一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪。
【背景技术】
[0002]激光器的出现，使古老的干涉技术得到迅速发展，激光具有亮度高、方向性好、单色性及相干性好等特点，激光干涉测量技术已经比较成熟。激光干涉测量系统应用非常广泛:精密长度、角度的测量如线纹尺、光栅、量块、精密丝杠的检测；精密仪器中的定位检测系统如精密机械的控制、校正；大规模集成电路专用设备和检测仪器中的定位检测系统；微小尺寸的测量等。在大多数激光干涉测长系统中，都采用了迈克尔逊干涉仪或类似的光路结构。
[0003]单频激光干涉仪从激光器发出的光束，经扩束准直后由分光镜分为两路，并分别从固定反射镜和可动反射镜反射回来会合在分光镜上而产生干涉条纹。当可动反射镜移动时，干涉条纹的光强变化由接受器中的光电转换元件和电子线路等转换为电脉冲信号，经整形、放大后输入可逆计数器计算出总脉冲数，再由电子计算机按计算式L = NX λ /2，式中λ为激光波长(N为电脉冲总数)，算出可动反射镜的位移量L。使用单频激光干涉仪时，要求周围大气处于稳定状态，各种空气湍流都会引起直流电平变化而影响测量结果。
[0004]单频激光干涉仪的弱点之一就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。其原因在于它是一种直流测量系统，必然具有直流光平和电平零漂的弊端。激光干涉仪可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来，而如果激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使激光器强度或干涉信号强度变化的主要原因是空气湍流，机床油雾，切削肩对光束的影响，结果光束发生偏移或波面扭曲。
[0005]单频激光干涉仪由于测量结构的问题，其测量精度受限于激光的波长，其精度一般只能为其波长的整数倍，很难再进行提升，同时测量环境的变化对测量结果有较大影响。随着工业生产对精密测量的要求越来越高，对测量仪器的测量精度提出了更高的要求。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于克服现有激光干涉仪测量精度受限于激光波长，测量精度难以提升的不足，提供一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，该激光干涉仪在现有迈克尔逊激光干涉仪的基础上，采用多光源多阶梯平面反射镜，对于η阶梯平面反射镜可以检测λ/2η的精度，提高了激光干涉仪的测量精度。同时由于多光路干涉状态交替变换，对测量光路的环境变化有更高的抗干扰能力。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案:
[0008]—种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、固定反射镜、移动反射镜、光电探测器组，其特征在于，所述激光源包括η个平行激光束，其中η多2，所述光电探测器组包括η个光电探测器件，所述固定反射镜的反射面为η个成阶梯型的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于λ/2η+1?λ/2，其中k为任意自然数、λ为激光源发出的激光波长；每个所述激光源发出的每束激光经过所述分光镜反射后，分别垂直射入对应一个反射平面，每个所述反射平面将对应激光反射到所述光电探测器组的对应各个光电探测器件；所述激光源发出的每束激光束经过所述分光镜透射后，分别垂直入射到所述移动反射镜后反射到光电探测器组的对应的各个光电探测器件。
[0009]该激光干涉仪的激光源产生的平行激光束数量、阶梯型反射平面数量和光电探测器件的数量均为η (η ^ 2)，且为一一对应，即激光源发射的每束激光均分为两路，一路激光通过分光镜反射到固定反射镜的阶梯面的其中一个平面后，垂直反射到光电探测器组上的其中一个光电探测器件，另一路激光直接在分光镜内透射后入射到移动反射镜后再垂直反射到同一个光电探测器件，该光电探测器件即能探测到这两路光程差在移动反射镜发生位移过程中是否产生最强干涉状态或最弱干涉状态。由于固定反射镜上为阶梯型反射面，所以激光源发射的各束激光通过固定反射镜的阶梯面反射后的光路的光程是不相同的，同时激光源发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器件后的光程差值均不相同，能够发生干涉现象不仅和激光的波长有关，还和阶梯反射平面的平面高度差值有关系，由于该阶梯面(即阶梯型反射平面)的相邻两个平面高度差值等于λ/2η+1?λ/2，即相邻阶梯面的高度差值可以相同也可以不同，由于每束激光在每个反射平面反射后，光程有所差异，不管相邻两个反射平面的高度差值多少，其光程差均为A/n+kA。
[0010]由于上述光程差公式中kA并不会影响该光束激光的干涉状态，只有差值λ/n才会对该光束激光的干涉状态产生影响，因此，只要移动反射镜进行移动λ/2η的距离或整数倍于λ/2η的距离，该光电探测器组上的光电探测器件的其中一个能够检测出其激光干涉状态达到最强干涉状态，故该激光干涉仪的检测精度则变为λ/2η，相对于现有的激光干涉仪只能检测精度为激光波长λ而言，该测量精度得到了显著提高，该测量精度即由固定反射镜的阶梯面的每两个阶梯平面的间距(也可称为高度或厚度)以及激光源的激光波长决定。
[0011]由于采用多光路干涉测量，测量过程中，各光电探测器探测到的直流电平应该交替变化，如果某一光路的测量环境的变化造成光电探测器测量的直流电平发生偏移，而其它测量光路的光电探测器探测到的直流电平没有发生交替变化，此时认为该测量光路是受到测量环境的影响，忽略其电平变化。如果多条光路的测量环境的变化造成多个光电探测器测量的直流电平发生偏移，则认为测量环境发生变化，忽略其电平变化。仅仅对于测量过程中严格满足多光路干涉状态交替变化的情况才对其进行计数，即多光路干涉测量中引入交流信号，将传统的激光干涉测量中直流电平的测量转换为交流信号的测量。
[0012]需要说明的是，相邻两个平面高度差值等于λ /2n+k λ /2，真正决定激光是否处于最强干涉状态的只是差值λ/2η，增加的差值kA/2是为了增加阶梯面相邻两个反射面的高度差值。
[0013]优选地，所述固定反射镜包括平面反射镜本体以及η-l个反射薄片组合而成，每个所述反射薄片的厚度为λ/2η+1?λ/2，其中k为自然数。
[0014]该阶梯面通过η-l个反射薄片叠加在平面反射镜本体上而成，平面反射镜本体表面为激光干涉仪用普通反射镜，其中每个反射薄片的厚度为λ/2η+1?λ/2，k为自然数，即每个反射薄片的厚度可以相同也可以不同。
[0015]优选地，每个所述反射薄片厚度均为λ/2η。
[0016]优选地，所述平面反射镜本体以及η-l个厚度相同的反射薄片为一体成型体，避免分块的反射薄片连接在一起产生的相邻两个反射薄片形成的两个阶梯平面的高度误差。
[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果:该高精度阶梯平面反射激光干涉仪的激光源发射的激光束数量、阶梯型反射平面数量和光电探测器件的数量均为n(n ^ 2)，且一一对应，由于激光源发射的各束激光通过固定反射镜的阶梯面上不同平面反射后的光路的光程不同，同时激光源发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器件后的光程差值均不相同，各个光电探测器件能够探测到对应的两路激光是否能够发生干涉现象，该干涉现象的产生不仅和激光的波长有关，还和阶梯面的平面高度差值有关系，由于该阶梯面的相邻两个平面高度差值等于λ/2n+k λ/2，因此，只要移动反射镜进行移动λ/2η的距离或整数倍于λ/2η的距离，该光电探测器组上的光电探测器件只能其中一个能够检测出其处于最强激光干涉状态，故该激光干涉仪的检测精度为λ/2η ;相对于现有的激光干涉仪只能检测精度为激光波长λ而言，其测量精度得到了显著的提高。同时由于采用多光路干涉测量，测量过程中，各光电探测器探测到的直流电平应该交替变化，如果某一光路的测量环境的变化造成光电探测器测量的直流电平发生偏移，而其它测量光路的光电探测器探测到的直流电平没有发生交替变化，此时认为该测量光路是受到测量环境的影响，忽略其电平变化。如果多条光路的测量环境的变化造成多个光电探测器测量的直流电平发生偏移，则认为测量环境发生变化，忽略其电平变化。仅仅对于测量过程中严格满足多光路干涉状态交替变化的情况才对其进行计数，即多光路干涉测量中引入交流信号，将传统的激光干涉测量中直流电平的测量转换为交流信号的测量，提高了干涉仪的抗干扰能力。
【附图说明】
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[0018]图1为本发明所多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪使用时的激光光路示意图；
[0019]图2为图1中激光源的结构示意图；
[0020]图3为图1中固定反射镜的阶梯型反射平面的结构示意图。
[0021]图中标记:
[0022]1、激光源，11、激光束一，12、激光束二，13、激光束三，14、激光束四，2、分光镜，3、固定反射镜，31、反射平面一，32、反射平面二，33、反射平面三，34、反射平面四，35、反射镜本体，36、反射薄片，4、移动反射镜，5、光电探测器组，51、光电探测器件一，52、光电探测器件二，53、光电探测器件三，54、光电探测器件四。
【具体实施方式】
[0023]下面结合试验例及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范围。
[0024]如图1所示，一种多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源1、分光镜2、固定反射镜3、移动反射镜4、光电探测器组5，其中激光源I包括η个平行激光束，η多2，光电探测器组5也包括η个光电探测器件，固定反射镜3的反射面为η个阶梯型反射平面，相邻两个阶梯反射平面的间距h等于λ/2η+1?λ/2，其中k为自然数、λ为激光源I发出的激光波长；激光源I发出的每束激光束经过分光镜2反射后，分别垂直射入对应一个