一種波長修正式多光束階梯平面反射鏡激光干涉儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型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階梯平面反射鏡激光干涉儀。
【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(jī)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(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，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 = NXA/2，式中λ為激光波長(N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，在測試環(huán)境惡劣，測量距離較長時(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，如果信號超過了計(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)度或干涉信號強(qiáng)度變化的主要原因是空氣湍流，機(jī)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(jìn)行提升，同時(shí)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，對于η階梯平面反射鏡可以檢測λ/2η的精度，提高了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)明所述波長修正方法獲得，進(jìn)一步提高了該激光干涉儀的測量精度。同時(shí)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(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、測量反射鏡裝置、光電探測器組，其特征在于，所述測量反射鏡裝置包括測量反射鏡與精密位移裝置，所述測量反射鏡設(shè)置在所述精密位移裝置上，所述精密位移裝置設(shè)置在被測物體上，所述精密位移裝置為所述測量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(gè)平行激光束，其中η 2 2，所述光電探測器組包括η個(gè)光電探測器件，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/2η+kX/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，分別垂直射入對應(yīng)一個(gè)反射平面，每個(gè)所述反射平面將對應(yīng)激光反射到所述光電探測器組的對應(yīng)各個(gè)光電探測器件;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量反射鏡后反射到光電探測器組的對應(yīng)的各個(gè)光電探測器件。
[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器組上的其中一個(gè)光電探測器件，另一路激光直接在分光鏡內(nèi)透射后入射到測量反射鏡后再垂直反射到同一個(gè)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(即階梯型反射平面)的相鄰兩個(gè)平面高度差值等于λ/2η+1?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A/n+kA。
[0010]由于上述光程差公式中U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)對該光束激光的干涉狀態(tài)產(chǎn)生影響，因此，只要測量反射鏡進(jìn)行移動(dòng)λ/2η的距離或整數(shù)倍于λ/2η的距離，該光電探測器組上的光電探測器件的其中一個(gè)能夠檢測出其激光干涉狀態(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(shí)認(rèn)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(gè)光電探測器測量的直流電平發(fā)生偏移，則認(rèn)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(jìn)行計(jì)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(gè)平面高度差值等于λ/2η+1?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U/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/2η+1?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A/2n+U/2，k為自然數(shù)，即每個(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]本申請的上述方案中，由于將測量反射鏡設(shè)置在精密位移裝置上，而精密位移裝置設(shè)置在被測物體上，當(dāng)被測物體發(fā)生位移時(shí)，被測物體帶動(dòng)精密位移裝置，進(jìn)而帶動(dòng)測量反射鏡，如此，當(dāng)被測物體發(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(dòng)精密位移裝置，使測量反射鏡產(chǎn)生位移，所述測量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(gè)光電探測器檢測到最強(qiáng)相長干涉時(shí)，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(jì)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(qiáng)相長干涉的總次數(shù)N，當(dāng)被測物體移動(dòng)結(jié)束，處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，光電探測器組停止計(jì)數(shù);此時(shí)，通過精密位移裝置使測量反射鏡在被測物體的位移方向上移動(dòng)，并觀測光電探測器組，當(dāng)光電探測器組中任意一個(gè)光電探測器檢測到最強(qiáng)相長干涉時(shí)，停止精密位移裝置，并讀取精密位移裝置為測量反射鏡提供的位移值A(chǔ)L。
[0018]若位移AL與被測物體的位移方向相同，則被測物體實(shí)際產(chǎn)生的位移值L= N X λ/(2η) + (λ/(2η)-Λυ，其中Λ?<λ/(2η)，式中λ為激光波長；
[0019 ]若位移AL與被測物體的位移方向相反，則被測物體實(shí)際產(chǎn)生的位移值L = N X λ/(2n)+AL，其中Λ?<λ/(2η)，式中λ為激光波長。
[0020]如此，通過上述結(jié)構(gòu)，將被測物體實(shí)際位移中超出1/(2η)個(gè)激光波長部分AL也測量出來補(bǔ)充到位移檢測結(jié)果中，進(jìn)而使得本申請的激光干涉儀所測量得到的位移結(jié)果更加精確，其精確度高于1/(2η)個(gè)激光波長，具體取決于精密位移裝置所能提供的位移精度。
[0021]作為本申請的優(yōu)選方案，所述精密位移裝置包括支撐平臺和設(shè)置在所述支撐平臺上的驅(qū)動(dòng)裝置，所述支撐平臺與所述被測物體相配合，所述驅(qū)動(dòng)裝置為所述測量反射鏡提供在被測物體位移方向上的位移。
[0022]作為本申請的優(yōu)選方案，所述驅(qū)動(dòng)裝置為壓電陶瓷型驅(qū)動(dòng)裝置。
[0023]在本方案中，采用壓電陶瓷型驅(qū)動(dòng)裝置能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，其在電場作用下產(chǎn)生的形