測量角反射鏡設(shè)置在精密位移裝置上，而精密位移 裝置設(shè)置在被測物體上，當(dāng)被測物體發(fā)生位移時，被測物體帶動精密位移裝置，進而帶動測 量角反射鏡，如此，當(dāng)被測物體發(fā)生位移時，在位移過程中，由于干涉光路光程的變化，使 得，對應(yīng)光束的激光干涉狀態(tài)也隨之變化，開始測量工作前，啟動精密位移裝置，使測量角 反射鏡產(chǎn)生位移，所述測量角反射鏡的位移方向與被測物體的位移方向在同一直線上，當(dāng) 光電探測器組中任意一個光電探測器檢測到最強相長干涉時，停止精密位移裝置，并將光 電探測器組中所有光電探測器計數(shù)清零，然后再開始測量被測物體的位移，在對應(yīng)激光束 的干涉狀態(tài)變化過程中，光電探測器組中所有光電探測器記錄對應(yīng)干涉光路最強相長干涉 的總次數(shù)Ν，當(dāng)被測物體移動結(jié)束，處于靜止?fàn)顟B(tài)時，光電探測器組停止計數(shù);此時，通過精 密位移裝置使測量角反射鏡在被測物體的位移方向上移動，并觀測光電探測器組，當(dāng)光電 探測器