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_2

文档序号:9748464阅读:来源:国知局
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,并读取精密 位移装置为测量角反射镜提供的位移值AL。
[0020] 若位移AL与被测物体的位移方向相同,则被测物体实际产生的位移值L = NXλ/ (2η) + (λ/(2η)-Λυ,其中Λ?<λ/(2η),式中λ为激光波长;
[0021 ]若位移AL与被测物体的位移方向相反,则被测物体实际产生的位移值L = N X λ/ (2n)+AL,其中Λ?<λ/(2η),式中λ为激光波长。
[0022] 如此,通过上述结构,将被测物体实际位移中超出1/(2η)个激光波长部分AL也测 量出来补充到位移检测结果中,进而使得本申请的激光干涉仪所测量得到的位移结果更加 精确,其精确度高于l/(2n)个激光波长,具体取决于精密位移装置所能提供的位移精度。
[0023] 作为本申请的优选方案,所述精密位移装置包括支撑平台和设置在所述支撑平台 上的驱动装置,所述支撑平台与所述被测物体相配合,所述驱动装置为所述测量角反射镜 提供在被测物体位移方向上的位移。
[0024] 作为本申请的优选方案,所述驱动装置为压电陶瓷型驱动装置。
[0025] 在本方案中,采用压电陶瓷型驱动装置能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷 材料,其在电场作用下产生的形变量很小,最多不超过本身尺寸的千万分之一的微小位移, 具有良好的往复形变恢复能力,稳定性好、精度高,进一步提高了本申请精密位移装置的精 确性和可靠性。
[0026] 作为本申请的优选方案,所述精密位移装置还包括设置在所述支撑平台上的第一 位移件和设置在所述第一位移件上的第二位移件,所述驱动装置与所述第一位移件相配 合,为所述第一位移件提供沿所述支撑平台的位移,所述第一位移件具有一相对于其位移 方向倾斜的斜面,所述第二位移件滑动设置在所述第一位移件的斜面上,使所述第二位移 件可沿所述第一位移件的斜面滑动,所述第一位移件与第二位移件之间贴紧配合,所述测 量角反射镜设置在所述第二位移件上,所述支撑平台上还设置有约束装置,所述约束装置 限制所述第二位移件沿所述第一位移件位移方向上的运动,使得当第一位移件被所述驱动 装置带动而产生位移时,所述第二位移件被所述第一位移件带动而产生位移,并且,所述第 二位移件的位移方向与所述第一位移件的位移方向相垂直,所述第一位移件的斜面与其位 移方向的夹角为A度,0〈A〈45。
[0027] 在本申请的上述方案中,驱动装置与第一位移件相配合,为第一位移件提供沿支 撑平台的位移,第一位移件具有一相对于其位移方向倾斜的斜面,第二位移件滑动设置在 第一位移件的斜面上,使第二位移件可沿第一位移件的斜面滑动,在精密位移装置工作时, 驱动装置提供一定的位移量推动第一位移件,此时,由于约束装置限制第二位移件沿第一 位移件位移方向上的运动,使第二位移件的位移方向与第一位移件的位移方向相垂直,如 此,第二位移件的位移量与驱动装置为第一位移件提供的位移量相关,还与第一位移件的 斜面与其位移方向的夹角相关。
[0028] 即,设第一位移件的斜面与其位移方向的夹角为A度,当驱动装置提供的位移量为 X时,第二位移件在垂直于驱动装置运动方向上产生的位移量即为Y = Xtan(A),如此,当夹 角A小于45度时,将得到一个小于X值的位移量,当进一步的减小夹角A时,位移量Y也随之减 小,如此,使得在本申请的方案中,精密位移装置通过以行程换精度的方式,直接提高了本 申请精密位移装置的精度,也就进一步的提高了本申请激光干涉仪的测量精度。
[0029] 作为本申请的优选方案,所述第一位移件与所述支撑平台之间还设置有具有磁性 的磁性件,所述第二位移件具有磁性,所述第二位移件与所述磁性件为异性相吸状态。使得 第一位移件在被推动时,能够保持与第二位移件紧密贴合,保证本申请精密位移装置的精 度,进而保证本申请激光干涉仪的测量精度。
[0030] 作为本申请的优选方案,所述第二位移件与所述测量角反射镜为一体式结构。
[0031] 在上述方案中,第二位移件与测量角反射镜为一体式结构,也就是说,直接在第二 位移件上设置一反射面,使其本身形成测量角反射镜,如此,简化了本申请激光干涉仪的结 构,方便调试和使用。
[0032] 虽然目前,也存在测量空气折射率的装置,对单点位置的大气温度、湿度以及气压 进行测量,通过波长补偿公式对激光波长进行修正,但是其只能够对局部空气进行检测,而 在本申请的位移测量领域中,由于其位移是在一个区域内进行,该区域内各个位置的空气 各参数都存在有差异,特别是存在较大温度梯度、湿度梯度以及气压梯度等情况,以单点参 数修正激光波长将存在较大误差。
[0033] 所以,基于上述原因,在本申请中,在测量过程中,检测当前测量环境下,激光的环 境等效波长λ',而该λ'值为当前测量环境的等效波长,所以直接避免了不同区域空气折射 率不同而带来的问题,如此,减小环境因素带来的误差,进而进一步的提高了本申请激光干 涉仪及其测量方法的测量精度。
[0034] 本申请还公开了一种用于上述波长修正式多光束角阶梯反射镜激光干涉仪的测 量方法,其包括有下述步骤:
[0035] 步骤一:安装波长修正式多光束角阶梯反射镜激光干涉仪;
[0036] 步骤二:将测量角反射镜装置设置在被测物体上;
[0037]步骤三:调试波长修正式多光束角阶梯反射镜激光干涉仪,使形成符合要求的光 路,并且使每一个条干涉光路都处于干涉状态;
[0038] 步骤四: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,当光电探测器组中有任意一 个检测到最强相长干涉时,停止精密位移装置,并将光电探测器组计数清零;
[0039] 步骤五:开始测量工作,被测物体开始移动,光电探测器组中所有光电探测器记录 对应干涉光路的最强相长干涉的总次数Ν;
[0040] 步骤六:被测物体位移结束,处于静止状态,再次启动精密位移装置,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再次检测到最强相长干涉时,停止所述精密位移装置, 使测量角反射镜停止;
[0041 ]步骤七:读取精密位移装置为所述测量角反射镜提供的位移值AL;
[0042] 步骤八:记录测量过程中光电探测器组记录的最强相长干涉总次数Ν和测量角反 射镜位移值AL。
[0043] 步骤九:再次启动精密位移装置,移动测量角反射镜,使光电探测器组记录最强相 长干涉的总次数Μ(Μ为正整数),并读取Μ次最强相长干涉对应的测量角反射镜位移值Ζ。根 据 Ζ=ΜΧλ'/(2η),得出当前测量环境下,激光的等效波长λ'=2ηΖ/Μ。
[0044] 步骤十:计算被测物体的位移值。
[0045] 若位移AL与被测物体的位移方向相同,则,被测物体实际产生的位移值L = Ν X λ7(2η) + (λ'/(2η)-Λυ,其中Λ?<λ'/(2η),式中λ'为激光等效波长;
[0046] 若位移AL与被测物体的位移方向相反,则,被测物体实际产生的位移值L = NX A'/(2n)+AL,其中Λ?<λ'/(2η),式中λ'为激光等效波长。
[0047] 本申请的测量方法,由于将测量角反射镜位移值AL补充入被测物体的位移值中, 直接提高了被测物体位移的测量精度。同时,通过检测测量环境中的等效波长λ',即对激光 的波长进行修正,如此减小环境因素带来的误差,进而进一步的提高了本申请激光干涉仪 及其测量方法的测量精度。
[0048] 作为本申请的优选方案,所述步骤四至步骤九中,所述最强相长干涉还可以是最 弱相消干涉。在本方案中,在进行测量过程中,光电探测器组是记录对应各激光干涉光路的 最弱相消干涉的总次数,如此依然可以得到一个精度较高的被测物体的位移值L。
[0049] 与现有技术相比,本发明的有益效果:
[0050] (1)该波长修正式多光束角阶梯反射镜激光干涉仪的激光源发射的激光束数量、 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),且一一对应,由于激光源发射的 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,各个 光电探测器件能够探测到对应的两束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
度差值等弓 ,由于
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