CN103528503B - 双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准方法与装置 - Google Patents
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Abstract
双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准方法与装置属于激光测量技术领域，本发明将被校准激光干涉仪两条测量光束穿过双轴中空激光干涉镜组的中间通孔，两条被校准激光干涉仪测量光束平行置于两条平行标准测量光束中间位置；标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束垂直距离很小，标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束空气折射率值非常接近；气浴装置形成的稳定气浴环境使空气温度、湿度和气压近似均匀分布，使标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束空气折射率值更加接近；目标反射镜反射面表面形貌造成的测量位移误差补偿到角位移测量结果中，保证角位移测量值的准确性。
Description
技术领域
本发明属于激光测量技术领域，主要涉及一种激光干涉仪校准方法与装置。
背景技术
角位移激光干涉仪是精度很高的标准测量技术，广泛应用于精密和超精密机械加工、微电子装备、纳米技术工业装备和国防装备等领域，可以用于微位移部件、移动平台和光刻机角度变化量的监测。角位移激光干涉仪可以提供很高的测量精度，并且可以动态测量运动中的相对摆角，这是区别其他仪器的独特优势，为了保证角位移激光干涉仪测量的准确性，科学有效地对角位移激光干涉仪进行校准非常重要。角位移激光干涉仪的实现是将单光路的线位移激光干涉仪改进成多光路的线位移激光干涉仪，通过测量得到的两条光路相对光程变化可以获得一个旋转角度的变化值。在目前文献资料中未提出角位移激光干涉仪的校准方法与装置，但因为角位移激光干涉仪是线位移激光干涉仪测量的衍生方案，所以角位移激光干涉仪校准可以采用线位移激光干涉仪的校准方法：并行式(冷玉国，陶磊，徐健.基于80m测量装置的双频激光干涉仪系统精度及影响因素分析.计量与测试技术，2011，38(9)：47-49)、背对背式(廖澄清，朱小平，王蔚晨，杜华.激光干涉仪测长精度校准方法的研究.现代测量与实验室管理，2005，1：6-7)和共光路式(Dr-Ing H.-H.Schussler.Comparison and calibration oflaser interferometer systems.Measurement，1985，3(4)：175-184)，因此角位移激光干涉仪校准装置也会有线位移激光干涉仪校准装置的缺点：较大的阿贝误差、严重的空气折射率不一致性和不是准确意义上两套激光干涉仪进行校准。
发明内容
针对上述现有角位移激光干涉仪校准装置中较大的阿贝误差、严重的空气折射率不一致性和不是准确意义上两套激光干涉仪进行校准的问题，本发明提出和研发了双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准方法与装置，该发明使标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束垂直距离很小，从而可以减小阿贝误差、减小空气折射率不一致性的影响，并且是准确意义上两套激光干涉仪进行校准。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准方法，该方法步骤如下：
(1)标准激光干涉仪激光器的输出光经双轴中空激光干涉镜组形成相互平行的两条标准测量光束，并都入射到有中间孔的平面镜上，在垂直于两条标准测量光束的平面内，第一条与第二条标准测量光束投影位置点之间的连接线段M长为A，每条标准测量光束中带有平面镜位移信息的部分光被反射回双轴中空激光干涉镜组后，根据从双轴中空激光干涉镜组中获得的干涉信号，得到连接线段M所在直线与有中间孔的平面镜入射面夹角的变化值arctan((a1-a2)／A)，其中，a1和a2分别为有中间孔的平面镜上第一条和第二条标准测量光束入射区域的线位移测量值，每条标准测量光束的其余部分光经有中间孔的平面镜透射到两个光束位置探测器上；
(2)被校准激光干涉仪激光器的输出光经被校准激光干涉仪干涉镜组形成相互平行的两条被校准激光干涉仪测量光束，被校准激光干涉仪两条测量光束都穿过双轴中空激光干涉镜组的中间通孔，与两条标准测量光束平行，并都入射到被校准激光干涉仪平面反射镜上，在垂直于两条标准测量光束的平面内，第一条与第二条被校准激光干涉仪测量光束投影位置点之间的连接线段m长为B，连接线段m与连接线段M共线，两条带有被校准激光干涉仪平面反射镜位移信息的被校准激光干涉仪测量光束反射回被校准激光干涉仪干涉镜组后，根据从被校准激光干涉仪干涉镜组中获得的干涉信号，得到连接线段m所在直线与被校准激光干涉仪平面反射镜入射面夹角的变化值arctan((b1-b2)／B)，其中，b1和b2分别为被校准激光干涉仪平面反射镜上第一条和第二条被校准激光干涉仪测量光束入射区域的线位移测量值；
(3)气浴装置沿垂直于两条标准测量光束方向吹送匀速气流，形成稳定的气浴环境，在垂直于两条标准测量光束的平面，由两条标准测量光束在该平面投影点构成的线段区域内，气浴环境使空气温度、湿度和气压均匀分布，使标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束空气折射率值更加接近；
(4)第一条、第二条标准测量光束和第一条、第二条被校准激光干涉仪测量光束在目标反射镜入射面上各自的初始入射位置坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)和(x4,y4)，在目标反射镜入射面上每条测量光束的初始入射位置坐标经过坐标位移(x，y)后，因目标反射镜反射面形貌特征造成的线位移测量值分别为函数z1(x1+x,y1+y)、z2(x2+x,y2+y)、z3(x3+x，y3+y)和z4(x4+x,y4+y)，运动台进行任意旋转方向的小角度偏摆并伴有在垂直于标准测量光束的平面内任意二维方向的衍生位移，以匀速或非匀速采样速率，同步采样标准激光干涉仪夹角变化值arctan((a1-a2)／A)和被校准激光干涉仪夹角变化值arctan((b1-b2)／B)，两个光束位置探测器同步探测到两条标准测量光束光斑在目标反射镜入射面上二维方向的衍生坐标位移值，求取两个坐标位移值的算术平均值(x’，y’)作为每条测量光束的衍生坐标位移值，将目标反射镜反射面形貌特征造成的线位移测量误差补偿到夹角变化值中，得到arctan{[(a1-z1(x1+x’,y1+y’))-(a2-z2(x2+x’，y2+y’))]／A}和arctan{[(b1-z3(x3+x’，y3+y’))-(b2-z4(x4+x’，y4+y’))]／B}，最终得到一系列角位移校准测量误差值arctan{[(a1-z1(x1+x’，y1+y’))-(a2-z2(x2+x’，y2+y’))]／A}-arctan{[(b1-z3(x3+x’，y3+y’))-(b2-z4(x4+x’，y4+y’))]／B}。
一种双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准装置，包括标准激光干涉仪激光器，可接收标准激光干涉仪干涉信号位置上的接收器，导线将接收器与标准激光干涉仪信号处理系统连接；在标准激光干涉仪激光器输出光路上配置有中间通孔的可以让被校准激光干涉仪测量光束穿过的双轴中空标准激光干涉镜组；双轴中空标准激光干涉镜组一侧配置导轨，运动台配装在导轨上，在运动台上安装有中间孔的平面镜，在平面镜中间孔内安装被校准激光干涉仪平面反射镜，被校准激光干涉仪平面反射镜和有中间孔的平面镜组成入射面共面并且相对位置固定的目标反射镜；两个光束位置探测器配置在有中间孔的平面镜透射区域后面，且分别位于两条平行标准测量光束透射光路上；在两条平行标准测量光束侧部配置气浴装置；在双轴中空标准激光干涉镜组另一侧配置被校准激光干涉仪干涉镜组和被校准激光干涉仪激光器，所述被校准激光干涉仪干涉镜组位于被校准激光干涉仪激光器输出光路上；被校准激光干涉仪接收器配置在可接收被校准激光干涉仪干涉信号的位置上，导线将被校准激光干涉仪接收器与被校准激光干涉仪信号处理系统连接。
本发明具有以下特点及良好效果：
(1)由于被校准激光干涉仪测量光束通过双轴中空激光干涉镜组的中间通孔，被校准测量光轴与平行标准光轴之间的垂直距离很短，两者的光路非常接近，因此两套激光干涉仪校准时阿贝误差很小。
(2)在垂直于两条标准测量光束的平面，由两条标准测量光束在该平面投影点构成的线段区域内，两条标准测量光束和两条被校准激光干涉仪测量光束受环境干扰的程度差异很小，标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束空气折射率值非常接近。
(3)没有共用的干涉镜组和测量镜，标准激光干涉仪部件和被校准标准激光干涉仪部件归属明确，是准确意义上的两套激光干涉仪进行校准。
(4)两个光束位置探测器能够测量出两条标准测量光束相对目标反射镜在垂直于标准测量光束平面内任意二维方向衍生位移，在发生衍生位移后，目标反射镜反射面表面形貌造成的测量位移误差补偿到角位移测量结果中，保证角位移测量值的准确性。
(5)气浴装置沿垂直于两条标准测量光束方向吹送匀速气流，形成稳定的气浴环境，在垂直于两条标准测量光束的平面，由两条标准测量光束在该平面投影点构成的线段区域内，气浴环境使空气温度、湿度和气压均匀分布，使标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束空气折射率值更加接近。
附图说明
图1为双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准装置结构示意图
图2为在有中间孔的平面镜与被校准激光干涉仪平面反射镜组成的目标反射镜的入射面上光斑位置分布示意图
图中：1标准激光干涉仪激光器、2双轴中空标准激光干涉镜组、3、4两条平行标准测量光束、5有中间孔的平面镜、6标准激光干涉仪接收器、7标准信号处理系统、8被校准激光干涉仪激光器、9被校准激光干涉仪干涉镜组、10、11两条被校准激光干涉仪测量光束、12中间通孔、13被校准激光干涉仪平面反射镜、14被校准激光干涉仪接收器、15被校准激光干涉仪信号处理系统、16运动台、17导轨、18气浴装置、19、20两个光束位置探测器、21、22两条平行标准测量光束光斑位置、23、24两条被校准激光干涉仪光束光斑位置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
一种双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准装置，包括标准激光干涉仪激光器1，可接收标准激光干涉仪干涉信号位置上的接收器6，导线将接收器6与标准激光干涉仪信号处理系统7连接；在标准激光干涉仪激光器1输出光路上配置有中间通孔12的可以让被校准激光干涉仪测量光束10、11穿过的双轴中空标准激光干涉镜组2；双轴中空标准激光干涉镜组2一侧配置导轨17，运动台16配装在导轨17上，在运动台16上安装有中间孔的平面镜5，在平面镜5中间孔内安装被校准激光干涉仪平面反射镜13，被校准激光干涉仪平面反射镜13和有中间孔的平面镜5组成入射面共面并且相对位置固定的目标反射镜；两个光束位置探测器19、20配置在有中间孔的平面镜5透射区域后面，且分别位于两条平行标准测量光束3、4透射光路上；在两条平行标准测量光束3、4侧部配置气浴装置18；在双轴中空标准激光干涉镜组2另一侧配置被校准激光干涉仪干涉镜组9和被校准激光干涉仪激光器8，所述被校准激光干涉仪干涉镜组9位于被校准激光干涉仪激光器8输出光路上；被校准激光干涉仪接收器14配置在可接收被校准激光干涉仪干涉信号的位置上，导线将被校准激光干涉仪接收器14与被校准激光干涉仪信号处理系统15连接。
所述的双轴中空标准激光干涉镜组2的中间通孔12包括任意形状，数目是一个或一个以上。
所述的每条平行标准测量光束3、4和每条被校准激光干涉仪测量光束10、11分别被有中间孔的平面镜5和被校准激光干涉仪平面反射镜13反射一次或一次以上。
所述的标准激光干涉仪接收器6和被校准激光干涉仪接收器14的数目分别是一个或一个以上。
一种双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准方法，该方法步骤如下：
(1)标准激光干涉仪激光器1的输出光经双轴中空激光干涉镜组2形成相互平行的两条标准测量光束3、4，并都入射到有中间孔的平面镜5上，在垂直于两条标准测量光束3、4的平面内，第一条与第二条标准测量光束投影位置点之间的连接线段M长为A，每条标准测量光束中带有平面镜5位移信息的部分光被反射回双轴中空激光干涉镜组2后，根据从双轴中空激光干涉镜组2中获得的干涉信号，得到连接线段M所在直线与有中间孔的平面镜5入射面夹角的变化值arctan((a1-a2)/A)，其中，a1和a2分别为有中间孔的平面镜5上第一条和第二条标准测量光束入射区域的线位移测量值，每条标准测量光束3、4的其余部分光经有中间孔的平面镜5透射到两个光束位置探测器19、20上；
(2)被校准激光干涉仪激光器8的输出光经被校准激光干涉仪干涉镜组9形成相互平行的两条被校准激光干涉仪测量光束10、11，被校准激光干涉仪两条测量光束10、11都穿过双轴中空激光干涉镜组2的中间通孔12，与两条标准测量光束3、4平行，并都入射到被校准激光干涉仪平面反射镜13上，在垂直于两条标准测量光束3、4的平面内，第一条与第二条被校准激光干涉仪测量光束投影位置点之间的连接线段m长为B，连接线段m与连接线段M共线，两条带有被校准激光干涉仪平面反射镜13位移信息的被校准激光干涉仪测量光束10、11反射回被校准激光干涉仪干涉镜组9后，根据从被校准激光干涉仪干涉镜组9中获得的干涉信号，得到连接线段m所在直线与被校准激光干涉仪平面反射镜13入射面夹角的变化值arctan((b1-b2)／B)，其中，b1和b2分别为被校准激光干涉仪平面反射镜13上第一条和第二条被校准激光干涉仪测量光束入射区域的线位移测量值；
(3)气浴装置18沿垂直于两条标准测量光束3、4方向吹送匀速气流，形成稳定的气浴环境，在垂直于两条标准测量光束3、4的平面，由两条标准测量光束3、4在该平面投影点构成的线段区域内，气浴环境使空气温度、湿度和气压均匀分布，使标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束空气折射率值更加接近；
(4)第一条、第二条标准测量光束和第一条、第二条被校准激光干涉仪测量光束在目标反射镜入射面上各自的初始入射位置坐标分别为(x1，y1)、(x2,y2)、(x3,y3)和(x4,y4)，在目标反射镜入射面上每条测量光束的初始入射位置坐标经过坐标位移(x，y)后，因目标反射镜反射面形貌特征造成的线位移测量值分别为函数z1(x1+x,y1+y)、z2(x2+x,y2+y)、z3(x3+x,y3+y)和z4(x4+x,y4+y)，运动台16进行任意旋转方向的小角度偏摆并伴有在垂直于标准测量光束3、4的平面内任意二维方向的衍生位移，以匀速或非匀速采样速率，同步采样标准激光干涉仪夹角变化值arctan((a1-a2)／A)和被校准激光干涉仪夹角变化值arctan((b1-b2)/B)，两个光束位置探测器19、20同步探测到两条标准测量光束3、4光斑在目标反射镜入射面上二维方向的衍生坐标位移值，求取两个坐标位移值的算术平均值(x’，y’)作为每条测量光束的衍生坐标位移值，将目标反射镜反射面形貌特征造成的线位移测量误差补偿到夹角变化值中，得到arctan{[(a1-z1(x1+x'，y1+y’))-(a2-z2(x2+x'，y2+y’))]／A}和arctan{[(b1-z3(x3+x’，y3+y’))-(b2-z4(x4+x’，y4+y’))]／B}，最终得到一系列角位移校准测量误差值arctan{[(a1-z1(x1+x’,y1+y’))-(a2-z2(x2+x’，y2+y’))]／A}-arctan{[(b1-z3(x3+x’,y3+y’))-(b2-z4(x4+x’，y4+y’))]／B}。
标准测量光束光斑位置21、22依次分别是两条平行标准测量光束3、4入射到有中间孔的平面镜5的位置，被校准激光干涉仪光束光斑位置23、24是被校准激光干涉仪测量光束10、11入射被校准激光干涉仪平面反射镜13的位置，从位置分布可以看出被校准激光干涉仪光束光斑位置23、24处在标准测量光束光斑位置21、22的中间，即两条平行标准测量光束3、4将被校准激光干涉仪测量光束10、11夹持在中间位置。
Claims (5)
1.一种双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准方法，其特征在于该方法步骤如下：
(1)标准激光干涉仪激光器的输出光经双轴中空激光干涉镜组形成相互平行的两条标准测量光束，并都入射到有中间孔的平面镜上，在垂直于两条标准测量光束的平面内，第一条与第二条标准测量光束投影位置点之间的连接线段M长为A，每条标准测量光束中带有平面镜位移信息的部分光被反射回双轴中空激光干涉镜组后，根据从双轴中空激光干涉镜组中获得的干涉信号，得到连接线段M所在直线与有中间孔的平面镜入射面夹角的变化值arctan((a1-a2)／A)，其中，a1和a2分别为有中间孔的平面镜上第一条和第二条标准测量光束入射区域的线位移测量值，每条标准测量光束的其余部分光经有中间孔的平面镜透射到两个光束位置探测器上；
(2)被校准激光干涉仪激光器的输出光经被校准激光干涉仪干涉镜组形成相互平行的两条被校准激光干涉仪测量光束，被校准激光干涉仪两条测量光束都穿过双轴中空激光干涉镜组的中间通孔，与两条标准测量光束平行，并都入射到被校准激光干涉仪平面反射镜上，在垂直于两条标准测量光束的平面内，第一条与第二条被校准激光干涉仪测量光束投影位置点之间的连接线段m长为B，连接线段m与连接线段M共线，两条带有被校准激光干涉仪平面反射镜位移信息的被校准激光干涉仪测量光束反射回被校准激光干涉仪干涉镜组后，根据从被校准激光干涉仪干涉镜组中获得的干涉信号，得到连接线段m所在直线与被校准激光干涉仪平面反射镜入射面夹角的变化值arctan((b1-b2)／B)，其中，b1和b2分别为被校准激光干涉仪平面反射镜上第一条和第二条被校准激光干涉仪测量光束入射区域的线位移测量值；
(3)气浴装置沿垂直于两条标准测量光束方向吹送匀速气流，形成稳定的气浴环境，在垂直于两条标准测量光束的平面，由两条标准测量光束在该平面投影点构成的线段区域内，气浴环境使空气温度、湿度和气压均匀分布，使标准测量光束与被校准激光干涉仪测量光束空气折射率值更加接近；
(4)第一条、第二条标准测量光束和第一条、第二条被校准激光干涉仪测量光束在目标反射镜入射面上各自的初始入射位置坐标分别为(x1，y1)、(x2,y2)、(x3，y3)和(x4,y4)，在目标反射镜入射面上每条测量光束的初始入射位置坐标经过坐标位移(x,y)后，因目标反射镜反射面形貌特征造成的线位移测量值分别为函数z1(x1+x,y1+y)、z2(x2+x,y2+y)、z3(x3+x,y3+y)和z4(x4+x,y4+y)，运动台进行任意旋转方向的小角度偏摆并伴有在垂直于标准测量光束的平面内任意二维方向的衍生位移，以匀速或非匀速采样速率，同步采样标准激光干涉仪夹角变化值arctan((a1-a2)／A)和被校准激光干涉仪夹角变化值arctan((b1-b2)／B)，两个光束位置探测器同步探测到两条标准测量光束光斑在目标反射镜入射面上二维方向的衍生坐标位移值，求取两个坐标位移值的算术平均值(x’，y’)作为每条测量光束的衍生坐标位移值，将目标反射镜反射面形貌特征造成的线位移测量误差补偿到夹角变化值中，得到arctan{[(a1-z1(x1+x’，y1+y’))-(a2-z2(x2+x’，y2+y’))]／A}和arctan{[(b1-z3(x3+x',y3+y'))-(b2-z4(x4+x',y4+y'))]／B}，最终得到一系列角位移校准测量误差值arctan{[(a1-z1(x1+x'，y1+y’))-(a2-z2(x2+x'，y2+y’))]／A}-arctan{[(b1-z3(x3+x’，y3+y’))-(b2-z4(x4+x'，y4+y’))]／B}。
2.一种双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准装置，包括标准激光干涉仪激光器(1)，可接收标准激光干涉仪干涉信号位置上的接收器(6)，导线将接收器(6)与标准激光干涉仪信号处理系统(7)连接；其特征在于在标准激光干涉仪激光器(1)输出光路上配置有中间通孔(12)的可以让被校准激光干涉仪测量光束(10、11)穿过的双轴中空标准激光干涉镜组(2)；双轴中空标准激光干涉镜组(2)一侧配置导轨(17)，运动台(16)配装在导轨(17)上，在运动台(16)上安装有中间孔的平面镜(5)，在平面镜(5)中间孔内安装被校准激光干涉仪平面反射镜(13)，被校准激光干涉仪平面反射镜(13)和有中间孔的平面镜(5)组成入射面共面并且相对位置固定的目标反射镜；两个光束位置探测器(19、20)配置在有中间孔的平面镜(5)透射区域后面，且分别位于两条平行标准测量光束(3、4)透射光路上；在两条平行标准测量光束(3、4)侧部配置气浴装置(18)；在双轴中空标准激光干涉镜组(2)另一侧配置被校准激光干涉仪干涉镜组(9)和被校准激光干涉仪激光器(8)，所述被校准激光干涉仪干涉镜组(9)位于被校准激光干涉仪激光器(8)输出光路上；被校准激光干涉仪接收器(14)配置在可接收被校准激光干涉仪干涉信号的位置上，导线将被校准激光干涉仪接收器(14)与被校准激光干涉仪信号处理系统(15)连接。
3.根据权利要求2所述的双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准装置，其特征在于所述的双轴中空标准激光干涉镜组(2)的中间通孔(12)包括任意形状，数目是一个或一个以上。
4.根据权利要求2所述的双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准装置，其特征在于所述的每条平行标准测量光束(3、4)和每条被校准激光干涉仪测量光束(10、11)分别被有中间孔的平面镜(5)和被校准激光干涉仪平面反射镜(13)反射一次或一次以上。
5.根据权利要求2所述的双光轴补偿及气浴式角位移激光干涉仪校准装置，其特征在于所述的标准激光干涉仪接收器(6)和被校准激光干涉仪接收器(14)的数目分别是一个或一个以上。
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