一种波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种波长修正式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、测量反射镜装置、光电探测器组，其中激光源包括n(n≥2)个平行激光束，光电探测器组包括n个光电探测器件。测量反射镜装置包括测量反射镜与精密位移装置，固定反射镜的反射面为n个阶梯平面，相邻两个反射平面间距为λ/2n+kλ/2(k为自然数)；每束激光经分光镜后变为两束，其中一束经固定反射镜反射后从分光镜透射，到达光电探测器，同时另一束激光依次经测量反射镜、分光镜反射后也入射至该光电探测器。该激光干涉仪产生的激光干涉现象不仅和激光波长有关，还和阶梯型反射平面高度差值有关，该光电探测器组能够检测到精度达到λ/2n级别的位移，同时在测量过程中修正激光波长，减小环境对激光干涉测量结果的影响，显著提高了测量精度。
【专利说明】
一种波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪
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 = NXA/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，提供一种波长修正式多光束阶梯平面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。测量环境下的激光等效波长可以通过本发明所述测量方法获得，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]—种波长修正式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、测量反射镜装置、光电探测器组，其特征在于，所述测量反射镜装置包括测量反射镜与精密位移装置，所述测量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+kX/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测量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多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测量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测量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，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U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/2η+1?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U/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A/2n+U/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]本申请的上述方案中，由于将测量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，使测量反射镜产生位移，所述测量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N，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反射镜提供的位移值AL。
[0018]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= N X λ/(2η) + (λ/(2η)-Λυ，其中Λ?<λ/(2η)，式中λ为激光波长；
[0019 ]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。
[0020]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1/(2η)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。
[0021]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反射镜提供在被测物体位移方向上的位移。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]S卩，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。
[0027]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。
[0028]作为本申请的优选方案，所述第二位移件与所述测量反射镜为一体式结构。
[0029]在上述方案中，第二位移件与测量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。
[0030]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。
[0031 ]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。
[0032]本申请还公开了一种用于上述波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪的测量方法，其包括有下述步骤:
[0033]步骤一:安装波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪；
[0034]步骤二:将测量反射镜装置设置在被测物体上；
[0035]步骤三:调试波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，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；
[0036]步骤四:开始测量工作前，启动精密位移装置，使测量反射镜产生位移，所述测量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；
[0037]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N;
[0038]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，使测量反射镜产生位移，所述测量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，使测量反射镜停止；
[0039]步骤七:读取精密位移装置为所述测量反射镜提供的位移值AL;
[0040]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N和测量反射镜位移值AL。
[0041]步骤九:再次启动精密位移装置，移动测量反射镜，使光电探测器组记录最强相长干涉的总次数M(M为正整数)，并读取M次最强相长干涉对应的测量反射镜位移值Z。根据Z =ΜΧλ’/(2η)，得出当前测量环境下，激光的等效波长λ’=2ηΖ/Μ。
[0042]步骤十:计算被测物体的位移值。
[0043]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= NXλ7(2η) + (λ’/(2η)-Λυ，其中Λ?<λ’/(2η)，式中λ’为激光等效波长；
[0044]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= NXA’/(2n)+AL，其中Λ?<λ’/(2η)，式中λ’为激光等效波长。
[0045]本申请的测量方法，由于将测量反射镜位移值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。
[0046]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。
[0047]与现有技术相比，本发明的有益效果:
[0048](I)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η(η>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A/2n+U/2，因此，只要测量反射镜进行移动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。
[0049](2)在测量过程中检测测量环境中激光的等效波长λ，，对激光波长进行修正，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的测量精度。
【附图说明】
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[0050]图1为本发明波长修正式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；
[0051]图2为图1中激光源的结构不意图；
[0052]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。
[0053]图4为测量反射镜与第二位移件一体式结构图
[0054]图中标记:
[0055]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、测量反射镜，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、光电探测器件四，6、精密位移装置，7、测量反射镜，8、支持平台，9、驱动装置，10、约束装置，11、磁性件，12、被测物体，13、第一位移件，14、第二位移件，15、斜面。
【具体实施方式】
[0056]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。
[0057]如图1所示，一种波长修正式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、测量反射镜装置4、光电探测器组5，所述测量反射镜组4包括测量反射镜7与精密位移装置6，测量反射镜7包括成直角的两个反射平面，所述测量反射镜7设置在所述精密位移装置6上，所述精密位移装置6设置在被测物体12上，所述精密位移装置6为所述测量反射镜7提供与被测物体12位移同向或反向的位移；
[0058]所述激光源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A/2n+kλ/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反射薄片36，每个反射薄片36将每束激光反射到对应的光电探测器件;激光源I发出的对应激光束经过分光镜2透射后，分别垂直入射到测量反射镜7后再反射到对应的光电探测器件。需要说明的是，文中的λ为激光源I发出的激光波长，激光源I发出的每束激光波长均一样。
[0059]该激光干涉仪的激光源I发出的激光束数量、阶梯面平面数量和光电探测器组5的光电探测器件数量均为n(n多2)，且为一一对应，即激光源I发射的每束激光均分为两路，一路激光通过分光镜2反射到固定反射镜3的阶梯面的其中一个平面后，反射回分光镜2再入射到光电探测器组5上的其中一个光电探测器件，另一路激光直接在分光镜2内透射后垂直入射到测量反射镜7后再反射到分光镜2，分光镜2再将其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反射镜7发生位移过程中是否产生干涉状态，即相长干涉或相消干涉。由于固定反射镜3上的阶梯面，所以激光源I发射的各束激光通过固定反射镜3的阶梯面反射后的光路的光程是不相同的，同时激光源I发射的每束激光分成两路后到达对应的光电探测器组5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h等于A/2n+U/2，因此，只要测量反射镜7进行移动λ/2η的距离或整数倍于λ/2η的距离，该光电探测器上的光电探测器组5均有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3的阶梯面的相邻两个阶梯平面的间距(也可称为高度或厚度)以及激光源I的激光波长决定。
[0060]该固定反射镜3包括平面反射镜本体35以及η-l个厚度h相同的反射薄片36组合而成，每个所述反射薄片36的厚度h为λ/2η。该阶梯面通过η-l个厚度h相同的反射薄片36叠加在平面反射镜本体35上而成，平面反射镜本体35为表面为平面的激光干涉仪用普通反射镜，其中每个反射薄片36的厚度h均为λ/2η。同时，该平面反射镜本体35以及η-l个厚度h相同的反射薄片36可以为一体成型体，避免分块的反射薄片36连接在一起产生的相邻两个反射薄片36形成的两个阶梯平面的高度误差。
[0061]如图2所示，所有的激光源I发出的η个激光束等距分布，此时，选择n= 4，k = 0，激光源I发出的激光束分别为激光束一 11、激光束二 12、激光束三13、激光束四14，且相邻两个激光束的间距d等于激光波长的整数倍。选择663纳米的激光波长，相邻激光源I发出的相邻激光束的间距d为4毫米。对应的光电探测器组5接收激光的光电探测器件也分别为四个，SP光电探测器件一 51、光电探测器件二 52、光电探测器件三53、光电探测器件四54。
[0062]此时，固定反射镜3上的阶梯型反射平面也相应选为四个，即反射平面一31、反射平面二 32、反射平面三33、反射平面四34，如图3所示，选用四个反射平面成阶梯型平面以便于加工和降低成本。该光程路线为激光束一11发出的激光在分光镜2分成两路，一路被分光镜2反射后入射到固定反射镜3，被反射平面一 31反射到分光镜2后再透射并入射到光电探测器件一 51，该激光的另一路则直接在分光镜2透射后入射到测量反射镜7，被反射到分光镜2后，分光镜2再次将该激光反射至光电探测器件一51。以此类推，其他的激光束二 12、激光束三13、激光束四14分别被反射平面二 32、反射平面三33、反射平面四34反射，并分别被光电探测器件二52、光电探测器件三53、光电探测器件四54接收。根据计算，由于采用了四个阶梯型反射平面，相邻两个反射平面的高度差为λ/8，因此通过激光束一 11、激光束二 12、激光束三13、激光束四14所发出的激光经过固定反射镜3反射后的光程差值分别为?1λ、&2λ-λ/4、?3λ-λ/ 2、a^-3A/4，其中 a1、a2、a3、a4 为自然数。
[0063]当激光束一11正处于最强干涉状态时，即激光束一 11发出的激光分成两路后的光程差值为&4，通过光电探测器件一 51可以测量出激光处于最强干涉状态，此时激光束二 12所对干涉光路、激光束三13所对干涉光路以及激光束四14所对干涉光路的两路光程差值分别为:a2X-A/4、a3X-A/2、a4X-3A/4，二者光路此时均处于非最强干涉状态。
[0064]当测量反射镜7移动λ/8，使激光源一11分成的两路激光光程差值增加λ/4时，其他激光源的激光光程差也相应增加λ/4，此时，激光束一 11发出的激光分成两路的光程差值为&1λ+λ/4，处于非最强干涉状态，而激光束二 12发出的激光分成两路的光程差值则变为a2X，因此光电探测器件二 52能够检测到干涉光路处于最强干涉状态，激光束三13和激光束四14的激光也处于非最强干涉状态。当测量反射镜7移动λ/4时，激光束三13所对干涉光路将处于最强干涉状态，通过光电探测器件三53可以测量出激光最强干涉状态。
[0065]类似的，当测量反射镜7移动3λ/8时，使激光束一11分成的两路激光光程差值增加3λ/4时，其他激光束的激光光程差也相应增加3λ/4，此时激光束四14发出的激光分成两路的光程差值则变为a4A，其激光分成的两路光路将处于相长干涉状态，通过光电探测器件四54可以测量出激光干涉状态。
[0066]再次，当测量反射镜7移动λ/2时，使激光束一11分成的两路激光光程差值增加λ时，其他激光束的激光光程差也相应增加λ，激光束一11所对干涉光路又将处于最强干涉状态，通过光电探测器件一 11可以测量出激光最强干涉状态。因此，对于四阶梯平面激光反射结构所对应的激光干涉仪所对应的测量精度就为λ/8，即测量反射镜7位移等于或大于λ/8，相应的光电探测器组5即能够观测出激光源I发射的四束激光的光路的干涉状态明显变化。
[0067]因此，增加固定反射镜3的阶梯反射平面数量可以提高测量精度，当采用8阶梯反射平面的激光反射镜结构，所对应的激光干涉仪所对应的测量精度则为λ/16，当采用η阶梯反射平面的固定反射镜3结构时，该激光干涉仪的测量精度就相应变为λ/2η。
[0068]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。
[0069]本实施例中，由于将测量反射镜7设置在精密位移装置6上，而精密位移装置6设置在被测物体12上，当被测物体12发生位移时，被测物体12带动精密位移装置6，进而带动测量反射镜7，如此，当被测物体12发生位移时，在位移过程中，本发明所述激光干涉仪对应的各激光干涉光路的干涉状态也随之变化，开始测量工作前，启动精密位移装置6，使测量反射镜7产生位移，所述测量反射镜7的位移方向与被测物体12的位移方向在同一直线上，当光电探测器组5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6，并将光电探测器组5中所有光电探测器计数清零，然后再开始测量被测物体12的位移，对应的各激光干涉光路的干涉状态变化过程中，光电探测器组5各光电探测器记录最强相长干涉的总次数N，当被测物体12移动结束，处于静止状态时，光电探测器组5停止计数;此时，通过精密位移装置6使测量反射镜7在被测物体12的位移方向上移动，并观测光电探测器组5，当光电探测器组5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6，并读取精密位移装置6为测量反射镜7提供的位移值AL。
[0070 ]若位移AL与被测物体12的位移方向相同，则，被测物体12实际产生的位移值L = NΧλ/(2η) + (λ/(2η)-Λυ，其中Λ?<λ/(2η)，式中λ为激光波长；
[0071]而，若位移AL与被测物体12的位移方向相反，则，被测物体12实际产生的位移值L= ΝΧλ/(2η)+Λ?，其中Λ?<λ/(2η)，式中λ为激光波长。
[0072]如此，通过上述结构，将被测物体12实际位移中超出激光波长λ/(2η)的部分AL也测量出来并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，其精度高于半个激光波长，具体取决于精密位移装置6所能提供的位移精度。
[0073]实施例2，
[0074]如图1、4所示，如实施例1所述的激光干涉仪，所述精密位移装置6包括支撑平台8和设置在所述支撑平台8上的驱动装置9，所述支撑平台8与所述被测物体12相配合，所述驱动装置9为所述测量反射镜7提供在被测物体12位移方向上的位移，所述驱动装置9为压电陶瓷型驱动装置。
[0075]在本实施例中，采用的压电陶瓷型驱动装置9为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、精度尚，进一步提尚了本实施例中精密位移装置6的精度。
[0076]实施例3，
[0077]如图1、4所示，如实施例2所述的激光干涉仪，所述精密位移装置6还包括设置在所述支撑平台8上的第一位移件13和设置在所述第一位移件13上的第二位移件14，所述驱动装置9与所述第一位移件13相配合，为所述第一位移件13提供沿所述支撑平台8的位移，所述第一位移件13具有一相对于其位移方向倾斜的斜面15，所述第二位移件14滑动设置在所述第一位移件13的斜面15上，使所述第二位移件14可沿所述第一位移件13的斜面15滑动，所述第一位移件13与第二位移件14之间贴紧配合，所述测量反射镜7设置在所述第二位移件14上，所述支撑平台8上还设置有约束装置10，所述约束装置10限制所述第二位移件14沿所述第一位移件13位移方向上的运动，使得当第一位移件13被所述驱动装置9带动而产生位移时，所述第二位移件14被所述第一位移件13带动而产生位移，并且，所述第二位移件14的位移方向与所述第一位移件13的位移方向相垂直，所述第一位移件13的斜面15与其位移方向的夹角为A度，优选0〈Α〈45。
[0078]在实施例中，驱动装置9与第一位移件13相配合，为第一位移件13提供沿支撑平台8的位移，第一位移件13具有一相对于其位移方向倾斜的斜面15，第二位移件14滑动设置在第一位移件13的斜面15上，使第二位移件14可沿第一位移件13的斜面15滑动，在精密位移装置6工作时，驱动装置9提供一定的位移量推动第一位移件13，此时，由于约束装置10限制第二位移件14沿第一位移件13位移方向上的运动，使第二位移件14的位移方向与第一位移件13的位移方向相垂直，如此，第二位移件14的位移量与驱动装置9为第一位移件13提供的位移量相关，还与第一位移件13的斜面15与其位移方向的夹角相关。
[0079]S卩，设第一位移件13的斜面15与其位移方向的夹角为A度，当驱动装置9提供的位移量为X时，第二位移件14在垂直于驱动装置9运动方向上产生的位移量即为Y = Xtan(A)。优选地是，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，使得在本实施例中，精密位移装置6通过以行程换精度的方式，直接提高了本实施例精密位移装置6的精度，也就进一步的提高了本实施例激光干涉仪的测量精度。
[0080]实施例4，
[0081]如图4所示，如实施例3所述的激光干涉仪，所述第一位移件13与所述支撑平台8之间还设置有具有磁性的磁性件U，所述第二位移件14具有磁性，所述第二位移件14与所述磁性件11为异性相吸状态，所述第二位移件14与所述测量反射镜7为一体式结构。使得第一位移件13在被推动时，测量反射镜7能够保持与第二位移件14紧密贴合，保证本申请精密位移装置6的精度，进而保证本申请激光干涉仪的测量精度，第二位移件14与测量反射镜7为一体式结构，也就是说，直接在第二位移件14上设置一反射面，使其本身形成测量反射镜7，如此，简化了本实施例激光干涉仪的结构，方便调试和使用。
[0082]实施例5，
[0083]如图1、4所示，一种用于上述波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪的测量方法，其包括有下述步骤:
[0084]步骤一:安装波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪；
[0085]步骤二:将测量反射镜装置4设置在被测物体12上；
[0086]步骤三:调试波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，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；
[0087]步骤四:开始测量工作前，启动精密位移装置6，使测量反射镜7产生位移，所述测量反射镜7的位移方向与被测物体12的位移方向在同一直线上，当光电探测器组5中有任意一个检测到最强相长干涉时，停止精密位移装置6，并将光电探测器组5计数清零；
[0088]步骤五:开始测量工作，被测物体12开始移动，光电探测器组5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N;
[0089]步骤六:被测物体12位移结束，处于静止状态，再次启动精密位移装置6，使测量反射镜7产生位移，所述测量反射镜7的位移方向与被测物体12的位移方向在同一直线上，当光电探测器组5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6，使测量反射镜7停止；
[0090]步骤七:读取精密位移装置6为所述测量反射镜7提供的位移值AL;
[0091]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N和测量反射镜位移值AL。
[0092]步骤九:再次启动精密位移装置6，移动测量反射镜7，使光电探测器组5记录最强相长干涉的总次数M(M为正整数)，并读取M次最强相长干涉对应的测量反射镜7位移值Z。根据Ζ=ΜΧλ’/(2η)，得出当前测量环境下，激光的等效波长λ’=2ηΖ/Μ。
[0093]步骤十:计算被测物体12的位移值。
[0094]若位移AL与被测物体12的位移方向相同，则，被测物体12实际产生的位移值L= NΧλ7(2η) + (λ’/(2η)-Λυ，其中 Λ?<λ’/(2η)，式中 λ’为激光等效波长；
[0095 ]若位移AL与被测物体12的位移方向相反，则，被测物体12实际产生的位移值L = NXA’/(2n)+AL，其中Λ?<λ’/(2η)，式中λ’为激光等效波长。
[0096]本申请的测量方法，由于将测量反射镜7位移值AL补充入被测物体12的位移值中，直接提高了被测物体12位移的测量精度。同时，通过检测测量环境中的等效波长λ’，gp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的测量精度。
[0097]实施例6，
[0098]如图1、4所示，如实施例5所述的测量方法，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5是记录各激光干涉光路最弱相消干涉的次数，如此依然可以得到一个精度较高的被测物体12的位移值L0
[0099]以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述【具体实施方式】，因此任何对本发明进行修改或等同替换;而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，包括激光源(I)、分光镜(2)、固定反射镜(3)、测量反射镜装置(4)、光电探测器组(5)，其特征在于，所述测量反射镜装置(4)包括测量反射镜(7)与精密位移装置(6)，所述测量反射镜(7)设置在所述精密位移装置(6)上，所述精密位移装置(6)设置在被测物体上，所述精密位移装置(6)为所述测量反射镜(7)提供与被测物体位移同向或反向的位移，所述激光源(I)包括η个平行激光束，其中η多2，所述光电探测器组(5)包括η个光电探测器件，所述固定反射镜(3)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A/2n+U/2，其中k为自然数、λ为激光源(I)发出的激光波长;每个所述激光源(I)发出的激光经过所述分光镜(2)反射后，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束反射到对应的所述光电探测器组(5)的各个光电探测器件;所述激光源(I)发出的每束激光经过所述分光镜(2)透射后，分别垂直入射到所述测量反射镜(4)后反射到对应的光电探测器组(5)的各个光电探测器件。2.根据权利要求1所述的一种波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，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反射镜提供在被测物体位移方向上的位移。3.根据权利要求2所述的一种波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述驱动装置为压电陶瓷型驱动装置。4.根据权利要求2或3所述的一种波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，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〈Α〈45。5.如权利要求4所述的波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，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。6.如权利要求4所述的波长修正式多光束阶梯平面反射镜激光干涉仪，其特征在于，所述第二位移件与所述测量反射镜为一体式结构。
【文档编号】G01B9/02GK205619875SQ201520966075
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年11月27日
【发明人】许诚昕, 刘俊, 邓娜, 彭烨, 张白
【申请人】成都信息工程大学