CN103528507B - 回位补偿式四光轴角位移激光干涉仪校准方法与装置 - Google Patents
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Abstract
回位补偿式四光轴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四条测量光束穿过四轴中空激光干涉镜组的中间通孔，四条被校准激光干涉仪测量光束平行置于四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；微动装置根据四个光束位置探测器测量出衍生位移的平均值，对目标反射镜衍生位移进行实时回位补偿，使目标反射镜反射面上测量光束的入射位置不发生变化。
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回位补偿式四光轴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：
一种回位补偿式四光轴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四轴中空激光干涉镜组形成相互平行的四条标准测量光束，并都入射到有中间孔的平面镜上，在垂直于四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，第三条与第四条标准测量光束投影位置点之间的连接线段N长为B，两连接线段相交，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四轴中空激光干涉镜组后，根据从四轴中空激光干涉镜组中获得的干涉信号，得到连接线段M所在直线与连接线段N所在直线分别与有中间孔的平面镜入射面夹角的变化值arctan((a1-a2)/A)、arctan((b1-b2)/B)，其中，a1、a2、b1和b2分别为有中间孔的平面镜上第一条、第二条、第三条和第四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四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四条被校准激光干涉仪测量光束，被校准激光干涉仪四条测量光束都穿过四轴中空激光干涉镜组的中间通孔，与四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，在垂直于四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C，第三条与第四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n长为D，连接线段m与连接线段M共线，连接线段n与连接线段N共线，四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所在直线与连接线段n所在直线分别与被校准激光干涉仪平面反射镜入射面夹角的变化值arctan((c1-c2)/C)、arctan((d1-d2)/D)，其中，c1、c2、d1和d2分别为被校准激光干涉仪平面反射镜上第一条、第二条、第三条和第四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)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，配装在运动台上的目标反射镜在垂直于标准测量光束平面内任意二维方向有相对远动台的自由位移，四个光束位置探测器分别测量出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，微动装置根据四个光束位置探测器测量出衍生位移的平均值，对目标反射镜衍生位移进行实时回位补偿，保证目标反射镜反射面上测量光束的入射位置不发生变化；
(4)在运动台进行任意旋转方向的小角度偏摆过程中，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)、arctan((b1-b2)/B)和被校准激光干涉仪夹角变化值arctan((c1-c2)/C)、arctan((d1-d2)/D)，将arctan((a1-a2)/A)与arctan((c1-c2)/C)作差，arctan((b1-b2)/B)与arctan((d1-d2)/D)作差，最终得到两组角位移校准测量误差值。
一种回位补偿式四光轴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四轴中空标准激光干涉镜组；四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，在运动台上通过微动装置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；四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，且分别位于四条平行标准测量光束透射光路上；在四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四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)在垂直于四条标准测量光束的平面，由四条标准测量光束在该平面投影点构成的四边形区域内，四条标准测量光束和四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)四个光束位置探测器能够分别测量出四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，微动装置根据四个光束位置探测器测量出衍生位移的平均值，对目标反射镜衍生位移进行实时回位补偿，使目标反射镜反射面上测量光束的入射位置不发生变化，保证校准时不会引入目标反射镜反射面上不同形貌特征值造成的测量误差。
附图说明
图1为回位补偿式四光轴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、2四轴中空标准激光干涉镜组、3、4、5、6四条平行标准测量光束、7有中间孔的平面镜、8标准激光干涉仪接收器、9标准信号处理系统、10被校准激光干涉仪激光器、11被校准激光干涉仪干涉镜组、12、13、14、15四条被校准激光干涉仪测量光束、16中间通孔、17被校准激光干涉仪平面反射镜、18被校准激光干涉仪接收器、19被校准激光干涉仪信号处理系统、20微动装置、21运动台、22导轨、23、24、25、26四个光束位置探测器、27、28、29、30四条平行标准测量光束光斑位置、31、32、33、34四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。
一种回位补偿式四光轴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8，导线将接收器8与标准激光干涉仪信号处理系统9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16的可以让被校准激光干涉仪测量光束12、13、14、15穿过的四轴中空标准激光干涉镜组2；四轴中空标准激光干涉镜组2一侧配置导轨22，运动台21配装在导轨22上，在运动台21上通过微动装置20安装有中间孔的平面镜7，在平面镜7中间孔内安装被校准激光干涉仪平面反射镜17，被校准激光干涉仪平面反射镜17和有中间孔的平面镜7组成入射面共面并且相对位置固定的目标反射镜；四个光束位置探测器23、24、25、26配置在有中间孔的平面镜7透射区域后面，且分别位于四条平行标准测量光束3、4、5、6透射光路上；在四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11和被校准激光干涉仪激光器10，所述被校准激光干涉仪干涉镜组11位于被校准激光干涉仪激光器10输出光路上；被校准激光干涉仪接收器18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18与被校准激光干涉仪信号处理系统19连接。
所述的四轴中空标准激光干涉镜组2的中间通孔16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、6和每条被校准激光干涉仪测量光束12、13、14、15分别被有中间孔的平面镜7和被校准激光干涉仪平面反射镜17反射一次或一次以上。
所述的标准激光干涉仪接收器8和被校准激光干涉仪接收器18的数目分别是两个或两个以上。
一种回位补偿式四光轴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的输出光经四轴中空激光干涉镜组2形成相互平行的四条标准测量光束3、4、5、6，并都入射到有中间孔的平面镜7上，在垂直于四条标准测量光束3、4、5、6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，第三条与第四条标准测量光束投影位置点之间的连接线段N长为B，两连接线段相交，每条标准测量光束3、4、5、6中带有平面镜7位移信息的部分光被反射回四轴中空激光干涉镜组2后，根据从四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所在直线与连接线段N所在直线分别与有中间孔的平面镜7入射面夹角的变化值arctan((a1-a2)/A)、arctan((b1-b2)/B)，其中，a1、a2、b1和b2分别为有中间孔的平面镜7上第一条、第二条、第三条和第四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、5、6的其余部分光经有中间孔的平面镜7透射到四个光束位置探测器23、24、25、26上；
(2)被校准激光干涉仪激光器10的输出光经被校准激光干涉仪干涉镜组11形成相互平行的四条被校准激光干涉仪测量光束12、13、14、15，被校准激光干涉仪四条测量光束12、13、14、15都穿过四轴中空激光干涉镜组2的中间通孔16，与四条标准测量光束3、4、5、6平行，并都入射到被校准激光干涉仪平面反射镜17上，在垂直于四条标准测量光束3、4、5、6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C，第三条与第四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n长为D，连接线段m与连接线段M共线，连接线段n与连接线段N共线，四条带有被校准激光干涉仪平面反射镜17位移信息的被校准激光干涉仪测量光束12、13、14、15反射回被校准激光干涉仪干涉镜组11后，根据从被校准激光干涉仪干涉镜组11中获得的干涉信号，得到连接线段m所在直线与连接线段n所在直线分别与被校准激光干涉仪平面反射镜17入射面夹角的变化值arctan((c1-c2)/C)、arctan((d1-d2)/D)，其中，c1、c2、d1和d2分别为被校准激光干涉仪平面反射镜17上第一条、第二条、第三条和第四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)运动台21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、5、6的平面内任意二维方向的衍生位移，配装在运动台21上的目标反射镜在垂直于标准测量光束3、4、5、6平面内任意二维方向有相对远动台21的自由位移，四个光束位置探测器23、24、25、26分别测量出标准测量光束3、4、5、6相对目标反射镜在垂直于标准测量光束3、4、5、6平面内任意二维方向衍生位移，微动装置20根据四个光束位置探测器23、24、25、26测量出衍生位移的平均值，对目标反射镜衍生位移进行实时回位补偿，保证目标反射镜反射面上测量光束的入射位置不发生变化；
(4)在运动台21进行任意旋转方向的小角度偏摆过程中，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)、arctan((b1-b2)/B)和被校准激光干涉仪夹角变化值arctan((c1-c2)/C)、arctan((d1-d2)/D)，将arctan((a1-a2)/A)与arctan((c1-c2)/C)作差，arctan((b1-b2)/B)与arctan((d1-d2)/D)作差，最终得到两组角位移校准测量误差值。
标准测量光束光斑位置27、28、29、30依次分别是四条平行标准测量光束3、4、5、6入射到有中间孔的平面镜7的位置，被校准激光干涉仪光束光斑位置31、32、33、34是被校准激光干涉仪测量光束12、13、14、15入射被校准激光干涉仪平面反射镜17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31、32、33、34处在标准测量光束光斑位置27、28、29、30的中间，即四条平行标准测量光束3、4、5、6将被校准激光干涉仪测量光束12、13、14、15夹持在中间位置。
Claims (5)
1.一种回位补偿式四光轴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四轴中空激光干涉镜组形成相互平行的四条标准测量光束，并都入射到有中间孔的平面镜上，在垂直于四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，第三条与第四条标准测量光束投影位置点之间的连接线段N长为B，两连接线段相交，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四轴中空激光干涉镜组后，根据从四轴中空激光干涉镜组中获得的干涉信号，得到连接线段M所在直线与连接线段N所在直线分别与有中间孔的平面镜入射面夹角的变化值arctan((a1-a2)/A)、arctan((b1-b2)/B)，其中，a1、a2、b1和b2分别为有中间孔的平面镜上第一条、第二条、第三条和第四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四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四条被校准激光干涉仪测量光束，被校准激光干涉仪四条测量光束都穿过四轴中空激光干涉镜组的中间通孔，与四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，在垂直于四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C，第三条与第四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n长为D，连接线段m与连接线段M共线，连接线段n与连接线段N共线，四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所在直线与连接线段n所在直线分别与被校准激光干涉仪平面反射镜入射面夹角的变化值arctan((c1-c2)/C)、arctan((d1-d2)/D)，其中，c1、c2、d1和d2分别为被校准激光干涉仪平面反射镜上第一条、第二条、第三条和第四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)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，配装在运动台上的目标反射镜在垂直于标准测量光束平面内任意二维方向有相对远动台的自由位移，四个光束位置探测器分别测量出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，微动装置根据四个光束位置探测器测量出衍生位移的平均值，对目标反射镜衍生位移进行实时回位补偿，保证目标反射镜反射面上测量光束的入射位置不发生变化；
(4)在运动台进行任意旋转方向的小角度偏摆过程中，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((at-a2)/A)、arctan((b1-b2)/B)和被校准激光干涉仪夹角变化值arctan((c1-c2)/C)、arctan((d1-d2)/D)，将arctan((a1-a2)/A)与arctan((c1-c2)/C)作差，arctan((b1-b2)/B)与arctan((d1-d2)/D)作差，最终得到两组角位移校准测量误差值。
2.一种回位补偿式四光轴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(8)，导线将接收器(8)与标准激光干涉仪信号处理系统(9)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(16)的可以让被校准激光干涉仪测量光束(12、13、14、15)穿过的四轴中空标准激光干涉镜组(2)；四轴中空标准激光干涉镜组(2)一侧配置导轨(22)，运动台(21)配装在导轨(22)上，在运动台(21)上通过微动装置(20)安装有中间孔的平面镜(7)，在平面镜(7)中间孔内安装被校准激光干涉仪平面反射镜(17)，被校准激光干涉仪平面反射镜(17)和有中间孔的平面镜(7)组成入射面共面并且相对位置固定的目标反射镜；四个光束位置探测器(23、24、25、26)配置在有中间孔的平面镜(7)透射区域后面，且分别位于四条平行标准测量光束(3、4、5、6)透射光路上；在四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(11)和被校准激光干涉仪激光器(10)，所述被校准激光干涉仪干涉镜组(11)位于被校准激光干涉仪激光器(10)输出光路上；被校准激光干涉仪接收器(18)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(18)与被校准激光干涉仪信号处理系统(19)连接。
3.根据权利要求2所述的回位补偿式四光轴角位移激光干涉仪校准装置，其特征在于所述的四轴中空标准激光干涉镜组(2)的中间通孔(16)包括任意形状，数目是一个或一个以上。
4.根据权利要求2所述的回位补偿式四光轴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、5、6)和每条被校准激光干涉仪测量光束(12、13、14、15)分别被有中间孔的平面镜(7)和被校准激光干涉仪平面反射镜(17)反射一次或一次以上。
5.根据权利要求2所述的回位补偿式四光轴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(8)和被校准激光干涉仪接收器(18)的数目分别是两个或两个以上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |