CN103528525A - 三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准方法与装置 - Google Patents

Abstract

三光轴补偿及气浴式线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测量光束穿过三轴中空激光干涉镜组的中间通孔，被校准激光干涉仪测量光束平行置于以正三棱柱侧棱形式分布的三条平行标准测量光束中心位置处；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，三条标准测量光束的空气折射率平均值接近被校准激光干涉仪测量光束的空气折射率值；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，使三条标准测量光束的空气折射率平均值更加接近被校准激光干涉仪测量光束的空气折射率值；目标反射镜反射面表面形貌造成的测量误差补偿到线位移测量结果中，保证线位移测量值的准确性。

Description

三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准方法与装置

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

激光干涉测量线位移技术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，为了保证激光干涉仪测量线位移的准确性，需要科学有效的线位移激光干涉仪校准方法与装置。校准线位移激光干涉仪一般思路是采用精度等级更高的线位移激光干涉仪来校准，当两者的精度相近时，即称为比对。在实际校准工作中，线位移激光干涉仪大多具有相当的精度，因而对线位移激光干涉仪的校准是通过比对实现的。目前，线位移激光干涉仪的一般校准方法有并行式，面对面式和共光路式(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)。

图1是并行式激光干涉仪校准装置结构示意图，标准测量镜和被校准测量镜安装在同一个可动平台上，当运动台移动时，两套激光干涉仪测量光束的光程同时增加与减小。由于两套激光干涉仪并行放置，两路光受环境影响相似，空气折射率对两路光影响较小，但由于两路光之间的垂直距离较大，因此两套激光干涉仪校准时阿贝误差较大。

图2是面对面式激光干涉仪校准装置结构示意图，标准测量镜和被校准测量镜面对面的安装在运动台上，其优点是两套激光干涉仪测量光束轴线可调整至几乎同一测量轴线上，两者的阿贝误差很小，缺点是由于一台干涉仪的近端是另一台的远端，两者光程不等，受环境的干扰不同，空气折射率对两套激光干涉仪的光路影响不一致。

2011年，中国计量科学研究院建立国内首个80米大长度激光干涉仪测量装置(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)，采用的标准装置是将三个Agilent5530型的长距离双频激光干涉仪并行摆放，成为三路激光干涉仪，被校准的激光干涉仪摆放在它们中间，从而进行校准校准，此方案属于并行式校准方法的衍生方案，并且由于采用三路光同时测量，因此可以补偿测量时的阿贝误差，但由于是三台激光器并行摆放，因此三路标准测量光空间位置较远，被校准激光干涉仪的测量光距离每路标准测量光距离也较远，所有测量光路受环境的影响不同，空气折射率对所有测量光路影响不一致，造成校准测量结果不准确。

图3是共光路式激光干涉仪校准装置结构示意图，共光路式与并行式激光干涉仪校准装置不同的是两台激光器和接收器成90度折转方式，两套激光干涉仪共用干涉镜组和测量镜。由于两套激光干涉仪共用一个干涉镜组和测量镜，无法确定共用的干涉镜组和测量镜是属于标准激光干涉仪部件还是属于被校准标准激光干涉仪部件，因此，不是准确意义上两套激光干涉仪的校准进行校准。

1985年，Dr-Ing H.-H.Schussler充分利用空间分布(Dr-Ing H.-H.Schussler.Comparison andcalibration of laser interferometer systems.Measurement，1985，3(4)：175-184)，将多对线位移激光干涉仪进行共光路校准。由于只是增加共光路激光干涉仪的数量，所以此方法也有上面提到的共光路式激光干涉仪校准装置的缺点。

发明内容

针对上述现有线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三光轴补偿及气浴式线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：

一种三光轴补偿及气浴式线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三轴中空激光干涉镜组形成相互平行的三条标准测量光束，三条标准测量光束以正三棱柱侧棱分布形式入射到有中间孔的平面镜上，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三轴中空激光干涉镜组后，根据从三轴中空激光干涉镜组中获得的与三条标准测量光束分别对应的三个干涉信号，可以得到有中间孔的平面镜沿标准测量光束方向运动的三个位移值，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三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被校准激光干涉仪测量光束，被校准激光干涉仪测量光束穿过三轴中空激光干涉镜组的中间通孔，与三条标准测量光束平行，并与每条标准测量光束的距离相等，被校准激光干涉仪测量光束入射到被校准激光干涉仪反射镜上，在被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，可以得到被校准激光干涉仪反射镜沿标准测量光束方向运动的位移值；

(3)气浴装置沿垂直于三条标准测量光束方向吹送匀速气流，形成稳定的气浴环境，在垂直于三条标准测量光束的平面，由三条标准测量光束在该平面投影点构成的等边三角形区域内，气浴环境使空气温度、湿度和气压近似均匀分布，使三条标准测量光束的空气折射率平均值更加接近被校准激光干涉仪测量光束的空气折射率值；

(4)三条标准测量光束和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二维方向的坐标位移(x，y)后，因目标反射镜反射面形貌特征造成的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)；

(5)运动台沿标准测量光束方向往复运动过程中伴有在垂直于标准测量光束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三个测量位移值和被校准激光干涉仪测量位移值，分别为S₁、S₂、S₃和S₄，三个光束位置探测器同步探测到三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，求取三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位移测量误差补偿到测量位移值中，得到S₁-z₁(x₁+x’，y₁+y’)、S₂-z₂(x₂+x’，y₂+y’)、S₃-z₃(x₃+x’，y₃+y’)和S₄-z₄(x₄+x’，y₄+y’)，取S₁-z₁(x₁+x’,y₁+y’)、S₂-z₂(x₂+x'，y₂+y’)和S₃-z₃(x₃+x’，y₃+y’)的平均值与S₄-z₄(x₄+x’，y₄+y’)作差，得到若干采样测量误差值。

一种三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准装置，包括标准激光干涉仪激光器和三个配置在可接收标准激光干涉仪干涉信号位置上的接收器，导线将三个接收器分别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三轴中空标准激光干涉镜组；三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反射镜，被校准激光干涉仪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；三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，且分别位于三条平行标准测量光束透射光路上；在三条平行标准测量光束侧部配置气浴装置；在三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)与并行式激光干涉仪校准装置相比，由于被校准激光干涉仪测量光束通过三轴中空激光干涉镜组的中间通孔，被校准激光干涉仪测量光轴与平行标准光轴之间的垂直距离更短，两者的光路更加接近，因此两套激光干涉仪校准时阿贝误差很小。

(2)与面对面式激光干涉仪校准装置相比，在垂直于三条标准测量光束的平面内，由三条标准测量光束在该平面投影点构成的等边三角形区域中，三条标准测量光束和被校准激光干涉仪测量光束受环境干扰的程度差异很小，三条标准测量光束的空气折射率平均值接近被校准激光干涉仪测量光束的空气折射率值。

(3)与共光路式激光干涉仪校准装置相比，没有共用干涉镜组和测量镜，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，是准确意义上两套激光干涉仪进行校准。

(4)三个光束位置探测器能够测量出三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线位移测量结果中，保证线位移测量值的准确性。

(5)在垂直于三条标准测量光束平面、并由三条标准测量光束在其平面投影围成的等边三角形区域内，由三条平行标准测量光束侧部配置的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，使三条标准测量光束的空气折射率平均值更加接近被校准激光干涉仪测量光束的空气折射率值。

附图说明

图1为并行式激光干涉仪校准装置结构示意图

图2为面对面式激光干涉仪校准装置结构示意图

图3为共光路式激光干涉仪校准装置结构示意图

图4为三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准装置结构示意图

图5为在有中间孔的平面镜与被校准激光干涉仪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、2三轴中空标准激光干涉镜组、3、4、5三条平行标准测量光束、6有中间孔的平面镜、7、8、9标准激光干涉仪接收器、10标准信号处理系统、11被校准激光干涉仪激光器、12被校准激光干涉仪干涉镜组、13被校准激光干涉仪测量光束、14中间通孔、15被校准激光干涉仪反射镜、16被校准激光干涉仪接收器、17被校准激光干涉仪信号处理系统、18运动台、19导轨、20气浴装置、21、22、23三个光束位置探测器、24、25、26三条平行标准测量光束光斑位置、27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。

一种三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准装置，包括标准激光干涉仪激光器1和三个配置在可分别接收三条平行标准测量光束3、4、5对应的干涉信号位置上的接收器7、8、9，导线将三个接收器7、8、9分别与标准激光干涉仪信号处理系统10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14的可以让被校准激光干涉仪测量光束13穿过的三轴中空标准激光干涉镜组2；三轴中空标准激光干涉镜组2一侧配置导轨19，运动台18配装在导轨19上，在运动台18上安装有中间孔的平面镜6，在平面镜6中间孔内安装被校准激光干涉仪反射镜15，被校准激光干涉仪反射镜15和有中间孔的平面镜6组成入射面共面并且相对位置固定的目标反射镜；三个光束位置探测器21、22、23配置在有中间孔的平面镜6透射区域后面，且分别位于三条平行标准测量光束3、4、5透射光路上；在三条平行标准测量光束侧部配置气浴装置；在三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12和被校准激光干涉仪激光器11，所述被校准激光干涉仪干涉镜组12位于被校准激光干涉仪激光器11输出光路上；被校准激光干涉仪接收器16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16与被校准激光干涉仪信号处理系统17连接。

所述的三条平行标准测量光束3、4、5和被校准激光干涉仪测量光束13都与目标反射镜入射面垂直。

所述的三轴中空标准激光干涉镜组2的中间通孔14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、5和被校准激光干涉仪测量光束13分别被有中间孔的平面镜6和被校准激光干涉仪反射镜15反射一次或一次以上。

所述的被校准激光干涉仪反射镜15包括平面镜、角锥棱镜、直角棱镜。

一种三光轴补偿及气浴式线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的输出光经三轴中空激光干涉镜组2形成相互平行的三条标准测量光束3、4、5，三条标准测量光束3、4、5以正三棱柱侧棱分布形式入射到有中间孔的平面镜6上，每条标准测量光束中带有平面镜6位移信息的部分光被反射回三轴中空激光干涉镜组2后，根据从三轴中空激光干涉镜组2中获得的与三条标准测量光束3、4、5分别对应的三个干涉信号，可以得到有中间孔的平面镜6沿标准测量光束3、4、5方向运动的三个位移值，每条标准测量光束3、4、5的其余部分光经有中间孔的平面镜6透射到三个光束位置探测器21、22、23上；

(2)被校准激光干涉仪激光器11的输出光经被校准激光干涉仪干涉镜组12形成被校准激光干涉仪测量光束13，被校准激光干涉仪测量光束13穿过三轴中空激光干涉镜组2的中间通孔14，与三条标准测量光束3、4、5平行，并与每条标准测量光束的距离相等，被校准激光干涉仪测量光束13入射到被校准激光干涉仪反射镜15上，在被反射回被校准激光干涉仪干涉镜组12后，根据从被校准激光干涉仪干涉镜组12中获得的干涉信号，可以得到被校准激光干涉仪反射镜15沿标准测量光束3、4、5方向运动的位移值；

(3)气浴装置20沿垂直于三条标准测量光束3、4、5方向吹送匀速气流，形成稳定的气浴环境，在垂直于三条标准测量光束3、4、5的平面，由三条标准测量光束3、4、5在该平面投影点构成的等边三角形区域内，气浴环境使空气温度、湿度和气压近似均匀分布，使三条标准测量光束3、4、5的空气折射率平均值更加接近被校准激光干涉仪测量光束13的空气折射率值；

(4)三条标准测量光束3、4、5和被校准激光干涉仪测量光束13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二维方向的坐标位移(x，y)后，因目标反射镜反射面形貌特征造成的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)；

(5)运动台18沿标准测量光束3、4、5方向往复运动过程中伴有在垂直于标准测量光束3、4、5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三个测量位移值和被校准激光干涉仪测量位移值，分别为S₁、S₂、S₃和S₄，三个光束位置探测器21、22、23同步探测到三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，求取三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位移测量误差补偿到测量位移值中，得到S₁-z₁(x₁+x’，y₁+y’)、S₂-z₂(x₂+x’，y₂+y’)、S₃-z₃(x₃+x’，y₃+y’)和S₄-Z₄(x₄+x’，y₄+y’)，取S₁-z₁(x₁+x’，y₁+y’)、S₂-z₂(x₂+x’,y₂+y’)和S₃-z₃(x₃+x’，y₃+y’)的平均值与S₄-z₄(x₄+x’，y₄+y’)作差，得到若干采样测量误差值。

标准测量光束光斑位置24、25、26依次分别是三条平行标准测量光束3、4、5入射到有中间孔的平面镜6的位置，被校准激光干涉仪光束光斑位置27是被校准激光干涉仪测量光束13入射被校准激光干涉仪反射镜15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27处在标准测量光束光斑位置24、25、26的中心位置点，即三条平行标准测量光束3、4、5将被校准激光干涉仪测量光束13夹持在中心位置。

Claims (6)

1.一种三光轴补偿及气浴式线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三轴中空激光干涉镜组形成相互平行的三条标准测量光束，三条标准测量光束以正三棱柱侧棱分布形式入射到有中间孔的平面镜上，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三轴中空激光干涉镜组后，根据从三轴中空激光干涉镜组中获得的与三条标准测量光束分别对应的三个干涉信号，可以得到有中间孔的平面镜沿标准测量光束方向运动的三个位移值，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三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被校准激光干涉仪测量光束，被校准激光干涉仪测量光束穿过三轴中空激光干涉镜组的中间通孔，与三条标准测量光束平行，并与每条标准测量光束的距离相等，被校准激光干涉仪测量光束入射到被校准激光干涉仪反射镜上，在被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，可以得到被校准激光干涉仪反射镜沿标准测量光束方向运动的位移值；

(3)气浴装置沿垂直于三条标准测量光束方向吹送匀速气流，形成稳定的气浴环境，在垂直于三条标准测量光束的平面，由三条标准测量光束在该平面投影点构成的等边三角形区域内，气浴环境使空气温度、湿度和气压近似均匀分布，使三条标准测量光束的空气折射率平均值更加接近被校准激光干涉仪测量光束的空气折射率值；

(4)三条标准测量光束和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二维方向的坐标位移(x,y)后，因目标反射镜反射面形貌特征造成的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)；

(5)运动台沿标准测量光束方向往复运动过程中伴有在垂直于标准测量光束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三个测量位移值和被校准激光干涉仪测量位移值，分别为S₁、S₂、S₃和S₄，三个光束位置探测器同步探测到三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，求取三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位移测量误差补偿到测量位移值中，得到S₁-z₁(x₁+x’,y₁+y’)、S₂-z₂(x₂+x’，y₂+y’)、S₃-z₃(x₃+x’,y₃+y’)和S₄-z₄(x₄+x’,y₄+y’)，取S_1-z₁(x₁+x’，y₁+y’)、S₂-z₂(x₂+x’,y₂+y’)和S₃-z₃(x₃+x’，y₃+y’)的平均值与S₄-z₄(x₄+x’，y₄+y’)作差，得到若干采样测量误差值。

2.一种三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准装置，包括标准激光干涉仪激光器(1)和三个配置在可接收标准激光干涉仪干涉信号位置上的接收器(7、8、9)，导线将三个接收器(7、8、9)分别与标准激光干涉仪信号处理系统(10)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(14)的可以让被校准激光干涉仪测量光束(13)穿过的三轴中空标准激光干涉镜组(2)；三轴中空标准激光干涉镜组(2)一侧配置导轨(19)，运动台(18)配装在导轨(19)上，在运动台(18)上安装有中间孔的平面镜(6)，在平面镜(6)中间孔内安装被校准激光干涉仪反射镜(15)，被校准激光干涉仪反射镜(15)和有中间孔的平面镜(6)组成入射面共面并且相对位置固定的目标反射镜；三个光束位置探测器(21、22、23)配置在有中间孔的平面镜(6)透射区域后面，且分别位于三条平行标准测量光束(3、4、5)透射光路上；在三条平行标准测量光束(3、4、5)侧部配置气浴装置(20)；在三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(12)和被校准激光干涉仪激光器(11)，所述被校准激光干涉仪干涉镜组(12)位于被校准激光干涉仪激光器(11)输出光路上；被校准激光干涉仪接收器(16)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(16)与被校准激光干涉仪信号处理系统(17)连接。

3.根据权利要求2所述的三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准装置，其特征在于所述的三条平行标准测量光束(3、4、5)和被校准激光干涉仪测量光束(13)都与目标反射镜入射面垂直。

4.根据权利要求2所述的三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准装置，其特征在于所述的三轴中空标准激光干涉镜组(2)的中间通孔(14)包括任意形状，数目是一个或一个以上。

5.根据权利要求2所述的三光轴补偿及气浴式线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、5)和被校准激光干涉仪测量光束(13)分别被有中间孔的平面镜(6)和被校准激光干涉仪反射镜(15)反射一次或一次以上。

6.根据权利要求2所述的三光轴补偿及气浴式线位移激光干涉仪校准装置，其特征在于所述的被校准激光干涉仪反射镜(15)包括平面镜、角锥棱镜、直角棱镜。

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