一种波长修正式多光束角阶梯反射镜激光干涉仪及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种波长修正式多光束角阶 梯反射镜激光干涉仪及其测量方法。
【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 = NXA/2,式中λ 为激光波长(Ν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，提供一种波长修正式多光束角阶梯反射镜激光干涉仪及其测量方法，该激光 干涉仪在现有迈克尔逊激光干涉仪的基础上，采用η光源η阶梯平面角反射镜，测量精度可 以达到+，提高该激光干涉仪的测量精度。测量环境下的激光等效波长可以通过本发明所 2 η 述测量方法获得，进一步提高了该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] 一种波长修正式多光束角阶梯反射镜激光干涉仪，包括激光源、分光镜、固定阶梯 平面角反射镜、测量角反射镜装置、光电探测器组，所述测量角反射镜装置包括测量角反射 镜与精密位移装置，所述测量角反射镜设置在所述精密位移装置上，所述精密位移装置设 置在被测物体上，所述精密位移装置为所述测量角反射镜提供与被测物体位移同向或反向 的位移。所述激光源包括η个平行激光束，其中η 2 2,所述光电探测器组包括η个光电探测器 件;所述固定阶梯平面角反射镜(3)包括成直角的两个反射阶梯面，每个所述反射阶梯面包 括η个成阶梯形的反射平面，相邻两个反射平面的间距等于
?其中k为自然数、λ 为激光源发出的激光波长，所述测量角反射镜包括成直角的两个反射平面;所述激光源发 出的每束激光经过所述分光镜反射后，分别射入对应一个反射平面，每个所述反射平面将 每束激光反射到对应的所述光电探测器组的各个光电探测器件;所述激光源发出的每束激 光经过所述分光镜透射后，分别入射到所述测量角反射镜后反射到对应的光电探测器组的 各个光电探测器件。
[0009] 该激光干涉仪的激光束数量、阶梯形反射平面数量和光电探测器件的数量均为η (η 2 2)，且为一一对应，即激光源发射的每个激光均分为两路，一束激光通过分光镜反射到 固定阶梯平面角反射镜的阶梯面的其中一个平面后，反射到光电探测器组上的其中一个光 电探测器件，另一束激光直接在分光镜内透射后入射到测量角反射镜后再反射到同一个光 电探测器件，该光电探测器件即能探测到这两路光程差在测量角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。由于固定阶梯平面角反射镜上为阶梯形反射面，所 以激光源发射的各束激光通过固定阶梯平面角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个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，该阶梯面（即阶梯形反射平面)的相邻两个平面高度差值等于
由于入射 角为45度，等效光程为
，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Vn+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/η才会 对该光束激光的干涉状态产生影响，因此，只要测量角反射镜进行移动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至少其中一个能够检测出其激光干 涉状态发生的变化，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阶梯平面 角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
真正决定激光是否处于 最强干涉状态或最弱干涉状态的只是差值^J，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，参数较大是为了便于加工装配。
[0013] 优选地，所述固定阶梯平面角反射镜包括角反射镜本体以及n-1个反射薄片组合 而成，每个所述反射薄片的厚度为
，其中k为自然数。
[0014] 该阶梯面通过2 X (n-1)个反射薄片叠加在角反射镜本体上而成，角反射镜本体表
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 ?为自然数，即每 个反射薄片的厚度可以相同也可以不同，但两阶梯面应对称。
[0015] 优选地，每个所述反射薄片厚度均为
[0016] 优选地，所述角反射镜本体和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] 优选地，η个所述激光源等距分布，且相邻两个所述激光束的间距等于激光波长的 整数倍。
[0018] 优选地，相邻两个所述激光源发出的激光束之间的间距均为100-10000倍的激光 波长。
[0019] 本申请的上述方案中，由于将测量角反射镜设置在精密位移装置上，而精密位移 装置设置在被测物体上，当被测物体发生位移时，被测物体带动精密位移装置，进而带动测 量角反射镜，如此，当被测物体发生位移时，在位移过程中，由于干涉光路光程的变化，使 得，对应光束的激光干涉状态也随之变化，开始测量工作前，启动精密位移装置，使测量角 反射镜产生位移，所述测量角反射镜的位移方向与被测物体的位移方向在同一直线上，当 光电探测器组中任意一个光电探测器检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置，并将光 电探测器组中所有光电探测器计数清零，然后再开始测量被测物体的位移，在对应激光束 的干涉状态变化过程中，光电探测器组中所有光电探测器记录对应干涉光路最强相长干涉 的总次数Ν，当被测物体移动结束，处于静止状态时，光电探测器组停止计数;此时，通过精 密位移装置使测量角反射镜在被测物体的位移方向上移动，并观测光电探测器组，当光电 探测器