CN101498577A - 精密相移发生装置和精密长度测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的精密相移发生装置是基于“压力扫描”原理而设计的“腔长可变式”标准具和柔性铰链微位移平台一体化装置。利用石英材料的低膨胀、高机械品质因素的特点，通过巧妙、精确的结构设计，在精密压力发生器的作用下，分别实现了标准具自身及柔性铰链微位移平台的位移扫描，从而实现物体长度的精密测量；此外“腔长可变式”标准具的设计解决了精密位移传感器的自校准难题，保证了精密相移发生装置相移测量的准确度。本发明还提供了由精密相移发生装置构成的精密长度测量系统及其测量方法。

Description

精密相移发生装置和精密长度测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及相移干涉测量领域，特别是涉及用于相移干涉测量的精密相移发生装置，和利用该精密相移发生装置构成的精密长度测量系统及其测量方法。

背景技术

非接触、相移干涉测量是长度测量中最准确的方法。目前有两种主要测量方法：“机械式扫描”和“激光变频法”。前者利用机械扫描的方式实现相移，测量待测物体表面与(法布里-珀罗)标准具之间的距离，但是却因为标准具腔长固定而无法准确测量标准具之间的距离(只能用Haidinger法测量)。因而该方法的测量准确度较低，并且没有继续提高的潜力；后者利用改变光源频率实现相移，比前者具有更高的准确度，是目前国际上主要的方法。澳大利亚科学院(CommonwealthScientific and Industrial Research Organisation，简称CSIRO)于2001年首先完成了“激光变频法”真空测长系统的建立，实现了单晶硅球密度标准不确定度1×10^-7，2004年日本计量研究所(National MetrologyInstitute of Japan，NMIJ)改进了“机械式扫描”测长干涉系统，也建立了“激光变频法”真空测长系统，将硅球密度的测量准确度提高到0.9×10^-7。从技术上讲，硅球密度的测量关键在于精确测量硅球的直径，目前有两种主要测量方法：平面波前激光干涉法和球面波前激光干涉法。图1为利用平面波前激光干涉法测量硅球直径的光学系统示意图，E1、E2为标准板，该方法是利用标准板和球面反射光两束光相干产生干涉条纹，通过广义相移算法精确确定干涉条纹的小数部分，其最大特点是忽略了标准板和硅球表面的多次反射以及透射光对干涉级次的影响，但是研究表明：对高精度应用如精密测长干涉仪，特别是在反射面反射率较高时，忽略多光束干涉的影响将是十分严重的。另一种球面波前激光干涉法，如图2所示，图中F为标准具，与硅球同心的标准球面，显然，硅球表面各点与标准具的距离是相等的。该方法考虑了标准具与硅球表面多次反射对干涉级次的影响，其优点是一次可同时测量多个直径，具有较高的工作效率。不足之处在于，由于标准具与硅球对激光的反射率相差太大而且难以进行调节(单晶硅折射率比任何透明材料的折射率都高出很多)，致使相干光束能量相差悬殊，从而影响了干涉条纹的清晰度，增大了CCD的光强测量误差，降低了系统的准确度；此外，该系统中对标准具加工精度要求极高，任何加工误差、光学元件位置偏移、对准误差等等都将降低系统准确度。该两种方法限于频谱宽度、变频范围、仪器噪声等因素的影响，测量准确度及提高潜力也受到限制。目前用“激光变频法”可实现长度的最佳测量能力为几个纳米，不能满足精密长度测量，如在长度计量中的量值溯源，固体密度基准中单晶硅球直径的测量，阿伏加德罗常数关键技术研究，材料体胀系数、压缩系数的精密测量和国防、航天、军事工业中各种精密生产、加工技术及科学研究等等领域对长度测量准确度的需要。在精密测长中难以再有实质性的进展。因此，要提高固体密度基准测量准确度，实现建立摩尔基准、定义质量基准，必须研究新的技术原理、利用新的技术方法和实验手段，才能从根本上提高固体密度基准的测量准确度。

固体密度基准研究主要是测量硅球的密度，密度等于质量除以体积，因此固体密度基准的研究主要归结为对硅球质量和体积的精密测量，其中体积测量是课题研究的重点，包括硅球直径测量，温度测量和表面氧化层厚度测量等，其中温度测量和表面氧化层厚度测量是为了进行直径修正，从而更准确的提高直径测量准确度。直径测量采用目前通用的非接触测长方法：“相移法”测长法，其基本原理如图3所示，测量过程包括对标准具之间的距离L，待测物体表面与标准具的间距L1、L2的初测，即通过“小数重合法”或准确度稍低的其他测量方法实现干涉级次的整数部分N的测量(N的测量可用常规测量技术，易于实现，不是本发明讨论的范围)；本发明的主要目的是实现对L，L1，L2的精确测量，即精确测定干涉级次小数部分ε；球直径的计算：D＝L-L1-L2＝(N+ε)λ/2，其中λ为激光波长。

鉴于国际上两种主要的相移测量方法：“机械扫描法”和“激光变频法”都因其各自的局限性难以在精密测长中有实质性的突破。本发明的精密相移发生装置基于新的技术原理和新的测量方法，以“压力扫描式”相移法突破目前长度精密测量方法之局限，为实现亚纳米级长度测量奠定了基础。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，为了稳定而准确地实现标准具之间、待测物体与标准具之间的微位移测量的目的，本发明也是基于非接触测长方法：“相移法”测长法的基本原理，测量过程包括对图3中标准具之间的距离L，待测物体表面与标准具的间距L1、L2的初测，即通过“小数重合法”或准确度稍低的其他测量方法实现干涉级次的整数部分N的测量；本发明的主要目的是实现对L，L1，L2的精确测量，即精确测定干涉级次小数部分ε。这里测量的关键技术是稳定而准确地实现标准具之间、待测物体与标准具之间的微位移。因而本发明提供了“压力扫描式”精密相移发生装置，和由该精密相移发生装置构成的精密长度测量系统及其测量方法。

本发明提供的精密相移发生装置，包括框体，铰链微位移平台，两块标准板，还包括精密电容式微位移传感器和精密压力发生器，所述标准板设置在所述框体相对两底壁的内侧突起面上，形成腔体；在设置所述标准板的所述框体的两底壁的壁中央设置有光路通孔，光束通过所述光路通孔到达所述标准板，由所述标准板进行反射与透射；在所述框体的前端外侧壁上设置有精密压力发生器P，所述精密压力发生器P对所述框体的侧壁外侧施加压力，改变所述腔体的腔长；所述框体与所述铰链微位移平台通过前端中部连成一体结构，在所述铰链微位移平台与所述框体连接点的正下方设置有对所述铰链微位移平台施加推力的精密压力发生器P’，在所述框体后端下部正中位置设置有测量所述腔体的腔长变化及所述铰链微位移平台位移的所述精密微位移传感器的左极板，右极板通过支座固定在所述铰链微位移平台的基座上，两极板间距15微米且彼此严格正对且平行。所述精密电容式微位移传感器的分辨率为0.01nm，测量范围15微米，线性度优于0.001％。待测物体置于所述框体中间，与所述框体相分离。

优选地，所述框体与所述铰链微位移平台一体成型，当精密压力发生器P’对所述铰链微位移平台施压时，避免所述框体与所述铰链微位移平台之间出现滞后和蠕变的现象。

优选地，所述框体由石英制成，当撤销所述精密压力发生器P对所述框体的侧壁施加的压力时，所述腔体的腔长恢复到原来的长度。

优选地，所述框体设置有所述标准板的两底壁向内凸出且对称，以防止其加压变形；

优选地，所述框体的两侧壁的内侧呈弧形面结构且对称，以便在加压时，实现需要的腔长变化。

优选地，所述框体内侧4个角落分别设置一角孔。

优选地，所述标准板通过3个螺旋杆旋钮固定在所述框体相对两底壁的内侧壁上，可以通过该3个螺旋杆旋钮调节所述标准板的方位。

优选地，所述铰链微位移平台为双层结构，包括下部基座和上部平台，所述下部基座和所述上部平台通过一体成型的细条部连接。

优选地，还包括压力加载件，所述压力加载件为弓形结构，套在所述框体设置有所述标准板的任一底壁的外侧上；所述精密压力加载件的中部开设有与所述框体的底壁中的光路通孔相通的光路通孔；所述精密压力发生器P置于所述弓形压力加载件任意一端的开槽中。

本发明提供的一种精密长度测量系统，包括：光源，光学器件，精密温控装置，精密相移发生装置和计算机控制系统，所述精密相移发生装置置于所述精密温控装置内部，

所述光学器件包含分光器件，反光镜，分光棱镜和CCD，所述光源发出的激光束由所述分光器件将分成两路后，分别经两侧所述反光镜进入分别的所述分光棱镜，所述激光束分别由所述分光棱镜透射后进入所述精密温控装置，射到所述精密相移发生装置的标准板上，再分别由所述标准具分成反射光束和透射光束，所述透射光束经置于所述精密相移发生装置中的待测物体的表面反射的反射光束与由所述标准板反射的反射光束发生干涉，

所述精密相移发生装置中的精密压力发生器P对所述精密相移发生装置中的框体的侧壁外侧施加的压力，使由所述标准板构成的腔体腔长改变1微米以上，促使所述干涉光发生相移，所述精密相移发生装置中的精密微位移传感器测量所述腔长的变化；

所述精密相移发生装置中的精密压力发生器P’对所述精密相移发生装置中的铰链微位移平台施加推力，使所述铰链微位移平台发生微位移至2微米以上，促使所述干涉光发生相移，所述精密相移发生装置中的精密微位移传感器测量所述铰链微位移平台的微位移；

所述精密微位移传感器测量的微位移信号和所述CCD的同步采集信号送入所述计算机控制系统；

所述计算机控制系统以每间隔1nm的微位移连续采集所述精密微位移传感器测量的微位移信号和所述CCD的同步采集信号，利用五幅相移算法算出干涉级次小数ε。

本发明提供的精密长度测量方法，步骤为：

步骤1，构建上述的精密长度测量系统，等待、确认所述精密长度测量系统的温度和压力参数均符合测量条件；

步骤2，在线校准精密微位移传感器；

步骤3，初测待测物体的长度，确定干涉级次整数部分N；

步骤4，利用五幅相移法测量由两块标准板构成的腔体腔长L的小数部分ε₀；利用五幅相移法测量待测物体的两表面分别和两块标准板之间的间距L1，L2小数部分ε₁，ε₂。

步骤5，待测物体的长度的干涉级次小数部分ε＝ε₀-(ε₁+ε₂)，将ε通过2π加减法调整到(0～2π)相位范围内。球直径的计算：

D＝L-L1-L2＝(N+ε)λ/2，其中λ为激光波长。

进一步地，上述步骤2具体包括：

步骤201，测量间隔连续的位移和与位移同步的光强干涉信号，利用最小二乘法拟合出一个或多个相位周期的位移值，直接与激光波长比对实现对精密微位移传感器的初校，实现准确度5nm左右；

步骤202，利用五幅相移算法精确校准，经五幅算法精确校准的精密微位移传感器的位移测量准确度可达到0.2nm。

进一步地，上述步骤4中利用相移法测量由两块标准板构成的腔体腔长L的具体步骤为：测量时遮住一束光路，一束激光束经一标准板进行透射和反射，透射光束入射到另一标准板进行反射，所产生的反射光束与前一标准板的反射光束形成干涉图像；所述干涉图像经CCD接收送入计算机控制系统；利用精密压力发生器P对精密相移发生装置中的框体施加压力，改变由两块标准板构成的腔体腔长，进行压力扫描产生相移获得多幅干涉图像，由五幅相移算法计算腔长L小数部分。每次测量开始和结束都必须进行腔长L小数的测量。

进一步地，上述步骤4中还包括步聚，旋转用于固定所述标准板的螺旋杆旋钮调整腔长L，对标准具初相位进行调整，再次测量腔长L，直到满足要求。使腔长L的初相位避开π的倍数及其邻近区域，以降低算法误差。

进一步地，上述步骤4中利用相移法测量待测物体的两表面分别和两块标准板之间的间距L1，L2小数部分的具体步骤为：由分光器件分出的两束激光束分别经两块标准板进行反射和透射，透射光束分别经待测物体的表面反射的反射光束与相应的标准板反射的反射光束形成干涉图像，所述干涉图像经CCD接收送入计算机控制系统；由所述精密相移发生装置中的铰链微位移平台产生相移获得多幅干涉图像；由五幅相移算法计算待测物体的两表面分别和两块标准板之间的间距L1，L2的小数部分。

本发明提供的精密相移发生装置是一种基于微位移“压力扫描”原理而设计的。利用石英材料的低膨胀、高机械品质因素(完全恢复)的特点，通过精确的外形设计和精密压力发生器，实现了标准具自身的位移扫描；柔性铰链微位移平台的设计解决了精密微位移传感器的自校准难题(用最小二乘法测量的“半波长”作为校准初值，再用改进型五幅算法进行精确校准)。可以将传感器的量值直接溯源到激光波长，准确度可达到0.2nm，从而确保了相移测量准确度。基于本发明的精密长度测量系统对硅球直径的测量标准不确定度优于3nm。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施作进一步的详细说明。对于所属技术领域的技术人员而言，从对本发明的详细说明中，本发明的上述和其他目的、特征和优点将显而易见。

图1为现有技术的利用平面波前激光干涉法测量硅球直径的光学系统示意图；

图2为现有技术的激光干涉测量硅球直径的光学系统示意图。

图3是相移法测长系统的基本原理图；

图4是本发明一优选实施例的精密相移发生装置的立体图；

图5是本发明一优选实施例的具有压力加载件的精密相移发生装置的立体图；

图6是本发明一优选实施例的柔性铰链微位移平台的设计图；

图7是本发明一优选实施例的框体的设计图；

图8是本发明一优选实施例的精密测量系统图。

具体实施例

下面结合图4至图7对本发明一优选实施例的精密相移发生装置作详细的说明。图4是本发明一优选实施例的精密相移发生装置的立体图，精密相移发生装置101由上部的框体14和下部的柔性铰链微位移平台15构成，本发明优选实施例的精密相移发生装置将框体14和柔性铰链微位移平台15设置成一体成型。框体14为类长方体结构，将框体14一相对的两壁称为底壁16，另两壁称为侧壁5，两底壁16和两侧壁5分别对称设置。两底壁16向内凸起，防止其内侧壁因加压而变形。突出部分的正中为Φ10的光路通孔4，光路通孔4周围有4个Φ3通孔，标准具标准板6上也有3个Φ3通孔，与底壁16凸起部分中的3个Φ3通孔相对应，底壁16与标准具标准板6上的通孔中装有螺旋弹簧(图中未示出)，用3个精密螺旋杆旋钮7通过3个Φ3通孔将标准具标准板6固定在底壁16的突出部分上；通过这3个精密螺旋杆旋钮7可以调节标准具标准板6的方位。两侧壁5的内侧呈弧形面结构，在其弧形面顶点加以适当压力时，可实现标准具标准板6的腔长的改变；框体14优选的具体设计尺寸如图7所示，两侧壁5的内侧的弧形面优选设计为半径为187.5mm。在框体14内部的四个角落设置有4个Φ5的角孔17两底壁16的突出部分的宽度为30mm，弧形面顶点到侧壁5的外侧面的距离为7.5mm。标准具标准板6为楔形的长方板，楔形角为30～60分，相对的面平行且平行度优于10^-6弧度，相对的面的面精度为λ/10～λ/20，两块长方板的楔形方向相反。待测物体(本实施例中待测物体以硅球为例)置于框体14内部的中间位置，硅球不接触框体14。

图5为本发明一优选的具有压力加载件的精密相移发生装置的立体图。如图3所示，压力加载件11成弓形结构，套在框体14一底壁16的外侧上，压力加载件11与框体14为两体结构，前者可相对于后者做相对运动；压力加载件11的中部开设有与框体14的底壁16的光路通孔相通的光路通孔；在压力加载件11的两端具有开槽用于安装精密压力发生器PZT 13，两端中可再安装紧固件，如螺旋紧固旋钮12，也可以是一端安装精密压力发生器PZT 13，另一端可安装紧固件；精密压力发生器PZT 13安装的位置位于框体14外部两侧壁5弧形面顶点处。当精密压力发生器PZT 13向框体14两侧壁5外侧均匀施加压力时，根据几何关系，标准具的腔长将随着压力的增加而增加，会使的腔长发生改变，产生微位移。如果最大增长达到2μm左右就实现了相移扫描。当外力消失后标准具的腔长应能完全恢复到原来的长度，以保证相移测量的准确度，由于石英的机械品质因素达到了10⁶，比优质的高弹性合金还高出近2个数量级，故本发明采用优质熔融石英制作框体14，根据理论计算的结果，由于其滞后和蠕变而引起腔长重复性的改变在10^-3nm数量级，可以视为形变完全恢复。

硅球的直径是由标准具的腔长减去硅球侧面和两端标准板之间的距离得到的。为了测量硅球和标准板之间的距离，需要实现球和标准具之间的相移，本发明通过设计柔性铰链微位移平台来实现。本发明柔性铰链微位移平台15为双层结构，包括基座18和上部平台8，在基座18的前端具有安装精密压力发生器3的安装支座1，精密压力发生器3安装在安装支座1的正中间，用于对上部平台8施加推力。在基座18后部正中位置，装有精密微位移传感器，本实施例采用精密电容式微位移传感器，精密电容式微位移传感器的左极板20固定在框体14的一底壁16的外侧壁上，精密电容式微位移传感器的右极板19通过螺钉21固定在支座22上，两极板间距15微米且彼此严格平行，用以测量上部平台8和标准具标准板6的位置移动。所述精密电容式微位移传感器的分辨率为0.01nm，测量范围15微米，线性度优于0.001％。基座18和上部平台8通过一体成型的细条部10连接，细条部10高为10mm。细条部10具体设置在基座18和上部平台8前部的中间位置，中部，及后部的两端位置，其他位置断开，如图6所示，图6为柔性铰链微位移平台的纵剖图，图6也表示出本实施例中的柔性铰链微位移平台的具体设计尺寸。图中A处为精密压力发生器3的安装位置。本发明优选实施例的精密相移发生装置能够稳定而准确地实现标准具之间、待测物体与标准具之间的微位移。

本发明优选实施例的精密相移发生装置既具有固定不变的零点腔长又能实现近2μ高稳定、大量程相移。不仅克服了“机械扫描”法测不准标准具腔长(10nm)的缺陷，也避免了“激光变频法”频谱宽度宽、变频范围窄(一般产生相移500nm左右)之不足。此外该精密相移发生装置不仅实现了初相位可调从而避免了初相位处于“坏点”(0和π的倍数)及其附近相位区间，减小了相移算法误差，而且由于设计了标准板调节机构，实现了标准板之间的高平行度，避免了常规标准具标准面高平行度加工困难。

另外，利用腔长可变特性，本发明优选实施例的精密相移发生装置实现了从位移传感器到激光波长的在线实时精确校准，准确度优于0.1nm，保证了相移步长测量的准确度，这是“激光变频法”所不具备的；该套装置将标准具和柔性铰链位移平台加工成单体，不仅直接消除了两体结构所引入的接触误差，并可同时准确测量标准具腔长和待测件与标准具之间的间隙，这是“机械扫描法”所不具备的。

图8表示一精密长度测量系统图，该精密长度测量系统包括：光源201，光学组件202，精密温控装置206，计算机控制系统209和精密相移发生装置101，精密相移发生装置101为上文所述的实施例的精密相移发生装置，光学组件202中包含分光器件等。光源201发出的激光束经由光学组件202被分成两路后，分别经置于两侧的反光镜203进入分别的分光棱镜204，激光束分别由分光棱镜204透射后进入精密温控装置206，射到精密相移发生装置101的标准具标准板6上，再分别由标准具标准板6分成反射光束和透射光束，透射光束经置于精密相移发生装置101中的硅球208的表面反射的反射光束与由标准具标准板6反射的反射光束发生干涉，干涉图像由CCD 205接收并送入计算机控制系统209。

精密压力发生器13对精密相移发生装置101中的框体14的侧壁5外侧施加的压力，改变腔体腔长达1微米以上，促使所述干涉光发生相移，电容式微位移传感器测量腔长的变化。

精密压力发生器3对精密相移发生装置101中的柔性铰链微位移平台15施加推力，使柔性铰链微位移平台15发生微位移达2微米以上，促使所述干涉光发生相移，电容式微位移传感器测量柔性铰链微位移平台15的微位移。

电容式微位移传感器测量的微位移信号和CCD 205的同步采集信号送入计算机控制系统209。

计算机控制系统209以每间隔1nm的微位移连续采集电容式微位移传感器测量的微位移信号和CCD 205的同步采集信号，利用五幅相移算法算出干涉级次小数ε。

本发明提供的一优选实施方式的精密测量方法，如下：

先确认温度压力参数均符合测量条件根据，由“相移法”测长法的基本原理，D＝L-L1-L2＝(N+ε)λ/2，其中λ为激光波长，D为硅球的直径，L为腔体的腔长，L1、L2为硅球表面与标准具的间距。初测L、L1、L2，计算总干涉级次N；再是关键确定干涉级小数ε。

直径测量之前，必先进行位移传感器的校准。本系统采用精密微位移传感器(即精密电容式微位移传感器)测量精密相移发生装置101产生的微位移，该精密微位移传感器的测量准确度可达0.1nm。本系统利用“腔长可变式”标准具产生相移，将精密微位移传感器的量值直接溯源到激光波长。校准过程分两步完成：

(a)利用最小二乘法初步校准

通过间隔为1nm的连续的位移和与之同步的光强干涉信号测量，利用最小二乘法拟合出一个或多个相位周期的位移值，直接与激光波长比对实现对精密微位移传感器的初校，初步校准的准确度在1％波长左右；

(b)利用改进型五幅算法进行精确校准

利用所述的位移和光强干涉信号，连续选取近似间隔为八分之一波长的5个点位置和对应的光强干涉信号。假设光强分别为I₁，I₂，I₃，I₄，I₅。k₁，k₂，k₃，k₄为以第一点作为起点，其后所取各4点位置与八分之一波长相应的倍数的差，再通过除以波长乘以2π转换成相位，故称为相应的步长控制误差，则

式中 $k=\frac{(I_2-I_4)}{2I_3-I_5-I_1}.$ 利用CCD测得I₁，I₂，I₃，I₄，I₅，利用精密电容式微位移传感器测得步长控制误差k₁，k₂，k₃，k₄，通过求解多值函数即可求得初始相位

0～2π范围的

就是干涉级次的小数部分ε。

根据五幅相移算法误差积累原理(文献：罗志勇等。基于数值模拟的高准确度五幅相移算法研究光学学报2006.11)，当精密微位移传感器初步校准值小于或大于真值时，必然出现同一点的相位随着测量位置的距离恒定偏大或偏小的情况。因此可以利用微调初始值的办法，直到同一点的相位积累误差变化方向没有明显的偏向性。经五幅相移算法精确校准的电容式微位移传感器的位移测量准确度可达到0.2nm。

然后进行标准具腔长重复性测量。通过压力扫描法反复改变标准具的腔长，当压力消失后标准具应能恢复到原来的长度。以下为连续10次测量的结果(单位：微米)：

6.6198，6.6198，6.6193，6.6198，6.6197，6.6199

6.6197，6.6196，6.6196，6.6199，6.6199，6.6199

上面数据显示了标准具腔长优于0.2nm零点恢复分散性。实际上，该分散性中包含了腔长的恢复能力和测量系统的重复性。上述数据显示了腔长可变式标准具优良的零点恢复特性。

硅球直径测量，包括以下3步：

(1)标准具标准板6的腔长L小数部分的测量。每次测量开始和结束都必须进行腔长L测量；

标准具腔长L的测量结果见下表

 

次数	1	2	3	4	5	6	平均值	相位误差
									干涉小数(Rad)	3.7687	3.8079	3.8049	3.7681	3.8077	3.7565	3.7856	0.003181

上表中给出了0.003181弧度的测量分散性，相当于1.01nm。

(2)硅球表面与两标准具标准板6之间的间距L1，L2的测量；

下面测量两侧球-板间距的干涉级次分数之和：

 

次数	1	2	3	4	5	平均值	相位误差
								干涉小数(Rad)	5.324	5.338	5.325	5.329	5.350	5.3331	0.0062

利用ε＝ε₀-(ε₁+ε₂)，求得硅球直径干涉级次小数部分相位平均值为4.735弧度，ε＝0.756575。测量分散性为：0.008476相位周期。

(3)数据处理：干涉级次为295812.756575，利用D＝L-L1-L2＝(N+ε)λ/2计算硅球直径。硅球直径：93.62340538866mm。

测量腔长L是由从分光器件中出来的任意一束光完成，测量时须将另一束光路遮挡；经分光棱镜204透射的一束激光束经一标准具标准板6进行透射和反射，透射光束入射到另一标准具标准板6进行反射，所产生的反射光束与前一标准具标准板6的反射光束形成干涉图像；干涉图像经CCD 205接收送入计算机控制系统；利用精密压力发生器PZT13对精密相移发生装置101中的框体14施加压力，改变由两块标准具标准板6构成的腔体腔长，进行压力扫描产生相移获得多五幅干涉图像，由五幅相移算法计算腔长L。每次测量开始和结束都必须进行腔长L的测量。

为了降低算法误差，标准具标准板6的腔长的初相位应避开π的倍数及其邻近区域，可旋转用于固定标准具标准板6的螺旋杆旋钮7，对标准具的初相位进行调整，再次测量标准具标准板6的腔长，直到满足要求。

测量硅球208的两表面分别和两块标准具标准板6之间的间距L1，L2的具体步骤为：由分光器件分出的两束激光束分别经两块标准具标准板6进行反射和透射，透射光束分别经硅球208的表面反射的反射光束与相应的标准具标准板6反射的反射光束形成干涉图像，干涉图像经CCD 205接收送入计算机控制系统；由精密相移发生装置105中的铰链微位移平台15产生相移获得多五幅干涉图像；由五幅相移算法计算硅球208的两表面分别和两块标准具标准板6之间的间距L1，L2。

当然，本发明还可有其他实施例，如材料的压缩系数、膨胀系数的精密测定，长度计量中的量值传递等等。在不背离本发明精神及其实质的情况下，所属技术领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (16)

1、一种精密相移发生装置，包括框体，铰链微位移平台，两块标准板，其特征在于，还包括精密电容式微位移传感器和精密压力发生器，所述标准板设置在所述框体相对两底壁的内侧壁上，形成腔体；

在设置所述标准板的所述框体的两底壁中设置有光路通孔，激光束通过所述光路通孔到达所述标准板，由所述标准板进行反射与透射；

在所述框体的另两壁的任一外侧壁上设置有精密压力发生器P，所述精密压力发生器P对所述框体的侧壁外侧施加压力，改变所述腔体的腔长；

所述框体与所述铰链微位移平台通过前端中部连成一体结构，在所述铰链微位移平台与所述框体连接点的正下方设置有对所述铰链微位移平台施加推力的精密压力发生器P’；

在所述框体后端下部正中位置设置有测量所述腔体的腔长变化和所述铰链微位移平台的位移的所述精密电容式微位移传感器的左极板，右极板设置在所述铰链微位移平台上的支座上。

2、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体与所述铰链微位移平台一体成型。

3、根据权利要求1或2所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体由石英制成，当撤销所述精密压力发生器P对所述框体的侧壁施加的压力时，所述腔体的腔长恢复到原来的长度。

4、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体设置有所述标准板的两底壁向内凸出且对称。

5、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体的两侧壁的内侧呈弧形面结构且对称。

6、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述框体内侧4个角落分别设置一角孔。

7、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述标准板通过3个螺旋杆旋钮固定在所述框体相对两底壁的内侧突起面上。

8、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述铰链微位移平台为双层结构，包括下部基座和上部平台，所述下部基座和所述上部平台通过一体成型的细条部连接。

9、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，所述左极板和所述右极板两板严格正对且平行，且相距15微米。

10、根据权利要求1所述的精密相移发生装置，其特征在于，还包括压力加载件，所述压力加载件为弓形结构，套在所述框体前端外侧上；所述弓形压力加载件的中部开设有与所述框体底壁中的光路通孔相通的光路通孔；所述精密压力发生器P置于所述弓形压力加载件一端的开槽中。

11、一种包括权利要求1所述的精密相移发生装置的精密长度测量系统，还包括：光源，光学器件，精密温控装置和计算机控制系统，所述精密相移发生装置置于所述精密温控装置内部，

所述光学器件包含分光器件，反光镜，分光棱镜和CCD，所述光源发出的激光束由所述分光器件分成两路后，分别经两侧所述反光镜进入分别的所述分光棱镜，所述激光束分别由所述分光棱镜透射后进入所述精密温控装置，射到所述精密相移发生装置的标准板上，再分别由所述标准板分成反射光束和透射光束，所述透射光束经置于所述精密相移发生装置中的待测物体的表面反射的反射光束与由所述标准板反射的反射光束发生干涉；

所述精密相移发生装置中的精密压力发生器P对所述精密相移发生装置中的框体的侧壁外侧施加的压力，使由所述标准板构成的腔体腔长改变1微米以上，促使所述干涉光发生相移，所述精密相移发生装置中的精密微位移传感器测量所述腔长的变化；

所述精密相移发生装置中的精密压力发生器P’对所述精密相移发生装置中的铰链微位移平台施加推力，使所述铰链微位移平台发生微位移至2微米以上，促使所述干涉光发生相移，所述精密相移发生装置中的精密微位移传感器测量所述铰链微位移平台的微位移；

所述精密微位移传感器测量的微位移信号和所述CCD的同步采集信号送入所述计算机控制系统；

所述计算机控制系统以连续微位移间隔采集所述精密微位移传感器测量的微位移信号和所述CCD的同步采集信号，利用五幅相移算法算出干涉级次小数ε。

12、一种精密长度测量方法，包括步骤：

步骤1，构建如权利要求10所述的精密长度测量系统，等待、确认所述精密长度测量系统的温度和压力参数均符合测量条件；

步骤2，在线校准精密微位移传感器；

步骤3，初测待测物体的长度，确定干涉级次整数部分N；

步骤4，利用五幅相移法测量由两块标准板构成的腔体腔长L的小数部分ε₀；利用五幅相移法测量待测物体的两表面分别和两块标准板之间的间距L1，L2小数部分ε₁，ε₂；

步骤5，求解待测长度干涉级次小数部分ε＝ε₀-(ε₁+ε₂)，将ε通过2π加减法调整到0～2π相位范围内。

13、根据权利要求12所述的精密长度测量方法，其特征在于：上述步骤2具体包括：

步骤201，测量连续间隔的位移和与位移同步的光强干涉信号，利用最小二乘法拟合出一个或多个相位周期的位移值，直接与激光波长比对实现对精密微位移传感器的初校；

步骤202，利用五幅相移算法精确校准。

14、根据权利要求12所述的精密长度测量方法，其特征在于：上述步骤3中利用相移法测量由两块标准板构成的腔体腔长L的具体步骤为：测量时遮住一束光路，一束激光束经一标准板进行透射和反射，透射光束入射到另一标准板进行反射，所产生的反射光束与前一标准板的反射光束形成干涉图像；所述干涉图像经CCD接收送入计算机控制系统；利用精密压力发生器P对精密相移发生装置中的框体施加压力，改变由两块标准板构成的腔体的腔长L，进行压力扫描产生相移获得多幅干涉图像，由五幅相移算法计算所述腔长L。

15、根据权利要求12所述的精密长度测量方法，其特征在于：上述步骤3中还包括步聚，旋转用于固定所述标准板的螺旋杆旋钮以调整所述腔长L，对所述标准板的初相位进行调整，再次测量所述腔长L。

16、根据权利要求12所述的精密长度测量方法，其特征在于：上述步骤3中利用相移法测量待测物体的两表面分别和两块标准板之间的间距L1，L2的具体步骤为：由分光器件分出的两束激光束分别经两块标准板进行反射和透射，透射光束分别经待测物体的表面反射的反射光束与相应的标准板反射的反射光束形成干涉图像，所述干涉图像经CCD接收送入计算机控制系统；由所述精密相移发生装置中的铰链微位移平台产生相移获得多幅干涉图像；由五幅相移算法计算待测物体的两表面分别和两块标准板之间的间距L1，L2。

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