形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準方法與裝置制造方法
【專利摘要】形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準方法與裝置屬于激光測量【技術領域】，本發(fā)明將被校準激光干涉儀兩條測量光束穿過雙軸中空激光干涉鏡組的中間通孔，兩條被校準激光干涉儀測量光束平行置于兩條平行標準測量光束中間位置；標準測量光束與被校準激光干涉儀測量光束垂直距離很小，標準測量光束與被校準激光干涉儀測量光束空氣折射率值非常接近；目標反射鏡反射面表面形貌造成的測量位移誤差補償?shù)浇俏灰茰y量結果中，保證角位移測量值的準確性。
【專利說明】形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于激光測量【技術領域】，主要涉及一種激光干涉儀校準方法與裝置。
【背景技術】
[0002]角位移激光干涉儀是精度很高的標準測量技術，廣泛應用于精密和超精密機械加工、微電子裝備、納米技術工業(yè)裝備和國防裝備等領域，可以用于微位移部件、移動平臺和光刻機角度變化量的監(jiān)測。角位移激光干涉儀可以提供很高的測量精度，并且可以動態(tài)測量運動中的相對擺角，這是區(qū)別其他儀器的獨特優(yōu)勢，為了保證角位移激光干涉儀測量的準確性，科學有效地對角位移激光干涉儀進行校準非常重要。角位移激光干涉儀的實現(xiàn)是將單光路的線位移激光干涉儀改進成多光路的線位移激光干涉儀，通過測量得到的兩條光路相對光程變化可以獲得一個旋轉角度的變化值。在目前文獻資料中未提出角位移激光干涉儀的校準方法與裝置，但因為角位移激光干涉儀是線位移激光干涉儀測量的衍生方案，所以角位移激光干涉儀校準可以采用線位移激光干涉儀的校準方法:并行式(冷玉國，陶磊，徐健基于80m測量裝置的雙頻激光干涉儀系統(tǒng)精度及影響因素分析.計量與測試技術，2011,38(9):47-49)、背對背式(廖澄清，朱小平，王蔚晨，杜華.激光干涉儀測長精度校準方法的研究.現(xiàn)代測量與實驗室管理，2005，1:6-7)和共光路式(Dr-1ng H.-H.Schussler.Comparison and calibration of laser interferometer systems.Measurement，1985，3(4):175-184)，因此角位移激光干涉儀校準裝置也會有線位移激光干涉儀校準裝置的缺點:較大的阿貝誤差、嚴重的空氣折射率不一致性和不是準確意義上兩套激光干涉儀進行校準。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對上述現(xiàn)有角位移激光干涉儀校準裝置中較大的阿貝誤差、嚴重的空氣折射率不一致性和不是準確意義上兩套激光干涉儀進行校準的問題，本發(fā)明提出和研發(fā)了形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準方法與裝置，該發(fā)明使標準測量光束與被校準激光干涉儀測量光束垂直距離很小，從而可以減小阿貝誤差、減小空氣折射率不一致性的影響，并且是準確意義上兩套激光干涉儀進行校準。
[0004]本發(fā)明的目的通過以下技術方案實現(xiàn):
[0005]一種形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準方法，該方法步驟如下:
[0006](I)標準激光干涉儀激光器的輸出光經(jīng)雙軸中空激光干涉鏡組形成相互平行的兩條標準測量光束，并都入射到有中間孔的平面鏡上，在垂直于兩條標準測量光束的平面內(nèi)，第一條與第二條標準測量光束投影位置點之間的連接線段M長為A，每條標準測量光束中帶有平面鏡位移信息的部分光被反射回雙軸中空激光干涉鏡組后，根據(jù)從雙軸中空激光干涉鏡組中獲得的干涉信號，得到連接線段M所在直線與有中間孔的平面鏡入射面夾角的變化值arctan ((ara2) /A)，其中，和a2分別為有中間孔的平面鏡上第一條和第二條標準洲量光束入射區(qū)域的線位移測量值，每條標準測量光束的其余部分光經(jīng)有中間孔的平面鏡透射到兩個光束位置探測器上；
[0007](2)被校準激光干涉儀激光器的輸出光經(jīng)被校準激光干涉儀干涉鏡組形成相互平行的兩條被校準激光干涉儀測量光束，被校準激光干涉儀兩條測量光束都穿過雙軸中空激光干涉鏡組的中間通孔，與兩條標準測量光束平行，并都入射到被校準激光干涉儀平面反射鏡上，在垂直于兩條標準測量光束的平面內(nèi)，第一條與第二條被校準激光干涉儀測量光束投影位置點之間的連接線段m長為B，連接線段m與連接線段M共線，兩條帶有被校準激光干涉儀平面反射鏡位移信息的被校準激光干涉儀測量光束反射回被校準激光干涉儀干涉鏡組后，根據(jù)從被校準激光干涉儀干涉鏡組中獲得的干涉信號，得到連接線段m所在直線與被校準激光干涉儀平面反射鏡入射面夾角的變化值arctan ((b1-b2)/B)，其中，Id1和b2分別為被校準激光干涉儀平面反射鏡上第一條和第二條被校準激光干涉儀測量光束入射區(qū)域的線位移測量值；
[0008](3)第一條、第二條標準測量光束和第一條、第二條被校準激光干涉儀測量光束在目標反射鏡入射面上各自的初始入射位置坐標分別為(Xl，Y1) > (X2, y2)、(X3，y3)和(χ4，y4)，在目標反射鏡入射面上每條測量光束的初始入射位置坐標經(jīng)過坐標位移(X，y)后，因目標反射鏡反射面形貌特征造成的線位移測量值分別為函數(shù)Zl(Xl+X，yi+y)>z2(x2+x,y2+y) > z3(x3+x, y3+y)和z4(x4+x, y4+y),運動臺進行任意旋轉方向的小角度偏擺并伴有在垂直于標準測量光束的平面內(nèi)任意二維方向的衍生位移，以勻速或非勻速采樣速率，同步采樣標準激光干涉儀夾角變化值arctan ((a^aJ/A)和被校準激光干涉儀夾角變化值arctanUb1-b^/B)，兩個光束位置探測器同步探測到兩條標準測量光束光斑在目標反射鏡入射面上二維方向的衍生坐標位移值，求取兩個坐標位移值的算術平均值(X’，I，)作為每條測量光束的衍生坐標位移值，將目標反射鏡反射面形貌特征造成的線位移測量誤差補償?shù)綂A角變化值中，得到arctan {[ Ca1-Z1 h+x，, yjy’ )) -(a2_z2 (x2+x，,y2+y，))]/A}和 arctan {[ (Id1-Z3 (x3+x，，y3+y，)) - (b2_z4 (x4+x，, y4+y，))]/B},最終得到一系列角位移校準測量誤差值 SrctanIKa1-Z1 (Xi+X’, yfy’ )) - (a2_z2 (x2+x，, y2+y’ ))]/A} -arctan {[ (b「z3 (x3+x，，y3+y，)) - (b2_z4 (x4+x，，y4+y ’))] /B}。
[0009]一種形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準裝置，包括標準激光干涉儀激光器，可接收標準激光干涉儀干涉信號位置上的接收器，導線將接收器與標準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)連接；在標準激光干涉儀激光器輸出光路上配置有中間通孔的可以讓被校準激光干涉儀測量光束穿過的雙軸中空標準激光干涉鏡組；雙軸中空標準激光干涉鏡組一側配置導軌，運動臺配裝在導軌上，在運動臺上安裝有中間孔的平面鏡，在平面鏡中間孔內(nèi)安裝被校準激光干涉儀平面反射鏡，被校準激光干涉儀平面反射鏡和有中間孔的平面鏡組成入射面共面并且相對位置固定的目標反射鏡；兩個光束位置探測器配置在有中間孔的平面鏡透射區(qū)域后面，且分別位于兩條平行標準測量光束透射光路上；在雙軸中空標準激光干涉鏡組另一側配置被校準激光干涉儀干涉鏡組和被校準激光干涉儀激光器，所述被校準激光干涉儀干涉鏡組位于被校準激光干涉儀激光器輸出光路上；被校準激光干涉儀接收器配置在可接收被校準激光干涉儀干涉信號的位置上，導線將被校準激光干涉儀接收器與被校準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)連接。
[0010]本發(fā)明具有以下特點及良好效果:
[0011](I)由于被校準激光干涉儀測量光束通過雙軸中空激光干涉鏡組的中間通孔，被校準測量光軸與平行標準光軸之間的垂直距離很短，兩者的光路非常接近，因此兩套激光干涉儀校準時阿貝誤差很小。
[0012](2)在垂直于兩條標準測量光束的平面，由兩條標準測量光束在該平面投影點構成的線段區(qū)域內(nèi)，兩條標準測量光束和兩條被校準激光干涉儀測量光束受環(huán)境干擾的程度差異很小，標準測量光束與被校準激光干涉儀測量光束空氣折射率值非常接近。
[0013](3)沒有共用的干涉鏡組和測量鏡，標準激光干涉儀部件和被校準標準激光干涉儀部件歸屬明確，是準確意義上的兩套激光干涉儀進行校準。
[0014](4)兩個光束位置探測器能夠測量出兩條標準測量光束相對目標反射鏡在垂直于標準測量光束平面內(nèi)任意二維方向衍生位移，在發(fā)生衍生位移后，目標反射鏡反射面表面形貌造成的測量位移誤差補償?shù)浇俏灰茰y量結果中，保證角位移測量值的準確性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準裝置結構示意圖
[0016]圖2為在有中間孔的平面鏡與被校準激光干涉儀平面反射鏡組成的目標反射鏡的入射面上光斑位置分布示意圖
[0017]圖中:I標準激光干涉儀激光器、2雙軸中空標準激光干涉鏡組、3、4兩條平行標準測量光束、5有中間孔的平面鏡、6標準激光干涉儀接收器、7標準信號處理系統(tǒng)、8被校準激光干涉儀激光器、9被校準激光干涉儀干涉鏡組、10、11兩條被校準激光干涉儀測量光束、12中間通孔、13被校準激光干涉儀平面反射鏡、14被校準激光干涉儀接收器、15被校準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)、16運動臺、17導軌、18、19兩個光束位置探測器、20、21兩條平行標準測量光束光斑位置、22、23兩條被校準激光干涉儀光束光斑位置。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發(fā)明具體實施例作進一步詳細描述。
[0019]一種形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準裝置，包括標準激光干涉儀激光器1，可接收標準激光干涉儀干涉信號位置上的接收器6，導線將接收器6與標準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)7連接；在標準激光干涉儀激光器I輸出光路上配置有中間通孔12的可以讓被校準激光干涉儀測量光束10、11穿過的雙軸中空標準激光干涉鏡組2 ;雙軸中空標準激光干涉鏡組2 —側配置導軌17，運動臺16配裝在導軌17上，在運動臺16上安裝有中間孔的平面鏡5，在平面鏡5中間孔內(nèi)安裝被校準激光干涉儀平面反射鏡13，被校準激光干涉儀平面反射鏡13和有中間孔的平面鏡5組成入射面共面并且相對位置固定的目標反射鏡；兩個光束位置探測器18、19配置在有中間孔的平面鏡5透射區(qū)域后面，且分別位于兩條平行標準測量光束3、4透射光路上；在雙軸中空標準激光干涉鏡組2另一側配置被校準激光干涉儀干涉鏡組9和被校準激光干涉儀激光器8，所述被校準激光干涉儀干涉鏡組9位于被校準激光干涉儀激光器8輸出光路上；被校準激光干涉儀接收器14配置在可接收被校準激光干涉儀干涉信號的位置上，導線將被校準激光干涉儀接收器14與被校準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)15連接。
[0020]所述的雙軸中空標準激光干涉鏡組2的中間通孔12包括任意形狀，數(shù)目是一個或一個以上。[0021]所述的每條平行標準測量光束3、4和每條被校準激光干涉儀測量光束10、11分別被有中間孔的平面鏡5和被校準激光干涉儀平面反射鏡13反射一次或一次以上。
[0022]所述的標準激光干涉儀接收器6和被校準激光干涉儀接收器14的數(shù)目分別是一個或一個以上。
[0023] 一種形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準方法，該方法步驟如下:
[0024](I)標準激光干涉儀激光器I的輸出光經(jīng)雙軸中空激光干涉鏡組2形成相互平行的兩條標準測量光束3、4，并都入射到有中間孔的平面鏡5上，在垂直于兩條標準測量光束
3、4的平面內(nèi)，第一條與第二條標準測量光束投影位置點之間的連接線段M長為A，每條標準測量光束中帶有平面鏡5位移信息的部分光被反射回雙軸中空激光干涉鏡組2后，根據(jù)從雙軸中空激光干涉鏡組2中獲得的干涉信號，得到連接線段M所在直線與有中間孔的平面鏡5入射面夾角的變化值arctan ((ara2) /A)，其中，B1和a2分別為有中間孔的平面鏡5上第一條和第二條標準測量光束入射區(qū)域的線位移測量值，每條標準測量光束3、4的其余部分光經(jīng)有中間孔的平面鏡5透射到兩個光束位置探測器18、19上；
[0025](2)被校準激光干涉儀激光器8的輸出光經(jīng)被校準激光干涉儀干涉鏡組9形成相互平行的兩條被校準激光干涉儀測量光束10、11，被校準激光干涉儀兩條測量光束10、11都穿過雙軸中空激光干涉鏡組2的中間通孔12，與兩條標準測量光束3、4平行，并都入射到被校準激光干涉儀平面反射鏡13上，在垂直于兩條標準測量光束3、4的平面內(nèi)，第一條與第二條被校準激光干涉儀測量光束投影位置點之間的連接線段m長為B，連接線段m與連接線段M共線，兩條帶有被校準激光干涉儀平面反射鏡13位移信息的被校準激光干涉儀測量光束10、11反射回被校準激光干涉儀干涉鏡組9后，根據(jù)從被校準激光干涉儀干涉鏡組9中獲得的干涉信號，得到連接線段m所在直線與被校準激光干涉儀平面反射鏡13入射面夾角的變化值arctan ((brb2) /B)，其中，Id1和b2分別為被校準激光干涉儀平面反射鏡13上第一條和第二條被校準激光干涉儀測量光束入射區(qū)域的線位移測量值；
[0026](3)第一條、第二條標準測量光束和第一條、第二條被校準激光干涉儀測量光束在目標反射鏡入射面上各自的初始入射位置坐標分別為(Xl，Y1) > (X2, y2)、(X3，y3)和(χ4，y4)，在目標反射鏡入射面上每條測量光束的初始入射位置坐標經(jīng)過坐標位移(X，y)后，因目標反射鏡反射面形貌特征造成的線位移測量值分別為函數(shù)Zl(Xl+X，yi+y)>z2(x2+x,y2+y) > z3(x3+x, y3+y)和z4(x4+x, y4+y),運動臺16進行任意旋轉方向的小角度偏擺并伴有在垂直于標準測量光束3、4的平面內(nèi)任意二維方向的衍生位移，以勻速或非勻速采樣速率，同步采樣標準激光干涉儀夾角變化值arctan (Xafa2)/A)和被校準激光干涉儀夾角變化值arctan (%-?)/B)，兩個光束位置探測器18、19同步探測到兩條標準測量光束3、4光斑在目標反射鏡入射面上二維方向的衍生坐標位移值，求取兩個坐標位移值的算術平均值U’，I，)作為每條測量光束的衍生坐標位移值，將目標反射鏡反射面形貌特征造成的線位移測量誤差補償?shù)綂A角變化值中，得到arctan {[ (S1-Z1 (Xi+X’，yjy’))- (a2_z2 (x2+x’，y2+y，))]/A}和 arctan {[ (Id1-Z3 (x3+x，，y3+y，)) - (b2_z4 (x4+x，, y4+y，))]/B},最終得到一系列角位移校準測量誤差值 SrctanIKa1-Z1 (Xi+X’, yfy’ )) - (a2_z2 (x2+x，, y2+y’ ))]/A} -arctan {[ (b「z3 (x3+x，，y3+y，)) - (b2_z4 (x4+x，，y4+y ’))] /B}。
[0027]標準測量光束光斑位置20、21依次分別是兩條平行標準測量光束3、4入射到有中間孔的平面鏡5的位置，被校準激光干涉儀光束光斑位置22、23是被校準激光干涉儀測量光束10、11入射被校準激光干涉儀平面反射鏡13的位置，從位置分布可以看出被校準激光干涉儀光束光斑位置22、23處在標準測量光束光斑位置20、21的中間，即兩條平行標準測量光束3、4將被校準激光干涉儀測量光束10、11夾持在中間位置。
【權利要求】
1.一種形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準方法，其特征在于該方法步驟如下: (1)標準激光干涉儀激光器的輸出光經(jīng)雙軸中空激光干涉鏡組形成相互平行的兩條標準測量光束，并都入射到有中間孔的平面鏡上，在垂直于兩條標準測量光束的平面內(nèi)，第一條與第二條標準測量光束投影位置點之間的連接線段M長為A，每條標準測量光束中帶有平面鏡位移信息的部分光被反射回雙軸中空激光干涉鏡組后，根據(jù)從雙軸中空激光干涉鏡組中獲得的干涉信號，得到連接線段M所在直線與有中間孔的平面鏡入射面夾角的變化值arctan ((ara2) /A)，其中，和a2.分別為有中間孔的平面鏡上第一條和第二條標準測量光束入射區(qū)域的線位移測量值，每條標準測量光束的其余部分光經(jīng)有中間孔的平面鏡透射到兩個光束位置探測器上； (2)被校準激光干涉儀激光器的輸出光經(jīng)被校準激光干涉儀干涉鏡組形成相互平行的兩條被校準激光干涉儀測量光束，被校準激光干涉儀兩條測量光束都穿過雙軸中空激光干涉鏡組的中間通孔，與兩條標準測量光束平行，并都入射到被校準激光干涉儀平面反射鏡上，在垂直于兩條標準測量光束的平面內(nèi)，第一條與第二條被校準激光干涉儀測量光束投影位置點之間的連接線段m長為B，連接線段m與連接線段M共線，兩條帶有被校準激光干涉儀平面反射鏡位移信息的被校準激光干涉儀測量光束反射回被校準激光干涉儀干涉鏡組后，根據(jù)從被校準激光干涉儀干涉鏡組中獲得的干涉信號，得到連接線段m所在直線與被校準激光干涉儀平面反射鏡入射面夾角的變化值arctan ((brb2) /B)，其中，Id1和b2分別為被校準激光干涉儀平面反射鏡上第一條和第二條被校準激光干涉儀測量光束入射區(qū)域的線位移測量值； (3)第一條、第二條標準測量光束和第一條、第二條被校準激光干涉儀測量光束在目標反射鏡入射面上各自的初始入射位置坐標分別為(Xl，Y1) > (x2, y2)、(χ3，y3)和(χ4，y4)，在目標反射鏡入射面上每條測量光束的初始入射位置坐標經(jīng)過坐標位移(X，y)后，因目標反射鏡反射面形貌特征造成的線位移測量值分別為函數(shù)Z1 (Xl+X，yi+y)>z2(x2+x,y2+y) > z3(x3+x, y3+y)和z4(x4+x, y4+y),運動臺進行任意旋轉方向的小角度偏擺并伴有在垂直于標準測量光束的平面內(nèi)任意二維方向的衍生位移，以勻速或非勻速采樣速率，同步采樣標準激光干涉儀夾角變化值arctan ((a^aJ/A)和被校準激光干涉儀夾角變化值arctanUb1-b^/B)，兩個光束位置探測器同步探測到兩條標準測量光束光斑在目標反射鏡入射面上二維方向的衍生坐標位移值，求取兩個坐標位移值的算術平均值(X’，I，)作為每條測量光束的衍生坐標位移值，將目標反射鏡反射面形貌特征造成的線位移測量誤差補償?shù)綂A角變化值中，得到arctan {[ Ca1-Z1 h+x，, yjy’ )) -(a2_z2 (x2+x，,y2+y，))]/A}和 arctan {[ (Id1-Z3 (x3+x，，y3+y，)) - (b2_z4 (x4+x，, y4+y，))]/B},最終得到一系列角位移校準測量誤差值 SrctanIKa1-Z1 (Xi+X’, yfy’ )) - (a2_z2 (x2+x，, y2+y’ ))]/A} -arctan {[ (b「z3 (x3+x，，y3+y，)) - (b2_z4 (x4+x，，y4+y ’))] /B}。
2.一種形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準裝置，包括標準激光干涉儀激光器(I)，可接收標準激光干涉儀干涉信號位置上的接收器出)，導線將接收器(6)與標準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)(7)連接；其特征在于在標準激光干涉儀激光器(I)輸出光路上配置有中間通孔(12)的可以讓被校準激光干涉儀測量光束(10、11)穿過的雙軸中空標準激光干涉鏡組(2);雙軸中空標準激光干涉鏡組(2) —側配置導軌(17)，運動臺(16)配裝在導軌(17)上，在運動臺(16)上安裝有中間孔的平面鏡(5)，在平面鏡(5)中間孔內(nèi)安裝被校準激光干涉儀平面反射鏡(13)，被校準激光干涉儀平面反射鏡(13)和有中間孔的平面鏡(5)組成入射面共面并且相對位置固定的目標反射鏡；兩個光束位置探測器(18、19)配置在有中間孔的平面鏡(5)透射區(qū)域后面，且分別位于兩條平行標準測量光束(3、4)透射光路上；在雙軸中空標準激光干涉鏡組(2)另一側配置被校準激光干涉儀干涉鏡組(9)和被校準激光干涉儀激光器(8)，所述被校準激光干涉儀干涉鏡組(9)位于被校準激光干涉儀激光器(8)輸出光路上；被校準激光干涉儀接收器(14)配置在可接收被校準激光干涉儀干涉信號的位置上，導線將被校準激光干涉儀接收器(14)與被校準激光干涉儀信號處理系統(tǒng)(15)連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準裝置，其特征在于所述的雙軸中空標準激光干涉鏡組(2)的中間通孔(12)包括任意形狀，數(shù)目是一個或一個以上。
4.根據(jù)權利要求2所述的形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準裝置，其特征在于所述的每條平行標準測量光束(3、4)和每條被校準激光干涉儀測量光束(10、11)分別被有中間孔的平面鏡(5)和被校準激光干涉儀平面反射鏡(13)反射一次或一次以上。
5.根據(jù)權利要求2所述的形貌補償式雙光軸角位移激光干涉儀校準裝置，其特征在于所述的標準激光干涉儀接收器(6)和被校準激光干涉儀接收器(14)的數(shù)目分別是一個或一個以上。·
【文檔編號】G01B9/02GK103528508SQ201310475890
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權日:2013年10月11日
【發(fā)明者】譚久彬, 胡鵬程, 毛帥 申請人:哈爾濱工業(yè)大學