一種波長(zhǎng)修正式多光束角階梯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(cè)試技術(shù)及儀器領(lǐng)域，特別涉及一種波長(zhǎng)修正式多光束 角階梯反射鏡激光干涉儀。
【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(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(zhǎng)度、角度的測(cè)量如線(xiàn)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(zhuān)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(zhǎng)系統(tǒng)中，都采用了邁克爾遜干涉儀或類(lèi)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(lái)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(xiàn)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 = NXA/2,式中λ 為激光波長(zhǎng)(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(zhǎng)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(guò)了計(jì)數(shù)器 的觸發(fā)電平則就會(huì)被記錄下來(lái)，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(wèn)題，其測(cè)量精度受限于激光的波長(zhǎng)，其精度一 般只能為其波長(zhǎng)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(lái)越高，對(duì)測(cè)量?jī)x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(zhǎng)，測(cè)量精度難以 提升的不足，提供一種波長(zhǎng)修正式多光束角階梯反射鏡激光干涉儀及波長(zhǎng)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η光源η階梯平面角反射鏡，測(cè)量精度
，提高該激光干涉儀的測(cè)量精度。測(cè)量環(huán)境下的激光等效波長(zhǎng)可以通過(guò)本發(fā)明 所述波長(zhǎng)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] 一種波長(zhǎng)修正式多光束角階梯反射鏡激光干涉儀及波長(zhǎng)修正方法，包括激光源、 分光鏡、固定階梯平面角反射鏡、測(cè)量角反射鏡裝置、光電探測(cè)器組，所述測(cè)量角反射鏡裝 置包括測(cè)量角反射鏡與精密位移裝置，所述測(cè)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(cè)物體上，所述精密位移裝置為所述測(cè)量角反射鏡提供與被測(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 2,所述光電探測(cè)器組 包括η個(gè)光電探測(cè)器件;所述固定階梯平面角反射鏡(3)包括成直角的兩個(gè)反射階梯面，每 個(gè)所述反射階梯面包括η個(gè)成階梯形的反射平面，相鄰兩個(gè)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(zhǎng)，所述測(cè)量角反射鏡包括成直角 的兩個(gè)反射平面;所述激光源發(fā)出的每束激光經(jīng)過(guò)所述分光鏡反射后，分別射入對(duì)應(yīng)一個(gè) 反射平面，每個(gè)所述反射平面將每束激光反射到對(duì)應(yīng)的所述光電探測(cè)器組的各個(gè)光電探測(cè) 器件;所述激光源發(fā)出的每束激光經(jīng)過(guò)所述分光鏡透射后，分別入射到所述測(cè)量角反射鏡 后反射到對(duì)應(yīng)的光電探測(cè)器組的各個(gè)光電探測(cè)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(cè)器件的數(shù)量均為η (η 2 2)，且為一一對(duì)應(yīng)，即激光源發(fā)射的每個(gè)激光均分為兩路，一束激光通過(guò)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(gè)平面后，反射到光電探測(cè)器組上的其中一個(gè)光 電探測(cè)器件，另一束激光直接在分光鏡內(nèi)透射后入射到測(cè)量角反射鏡后再反射到同一個(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)量角反射鏡發(fā)生位移過(guò)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(guò)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(shí)激光源發(fā)射的每個(gè)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(zhǎng)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(gè)平面高度差值等于
角為45度，等效光程
，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Vn+kA。
[0010] 由于上述光程差公式中kA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)量角反射鏡進(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)器件的至少其中一個(gè)能夠檢測(cè)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(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(zhǎng)λ而言，該測(cè)量精度得到了顯著提高，該測(cè)量精度即由固定階梯平 面角反射鏡的階梯面的每?jī)蓚€(gè)階梯平面的間距(也可稱(chēng)為高度或厚度）以及激光源的激光 波長(zhǎng)決定。
[0011] 由于采用多光路干涉測(cè)量，測(cè)量過(guò)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(guò) 程中嚴(yán)格滿(mǎn)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(shuō)明的是，相鄰兩個(gè)平面高度差值等于
1真正決定激光是否處于 最強(qiáng)干涉狀態(tài)或最弱干涉狀態(tài)的只是差值
，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，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(gè)反射薄片組合 而成，每個(gè)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(guò)2 X (n-1)個(gè)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(gè)反射薄片的厚度為
外為自然數(shù)，即每 個(gè)反射薄片的厚度可以相同也可以不同，但兩階梯面應(yīng)對(duì)稱(chēng)。
[0015] 優(yōu)選地，每個(gè)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(gè)反射薄片形成的兩個(gè)階梯平面的高度誤差。
[0017] 優(yōu)選地，η個(gè)所述激光源等距分布，且相鄰兩個(gè)所述激光束的間距等于激光波長(zhǎng)的 整數(shù)倍。
[0018] 優(yōu)選地，相鄰兩個(gè)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(zhǎng)。
[0019] 本申請(qǐng)的上述方案中，由于將測(cè)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(cè)物體上，當(dāng)被測(cè)