一种使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统

摘要

本发明提供了一种使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统能够用于超精密双频干涉测量的实时环境补偿方法，只需要在传统的双频干涉测量的基础上增加一个干涉仪和相关的接收元件即可，无需其它的额外设备，使用简单，计算方便，费用低廉，实时性好，且对激光器频差不稳定所引起的稳频误差也具有良好的补偿效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种距离测量系统，特别涉及一种双频干涉测量系统。

背景技术

双频激光干涉测量系统根据光学干涉原理，通过光学和电子细分技术，可以进行高速高精密的位移测量，如果与不同的附件组合，还可以进行长度、速度、角度、平面度、直线度等测量，具有测量范围大、分辨率高、精度高等优势。作为一种超精密的非接触式测量设备，激光干涉测量系统在半导体制造、精密机床加工、军事航天、汽车制造、坐标测量等领域都具有非常广泛的用途。

尽管双频激光干涉仪可以达到纳米甚至亚纳米的分辨率，但它的测量精度却受很多因素的影响，如环境误差、余弦误差、阿贝误差等，导致实际测量时达到的精度常常是微米量级，甚至更差。这其中，环境误差又是影响测量精度的最主要因素。

环境误差产生的原因在于测量光路上空气折射率在不断波动。由于双频干涉测量给出的是干涉仪参考臂与移动臂之间的光程差，因此其物理路径长度是光程除以光束通过路径上空气的平均折射率。在实际应用中，沿测量路径的空气折射率经常会因温度、压力以及气流的波动(尤其在运动台进行往复运动时)而变化，导致测量结果出现误差。必须对此加以实时补偿修正，以满足超精密测量应用的需求。

目前，一种补偿方法是利用专门研制的环境补偿仪器，如Agilent公司的差分折射率计(也称为wavelength tracker)10717A，但价格昂贵；另外一种方法是根据测得的环境温度、湿度和压力值，通过埃德勒(Edlen)公式实时计算波长变化情况，但该公式本身就是一种近似算法，应用时也往往采用它的简化形式，以避免复杂的计算，这就不可避免的会引入系统误差，另外，这种方法的温度压力值的测量更新往往是以秒为单位进行的，属“半实时”校正方法，且对测量光路中的空气扰动无能为力；还有一种方法是通过同时测量沿测量路径行进方向的声速来确定环境的影响，如文献“改善激光干涉仪的测量的方法”(专利申请号CN99814090.2)，但这种方法无疑增大了设备成本；另外一种与此类似的方法是通过测量两个或多个波长的光程长度求出折射率，如专利“补偿空气扰动的双波长外差干涉仪的结构”(申请号CN99118742.3)，但是这种方法需要两个分开很远的测量波长(通常是倍数关系)，对激光器提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统，以实现实时完成环境误差的校正，对激光器波长不稳定引起的漂移也具有很好的补偿效果进行补偿。

为了达到上述目的，本发明提供一种使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统，其包括激光器、测量干涉仪、被测物体、第一光电接收元件、第一计数电路，该激光器发出的光束进入该测量干涉仪后照射该被测物体反射回到该测量干涉仪，经过该测量干涉仪的干涉的光束经该第一光电接收元件转换后进入该第一计数电路，该激光器、测量干涉仪、第一光电接收元件、第一计数电路构成测量光路。

该使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统还包括补偿分光镜、补偿干涉仪参考镜、第二光电接收元件、第二计数电路和环境补偿电路，该补偿分光镜将测量光束分出一部分进入该补偿干涉仪后经过该参考镜的反射回到该补偿干涉仪，经过该补偿干涉仪的干涉光束经该第二光电接收元件转换后进入该第二计数电路，该第一计数电路和该第二计数电路的输出信号输入该环境补偿电路。

该从补偿干涉仪到该参考镜的传播介质与该从测量干涉仪到该被测物体的传播介质相同。

该从补偿干涉仪到该参考镜的路径长度固定。

该补偿干涉仪为单轴干涉仪。该补偿干涉仪可以是差分干涉仪，也可以是平镜干涉仪，还可以是线性干涉仪。

该测量系统中，还可以加入与该测量光路相同的用于测量的干涉光路。

可以在该补偿分光镜分出的光路上加入反射镜调整补偿光路的方向。

本发明所提供的使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统，只需要在传统的双频干涉测量的基础上增加一个干涉仪和相关的接收元件即可，无需其它的额外设备，使用简单，计算方便，费用低廉，实时性好，且对激光器频差不稳定所引起的稳频误差也具有良好的补偿效果。

附图说明

图1为本发明的使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统原理图；

图2为本发明的使用实时环境补偿方法的超精密三轴双频干涉测量系统原理图；

附图中：1、氦氖激光器；2、补偿分光镜；3、测量干涉仪；4、被测物体；5、第一光电接收元件；6、反光镜；7、补偿干涉仪；8、参考镜；9、第二光电接收元件；10、第一计数电路；11、第二计数电路；12、环境补偿电路；13、双频氦氖激光器；14、50％分光镜；15、50％分光镜；16、反光镜；17、单轴干涉仪；18、单轴干涉仪；19、50％分光镜；20、反光镜；21、单轴干涉仪；22、用于补偿测量的单轴干涉仪；23、两面镀膜的运动平台；24、反光镜；25、光电检测接收器；26、光电检测接收器；27、光电检测接收器；28、光电检测接收器；29、VME机箱；30、PowerPC板卡；31、环境补偿卡；32、数据格式转换卡；33、两轴的激光计数卡；34、两轴的激光计数卡；35、运动台控制器；36、主控制。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1示出了本发明的使用实时环境补偿方法的超精密双频干涉测量系统原理图，该超精密双频干涉测量系统，包括一个频差稳定的氦氖激光器1，在激光器光束前进方向上依次同轴放置一个补偿分光镜2、一个测量干涉仪3和被测物体4；补偿分光镜2分出的光经反光镜6后进入补偿干涉仪7和静止的参考镜8。来自测量干涉仪3的干涉光，与来自补偿干涉仪7的干涉光分别经第一光电接收元件5、第二光电接收元件9转换后送入第一计数电路10、第二计数电路11进行计数，然后送入环境补偿电路12。

对于测量干涉仪，在初始条件下，测量的物理路径L₀、初始波长λ₀、扩展分辨率N与对应的初始空气中的条纹数XL₀的关系为：

L₀＝XL₀×λ₀/N

此时测量干涉仪所对应的测量光路的测量条纹数读数为0。

而对于补偿干涉仪，在初始条件下，测量的物理路径C₀、初始波长λ₀、扩展分辨率N和对应的初始空气中的条纹数XC₀的关系为：

C₀＝XC₀×λ₀/N

此时补偿干涉仪所对应的补偿光路的测量条纹数读数也为0。

记某时刻波长的实际值为λ。对于补偿干涉仪所对应的补偿光路，记测量条纹数的当前值为XC，由于参考镜始终静止，物理路径没有变化，则有：

C₀＝(XC₀+XC)×λ/N

于是：

$\frac{\lambda }{N}=\frac{C_0}{{\mathrm{XC}}_0+\mathrm{XC}}$(式一)

对于测量干涉仪所对应的测量光路，记测量条纹数的当前值为XL，则被测物体移动的物理路径长度应该为：

L+L₀＝(XL₀+XL)×λ/N

代入式一，则有：

$L=\frac{L_0+\mathrm{XL}·({\lambda }_0/N)}{C_0+\mathrm{XC}·({\lambda }_0/N)}·C_0-L_0$

显然，只要补偿干涉仪的测量光路与测量干涉仪的测量光路具有相同的环境条件，就可以精确得到被测物体实际位移的物理路径长度。且计算简单，能够充分保证实时性要求。

图2示出了本发明的使用实时环境补偿方法的超精密三轴双频干涉测量系统原理图，包括一个双频氦氖激光器13，三个50％分光镜14、15、19，两个反光镜16、20，3个用于测量的单轴干涉仪17、18、21，一个用于补偿测量的单轴干涉仪22，一个两面镀膜的运动平台23，一个静止的反光镜24，四个光电检测接收器25、26、27、28，一个VME机箱29，内置了一个PowerPC板卡30，两个两轴的激光计数卡33、34，一块环境补偿卡31，一块数据格式转换卡32，一个运动台控制器35，一个主控制36。

为了获取更好的测量精度，补偿干涉仪选用了差分干涉仪，测量干涉仪选用了平镜干涉仪。此外，补偿干涉仪22和静止镜24固定在同一块殷钢板上，以尽量降低环境变化对二者距离的影响。工作时，环境补偿卡以固定采样间隔T从两块激光计数卡33、34中读取计数值X1(对应于测量干涉仪17)、X2(对应于测量干涉仪18)、Y(对应于测量干涉仪21)和C(对应于补偿干涉仪22)。记初始化时，X1、X2、Y对应的死程长度分别为DX1、DX2、DY，补偿干涉仪的差分测量距离为DC，测量干涉仪17和18之间的光束间距为M，初始波长为λ₀，扩展分辨率为N，则经过环境校正后，运动平台的位移情况x、y和Rz分别为：

$x=\frac{\frac{X1+X2}{2}·\mathrm{DC}-\frac{\mathrm{DX}1+\mathrm{DX}2}{2}·C}{\mathrm{DC}+C·({\lambda }_0/N)}·\frac{{\lambda }_0}{N}$

$y=\frac{Y·\mathrm{DC}-\mathrm{DY}·C}{\mathrm{DC}+C·({\lambda }_0/N)}·\frac{{\lambda }_0}{N}$

$\mathrm{Rz}=\frac{(X2-X1)·\mathrm{DC}-(\mathrm{DX}2-\mathrm{DX}1)·C}{[\mathrm{DC}+C·({\lambda }_0/N)]·M}·\frac{{\lambda }_0}{N}$

该计算过程在环境补偿板中完成。计算给出的位移结果，经过数据格式转换板(不是必须，视控制器接口情况而定)后送入控制器，即可完成超精密运动控制任务。实测表明，该环境补偿方法的精度优于0.15ppm，完全满足超精密测控的需要。从本发明的技术方案还可以看出，本发明不仅能够实时完成对环境扰动的误差校正，而且对激光器频差不稳定所引起的误差也具有良好的补偿效果。