減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的方法與裝置制造方法及圖紙

減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的方法與裝置，現有該類系統和方法都很復雜。本發明專利技術包括：由雙頻激光器發出含有兩種頻率、兩種偏振方向的光束；該光束經分光鏡后分成兩束光，其中反射光經檢偏器由光電探測器接收形成參考信號；透射光進入偏振分光鏡被分成兩束光，包括偏振方向垂直紙面的反射光和平行紙面的透射光，反射光經參考角錐棱鏡反射回偏振分光鏡，透射光經安裝在旋轉臺上的測量角錐棱鏡也反射回偏振分光鏡；以上兩束光在偏振分光鏡處匯合，被反射鏡反射后經檢偏器由光電探測器接收形成測量信號；旋轉臺沿測量角錐棱鏡運動方向軸向旋轉測量角錐棱鏡，旋轉臺逆時針或順時針軸向旋轉９７度。本發明專利技術用于提高外差干涉測量精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于精密測量
，特別是一種減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的方法與裝置。
技術介紹
激光外差干涉儀由于具有測量速度快、測量精度高、抗干擾能力強、重復性好、溯源性強等優點，廣泛應用于超精密檢測和納米測量。隨著微電子、微機械及超精密加工的發展，對位移測量精度的要求達到了納米量級，然而由于激光外差干涉儀非線性誤差的存在，嚴重制約了其測量精度的進一步提高，現有的減小和補償外差干涉非線性誤差的方法要求電子系統或光路系統都很復雜，研究一種簡單、有效的減小激光外差干涉非線性誤差的方法至關重要。附圖1所示為外差干涉儀位移測量的光路系統(10)的示意圖，光路系統(10)包括偏振分光鏡(11)、固定的參考角錐棱鏡(12)和移動的測量角錐棱鏡(13)。光束(14)為由雙頻激光器出射的包含兩束振動方向相互垂直、頻率分別為f1和f2的線偏振光。光束(14)進入偏振分光鏡(11)，其中垂直振動的頻率為f1的線偏振光在理想情況下全部反射到固定的參考角錐棱鏡(12)，而平行振動的頻率為f2的線偏振光全部透射進入測量角錐棱鏡(13)，頻率為f1和f2的光束分別經參考角錐棱鏡(12)和測量角錐棱鏡(13)反射回偏振分光鏡(11)匯合形成光束(16)，然而由于存在安裝誤差、光學元件的非理想等原因，光束(14)包含的兩束頻率不同的光不能夠完全分離，存在泄漏光束(15)，當測量角錐棱鏡(13)沿AB方向移動時，由于多普勒效應，偏振分光鏡(11)的返回光束(16)的頻率變為f2+f1±Δfd，頻率為f1的光束產生的多普勒頻移對應的相位，即為激光外差干涉儀的非線性誤差。外差干涉儀存在非線性誤差首先由美國惠普公司的Quenelle提出，并發現干涉條紋每變化一個周期，非線性誤差程周期變化，即存在一次諧波非線性誤差；同時發現干涉條紋每變化兩個周期存在更小的非線性誤差，即二次諧波非線性誤差。外差干涉儀存在非線性誤差由Sutton進行了實驗驗證。由于光學系統不可避免的缺陷，導致激光外差干涉在測量過程中存在非線性誤差，在優質的激光干涉儀中非線性誤差為幾個納米，在一般激光干涉儀中，非線性誤差達到十幾個納米是常見的。目前，測量并補償外差干涉儀的非線性誤差有很多方法，例如Hou和Wilkening提出的一種雙相位檢測方法，可消除一次諧波非線性誤差；Badami和Patterson利用包含速率計和頻譜儀的移動系統直接測量一次諧波和二次諧波非線性誤差的大小并進行補償；TaeBong Eom和TaeYoungChoi等用鎖相放大器對參考信號和測量信號的相位信號進行積分并進行橢圓擬和的方法補償非線性誤差，上面的方法都能夠在沒有外部參考干涉儀的情況下補償非線性誤差，但是要求電子系統或光路系統都很復雜。
技術實現思路
為了克服上述已有技術的不足之處，以滿足激光外差干涉在納米測量中的需求，本專利技術提出通過鍍膜實體測量角錐棱鏡安裝在旋轉臺上，使旋轉臺以測量角錐棱鏡運動方向為軸線軸向旋轉測量角錐棱鏡的方法，達到減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的目的。本專利技術還提供了一種基于上述方法的減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的裝置。上述的目的通過以下的技術方案實現減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的方法，該方法包含以下步驟(1)由雙頻激光器發出含有兩種頻率、兩種偏振方向的光束；(2)該光束經分光鏡后分成兩束光，其中反射的光束經檢偏器由光電探測器接收，形成參考信號；(3)透射的光束進入偏振分光鏡，這束包含兩種頻率、兩種偏振方向的光被偏振分光鏡分成兩束光，其中偏振方向垂直于紙面的光束被反射稱為反射光束，偏振方向平行于紙面的光束被稱透射稱為透射光束，所述的反射光束經固定的參考角錐棱鏡反射回偏振分光鏡，所述的透射光束經安裝在旋轉臺上的測量角錐棱鏡也反射回偏振分光鏡；以上兩束經參考角錐棱鏡和測量角錐棱鏡反射的光束在偏振分光鏡處匯合，經反射鏡反射后，經檢偏器由光電探測器接收，形成測量信號；所述的旋轉臺沿測量角錐棱鏡運動方向軸向旋轉測量角錐棱鏡，所述的旋轉臺逆時針或順時針軸向旋轉97度。所述減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的裝置，包括雙頻激光器、分光鏡、偏振分光鏡、固定的參考角錐棱鏡、反射鏡、檢偏器、光電探測器，該裝置還包括旋轉臺，以及安裝在旋轉臺上的測量角錐棱鏡。這個技術方案有以下有益效果1.本專利技術中參考角錐棱鏡和測量角錐棱鏡均使用鍍膜實體角錐棱鏡，并將測量角錐棱鏡安裝在旋轉臺上，只需通過旋轉臺調整測量角錐棱鏡沿其運動方向的軸向旋轉角度，無需復雜的電路系統和光路系統，即可實現減小激光外差干涉非線性誤差一次諧波分量，不會引入外部電子測量非線性和光學非線性誤差，這是區別現有技術的創新點之一；2.只需通過旋轉臺調整測量角錐棱鏡沿其運動方向的軸向旋轉角度為97度，則無論引起非線性誤差一次諧波的誤差源大小如何，在激光外差干涉測量過程中非線性誤差一次諧波都將減小到最小，不存在非線性誤差補償延時，這是區別現有技術的創新點之二； 3.與已有技術相比，本專利技術的方法非常簡單，結構也非常簡單，購置和維修、測量成本都可以大幅度降低，而通過本專利技術得到的測量信號中激光外差干涉非線性誤差一次諧波分量減小到最小，約為原有一次諧波分量的0.049倍，有效的減少了測量非線性誤差。4.采用上述技術后，測量裝置具有如下顯著特點1)使用本專利技術的減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量方法的裝置，避免了現有的非線性誤差補償方法光路系統和電路系統復雜的缺點，系統實現簡單，以極低的成本實現系統精度的大幅度提升；2)在進行測量之前即將測量角錐棱鏡沿其運動方向的軸向旋轉角度調整好，在測量過程中不存在測量非線性誤差補償延時。5.為了說明本專利技術科學上的依據，為了使本專利技術的結構特征與其專利技術帶來的技術進步效果更為對應，本專利技術的這部分原理、效果和優點記載在實施例的相應內容中，在此不再重復。附圖說明圖1為外差干涉儀位移測量的光路系統的示意圖(圖中10.外差干涉儀光路系統11.偏振分光鏡12.固定的參考角錐棱鏡13.移動的測量角錐棱鏡14.激光器出射光束15.泄漏光束16.返回光束)。圖2為測量角錐棱鏡的前視圖。圖3為本專利技術裝置的結構示意圖(圖中20.本專利技術裝置系統結構 21.雙頻激光器 22.分光鏡 23.偏振分光鏡 24.參考角錐棱鏡 25.測量角錐棱鏡 26.旋轉臺 27.反光鏡 28.檢偏器 29.光電探測器 30.檢偏器 31.光電探測器)。圖4為測量角錐棱鏡沿運動方向軸向旋轉對非線性誤差一次諧波影響的仿真曲線。圖5為本專利技術裝置的光路示意圖。本專利技術的具體實施例方式實施例1下面結合附圖對本專利技術提出的減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的方法進行具體闡述。附圖2所示為角錐棱鏡的前視圖，以角錐棱鏡的角點O點為原點，以角錐棱鏡的三條直角棱邊OA、OB、OC為坐標軸建立坐標系xyz。實體(玻璃)角錐棱鏡表面鍍金屬膜，設玻璃折射率為n1，金屬的復折射率為n~2=N-iK,]]>令n=n~2/n1,]]>則入射到角錐棱鏡內部的光束在玻璃-金屬表面的反射率rs和rp分別為 rs=cosθ-(n2-sin2θ)1/2cosθ+(n2-sin2θ)1/2---(本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種減小外差干涉非線性誤差一次諧波分量的方法，該方法包含以下步驟：（１）由雙頻激光器發出含有兩種頻率、兩種偏振方向的光束；（２）該光束經分光鏡后分成兩束光，其中反射的光束經檢偏器由光電探測器接收，形成參考信號；（３）透射的光束進入偏 振分光鏡，這束包含兩種頻率、兩種偏振方向的光被偏振分光鏡分成兩束光，其中偏振方向垂直于紙面的光束被反射稱為反射光束，偏振方向平行于紙面的光束被透射稱為透射光束，其特征是：所述的反射光束經固定的參考角錐棱鏡反射回偏振分光鏡，所述的透射 光束經安裝在旋轉臺上的測量角錐棱鏡也反射回偏振分光鏡；以上兩束經參考角錐棱鏡和測量角錐棱鏡反射的光束在偏振分光鏡處匯合，經反射鏡反射后，經檢偏器由光電探測器接收，形成測量信號；所述的旋轉臺沿測量角錐棱鏡運動方向軸向旋轉測量角錐棱鏡，所述的旋轉臺逆時針或順時針軸向旋轉９７度。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：譚久彬，陳洪芳，鐘志，謝站磊，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]