CN110514139B - 一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法 - Google Patents

一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，将两个反射镜沿激光干涉仪的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置；保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作步进运动，激光干涉仪得到测量值，第二个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第二反射镜复位；保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作反向步进运动，激光干涉仪得到测量值，将第一组面形变化数值和第二组面形变化数值做平均化处理，计算得到整体面形变化。达到提高对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的方法的校准精度，同时降低了成本的目的。

Description

一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法
技术领域
本发明涉及激光干涉技术领域，尤其涉及一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法。
背景技术
激光干涉仪的反射镜由于加工、装配精度、所受应力以及环境等因素的影响，其表面形不可避免会存在一定的缺陷，即实际面形与理想面形存在一定偏差，为保证激光干涉仪的测量精度，需要对与激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准，但是现有的对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的方法的校准精度低，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置及方法，旨在解决现有技术中的对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的方法的校准精度低，成本高的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，包括如下步骤：在反射镜面形校准前，校准环境处于真空状态，保持第一反射镜和第二反射镜处于零位定位；
将两个反射镜沿激光干涉仪的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置；
保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第一组面形变化数值；
第二个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第二反射镜复位；
保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作反向步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第二组面形变化数值；
第一个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第一反射镜复位；
将第一组面形变化数值和第二组面形变化数值做平均化处理，计算得到整体面形变化。
其中，在反射镜面形校准前，校准环境处于真空状态。
其中，在反射镜面形校准前，设定激光干涉仪上两道测量光束之间的距离为L，设定步进值为Δ，步进次数M＝L/Δ。
其中，第二反射镜的实际步进次数与预设的步进次数M进行比较，若第二反射镜的实际步进次数小于预设的步进次数M，需要第二反射镜继续作步进运动，第二反射镜不能复位；
若第二反射镜的实际步进次数大于预设的步进次数M，第二反射镜复位。
其中，第一反射镜的实际步进次数与预设的步进次数M进行比较，若第一反射镜的实际步进次数小于预设的步进次数M，需要第一反射镜继续作步进运动，第一反射镜不能复位；
若第一反射镜的实际步进次数大于预设的步进次数M，第一反射镜复位。
其中，在测量第二反射镜的测量值时，激光干涉仪得到的测量值为G1x(x＝1,2,…M-1)，第一组面形变化数值为B1x＝G1x-Δ(x＝1,2,…M-1)。
其中，在测量第一反射镜的测量值时，激光干涉仪得到的测量值G2y(y＝M-1,M-2,…1)，第二组面形变化数值为：B2y＝G2y-Δ(y＝M-1,M-2,…1)。
其中，第一组面形变化数值和第二组面形变化数值平均化处理公式为
Figure GDA0003318998960000021
本发明还提供一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置，包括工作台、激光干涉件、第一反射件、第二反射件、第一驱动件、第二驱动件和投影件，所述激光干涉件与所述工作台固定连接，并位于所述工作台的上方，所述工作台上设有所述第一反射件和所述第二反射件，且所述第一反射件和所述第二反射件均沿所述激光干涉件的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置，所述第一驱动件与所述工作台固定连接，且所述第一驱动件驱动所述第一反射件在所述工作台上移动，所述第二驱动件与所述工作台固定连接，且所述第二驱动件驱动所述第二反射件在所述工作台上移动，所述投影件与所述工作台固定连接，所述投影件接收所述第一反射件和所述第二反射件反射的光束。
其中，所述激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置还包括真空罩，所述真空罩套设在所述工作台外部，所述真空罩内处于真空状态。
本发明的一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，通过在反射镜面形校准前，保持第一反射镜和第二反射镜处于零位定位；将两个反射镜沿激光干涉仪的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置；保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第一组面形变化数值；第二个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第二反射镜复位；保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作反向步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第二组面形变化数值；第一个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第一反射镜复位；将第一组面形变化数值和第二组面形变化数值做平均化处理，计算得到整体面形变化。在不设计专门校准装置的条件下实现对激光干涉仪系统配套的反射镜的面形进行校准，降低了成本，同时通过激光干涉仪得到多个测量值，并根据多次测量值计算出第一组面形变化数值和第二组面形变化数值，从而算出平均值，提高了对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的校准精度。获得提高对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的方法的校准精度，同时降低了成本的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法的整体流程图。
图2是本发明的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置的整体结构示意图。
图3是本发明的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置的步进过程图，直线代表一个测量光束，虚线代表一个测量光束，箭头代表步进方向。
图4是本发明的激光干涉仪的内部结构原理和光束走向图。
100-激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置、10-工作台、11-激光干涉件、111-偏振分光镜、112-固定反射镜、113-四分之一波片、114-固定角锥镜、12-第一反射件、13-第二反射件、14-第一驱动件、15-第二驱动件、16-投影件、17-真空罩。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1和图4，本发明提供了一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，包括如下步骤：
S100：在反射镜面形校准前，校准环境处于真空状态。
其中由于激光干涉仪是以激光波长作为测量的基准，激光干涉仪发出的光束暴露在空气中的部分会因为空气流动导致空气折射率不稳定，从而导致激光波长产生波动。当激光波长波动时，拍频光强信号的相位将额外增加相位值，额外增加的相位值被误认为是光栅多普勒效应引起的，从而导致测量误差。通过将整个试验环境处于真空状态，能够极大消除空气流动对校准结果的影响，保证对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的方法的校准精度。
S200：保持第一反射镜和第二反射镜处于零位定位。
其中在反射镜面形校准前，保证第一反射镜和第二反射镜的初始位置定位在零位，以便于后续步骤对反射镜面形变化的校准。
S300：将两个反射镜沿激光干涉仪的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置。
其中激光干涉仪会产生两道测量光束，其中一束作为参考光，另一束作为测量光，分别照射在第一反射镜和第二反射镜上，并通过第一反射镜和第二反射镜呈45°倾斜角度设置，能够反射至光电传感器上，两束光最后在光电传感器上形成干涉，即干涉光是由光频为w的测试表面光波与光频为(w+Δw)的参考表面光波的合成。干涉场光强是以Δw为频率随时间做余弦变化的，该点的相位被调制为差频波的相位。通过检测该相位可以实现外差干涉计量。
S400：保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第一组面形变化数值。
其中将第一个反射镜处于定位在零位，然后将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作步进运动，第二反射镜每步进运动一次，激光干涉仪可得到一次测量值，且该测量值为步进运动和反射镜面形变化的综合影响结果。
由于在反射镜面形校准前，设定激光干涉仪上两道测量光束之间的距离为L，设定步进值为Δ，步进次数M＝L/Δ，并且第二反射镜的测量值计算公式为G1x(x＝1,2,…M-1)，因此激光干涉仪按照上述公式可推算出第二反射镜每步进运动一次，而得到的测量值。并且保持设定的步进值不变，第二反射镜重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第一组面形变化数值，且第一组面形变化数值为B1x＝G1x-Δ(x＝1,2,…M-1)。
S500：第二个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第二反射镜复位。
其中在第二反射镜复位时需注意，需要将第二反射镜的实际步进次数与预设的步进次数M进行比较，若第二反射镜的实际步进次数小于预设的步进次数M，需要第二反射镜继续作步进运动，第二反射镜不能复位，直至第二反射镜的实际步进次数大于预设的步进次数M时，第二反射镜才能够复位。
S600：保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作反向步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第二组面形变化数值。
其中在激光干涉仪的一条光束完成测量，且所述第二反光镜复位后，对另一条光束进行测量时，将第二个反射镜处于定位在零位，然后将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作步进运动，第一反射镜每步进运动一次，激光干涉仪可得到一次测量值，且该测量值为步进运动和反射镜面形变化的综合影响结果。
由于在反射镜面形校准前，设定激光干涉仪上两道测量光束之间的距离为L，设定步进值为Δ，步进次数M＝L/Δ，并且第一反射镜的测量值计算公式为G2y(y＝M-1,M-2,…1)，因此激光干涉仪按照上述公式可推算出第一反射镜每步进运动一次，而得到的测量值。并且保持设定的步进值不变，第二反射镜重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第一组面形变化数值，且第一组面形变化数值为B2y＝G2y-Δ(y＝M-1,M-2,…1)。
S700：第一个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第一反射镜复位。
其中在第一反射镜复位时需注意，需要将第一反射镜的实际步进次数与预设的步进次数M进行比较，若第一反射镜的实际步进次数小于预设的步进次数M，需要第一反射镜继续作步进运动，第一反射镜不能复位，直至第一反射镜的实际步进次数大于预设的步进次数M时，第一反射镜才能够复位。
S800：将第一组面形变化数值和第二组面形变化数值做平均化处理，计算得到整体面形变化。
其中在计算得到第一组面形变化数值和第二组面形变化数值后，可根据
Figure GDA0003318998960000061
的公式，将得到的第一组面形变化数值和第二组面形变化数值进行平均化处理，计算出反射镜面形变化量，以此提高对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的方法的校准精度。
综上所述：该激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，在不设计专门校准装置的条件下实现对激光干涉仪系统配套的反射镜的面形进行校准，降低了成本，同时通过激光干涉仪得到多个测量值，并根据多次测量值计算出第一组面形变化数值和第二组面形变化数值，从而算出平均值，提高了对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的校准精度。
请参阅图2和图3，本发明还提供一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置100，包括工作台10、激光干涉件11、第一反射件12、第二反射件13、第一驱动件14、第二驱动件15和投影件16，所述激光干涉件11与所述工作台10固定连接，并位于所述工作台10的上方，所述工作台10上设有所述第一反射件12和所述第二反射件13，且所述第一反射件12和所述第二反射件13均沿所述激光干涉件11的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置，所述第一驱动件14与所述工作台10固定连接，且所述第一驱动件14驱动所述第一反射件12在所述工作台10上移动，所述第二驱动件15与所述工作台10固定连接，且所述第二驱动件15驱动所述第二反射件13在所述工作台10上移动，所述投影件16与所述工作台10固定连接，所述投影件16接收所述第一反射件12和所述第二反射件13反射的光束。
所述激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置100还包括真空罩17，所述真空罩17套设在所述工作台10外部，所述真空罩17内处于真空状态。
在本实施方式中，所述激光干涉件11为激光干涉仪，具体为光学四倍程激光干涉仪，所述第一反射件12和所述第二反射件13均为反射镜，所述投影件16为光电传感器，首先所述激光干涉件11发出两光束，其中一个光束照射至所述第一反射件12上，另一个光束照射至所述第二反射件13上，之后所述第一反射件12和所述第二反射件13分别将各自对应的光束反射至所述投影件16上，在需要对反射镜面形变化校准时，保持所述第一反射件12不动，然后所述第二驱动件15驱动所述第二反射件13按设定的步进值运动，运动方向为光束从所述激光干涉件11出射的方向，每步进运动一次，所述投影件16上会记录光束移动距离，然后传输至所述激光干涉件11，得到一次测量值，之后按照设定的步进值，将所述第二反射件13沿所述激光干涉件11的测量光束出射方向重复多次步进运动，经过计算得到第一组面形变化数值，之后所述第二驱动件15驱动所述第二反射件13复位。
之后保持所述第二反射件13不动，然后所述第一驱动件14驱动所述第一反射件12按设定的步进值运动，运动方向为光束从所述激光干涉件11出射的方向，每步进运动一次，所述投影件16上会记录光束移动距离，然后传输至所述激光干涉件11，得到一次测量值，之后按照设定的步进值，将所述第一反射件12沿所述激光干涉件11的测量光束出射方向重复多次步进运动，经过计算得到第二组面形变化数值，之后所述第一驱动件14驱动所述第一反射件12复位，之后将两组数据做平均化处理，得到整体面形变化。以此获得在不设计专门校准装置的条件下实现对激光干涉仪系统配套的反射镜的面形进行校准，降低了成本，同时通过所述激光干涉件11得到多个测量值，并根据多次测量值计算出第一组面形变化数值和第二组面形变化数值，从而算出平均值，提高了对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的校准精度。
并且由于所述真空罩17将所述激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置100包覆在内部，通过将整个实验环境处于真空状态，能够极大消除空气流动对校准结果的影响，进一步保证对激光干涉仪配套的反射镜组进行面形校准的方法的校准精度。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
在反射镜面形校准前，校准环境处于真空状态，保持第一反射镜和第二反射镜处于零位定位；
将两个反射镜沿激光干涉仪的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置，其中激光干涉仪会产生两道测量光束，其中一束作为参考光，另一束作为测量光，分别照射在第一反射镜和第二反射镜上，并通过第一反射镜和第二反射镜呈45°倾斜角度设置，能够反射至光电传感器上，两束光最后在光电传感器上形成干涉，即干涉光是由光频为w的测试表面光波与光频为(w+Δw)的参考表面光波的合成；
保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第一个反射镜不动，将第二个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第一组面形变化数值；
第二个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第二反射镜复位；
保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向作反向步进运动，激光干涉仪得到测量值，按设定的步进值，保持第二个反射镜不动，将第一个反射镜沿激光干涉仪的测量光束出射方向重复多次步进运动，激光干涉仪得到多个测量值，经计算得到第二组面形变化数值；
第一个反射镜上的光束测量完成后，将移动的第一反射镜复位；
将第一组面形变化数值和第二组面形变化数值做平均化处理，计算得到整体面形变化。
2.如权利要求1所述的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，其特征在于，
在反射镜面形校准前，设定激光干涉仪上两道测量光束之间的距离为L，设定步进值为Δ，步进次数M＝L/Δ。
3.如权利要求1所述的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，其特征在于，
第二反射镜的实际步进次数与预设的步进次数M进行比较，若第二反射镜的实际步进次数小于预设的步进次数M，需要第二反射镜继续作步进运动，第二反射镜不能复位；
若第二反射镜的实际步进次数大于预设的步进次数M，第二反射镜复位。
4.如权利要求1所述的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，其特征在于，
第一反射镜的实际步进次数与预设的步进次数M进行比较，若第一反射镜的实际步进次数小于预设的步进次数M，需要第一反射镜继续作步进运动，第一反射镜不能复位；
若第一反射镜的实际步进次数大于预设的步进次数M，第一反射镜复位。
5.如权利要求1所述的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，其特征在于，
在测量第二反射镜的测量值时，激光干涉仪得到的测量值为G1x(x＝1,2,…M-1)，第一组面形变化数值为B1x＝G1x-Δ(x＝1,2,…M-1)。
6.如权利要求5所述的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，其特征在于，
在测量第一反射镜的测量值时，激光干涉仪得到的测量值G2y(y＝M-1,M-2,…1)，第二组面形变化数值为：B2y＝G2y-Δ(y＝M-1,M-2,…1)。
7.如权利要求6所述的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测方法，其特征在于，
第一组面形变化数值和第二组面形变化数值平均化处理公式为
Figure FDA0003218660170000021
8.一种激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置，其特征在于，
包括工作台、激光干涉件、第一反射件、第二反射件、第一驱动件、第二驱动件和待测反射镜面，所述激光干涉件与所述工作台固定连接，并位于所述工作台的上方，所述工作台上设有所述第一反射件和所述第二反射件，且所述第一反射件和所述第二反射件均沿所述激光干涉件的两道测量光束方向呈45°倾斜角度设置，所述第一驱动件与所述工作台固定连接，且所述第一驱动件驱动所述第一反射件在所述工作台上移动，所述第二驱动件与所述工作台固定连接，且所述第二驱动件驱动所述第二反射件在所述工作台上移动，所述待测反射镜面与所述工作台固定连接，所述待测反射镜面接收所述第一反射件和所述第二反射件反射的光束。
9.如权利要求8所述的激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置，其特征在于，
所述激光干涉测量系统的反射镜面形变化检测装置还包括真空罩，所述真空罩套设在所述工作台外部，所述真空罩内处于真空状态。
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