一種使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統的製作方法
2024-02-24 19:09:15 1
專利名稱：一種使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種距離測量系統，特別涉及一種雙頻幹涉測量系統。
背景技術：
雙頻雷射幹涉測量系統才艮據光學幹涉原理，通過光學和電子細分技術，可 以進行高速高精密的位移測量，如果與不同的附件組合，還可以進行長度、速 度、角度、平面度、直線度等測量，具有測量範圍大、解析度高、精度高等優 勢。作為一種超精密的非接觸式測量設備，雷射幹涉測量系統在半導體製造、 精密工具機加工、軍事航天、汽車製造、坐標測量等領域都具有非常廣泛的用途。
儘管雙頻雷射幹涉儀可以達到納米甚至亞納米的解析度，但它的測量精度 卻受很多因素的影響，如環境誤差、餘弦誤差、阿貝誤差等，導致實際測量時 達到的精度常常是微米量級，甚至更差。這其中，環境誤差又是影響測量精度 的最主要因素。
環境誤差產生的原因在於測量光路上空氣折射率在不斷波動。由於雙頻幹 涉測量給出的是幹涉儀參考臂與移動臂之間的光程差，因此其物理路徑長度是 光程除以光束通過路徑上空氣的平均折射率。在實際應用中，沿測量路徑的空 氣折射率經常會因溫度、壓力以及氣流的波動(尤其在運動臺進行往復運動時) 而變化，導致測量結果出現誤差。必須對此加以實時補償修正，以滿足超精密 測量應用的需求。
目前， 一種補償方法是利用專門研製的環境補償儀器，如Agilent公司的差 分折射率計(也稱為wavelength tracker) 10717A,但價格昂貴；另外一種方法 是根據測得的環境溫度、溼度和壓力值，通過埃德勒(Edlen)公式實時計算波 長變化情況，但該公式本身就是一種近似算法，應用時也往往採用它的簡化形 式，以避免複雜的計算，這就不可避免的會引入系統誤差，另外，這種方法的 溫度壓力值的測量更新往往是以秒為單位進行的，屬"半實時"校正方法，且對測量光路中的空氣擾動無能為力；還有一種方法是通過同時測量沿測量路徑 行進方向的聲速來確定環境的影響，如文獻"改善雷射幹涉儀的測量的方法"(專 利申請號CN99814090.2)，但這種方法無疑增大了設備成本；另外一種與此類似 的方法是通過測量兩個或多個波長的光程長度求出折射率，如專利"補償空氣 擾動的雙波長外差幹涉儀的結構"(申請號CN99118742.3),但是這種方法需要 兩個分開很遠的測量波長(通常是倍數關係)，對雷射器提出了新的要求。
發明內容
本發明的目的在於提供一種使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量 系統，以實現實時完成環境誤差的校正，對雷射器波長不穩定引起的漂移也具 有很好的補償效果進行補償。
為了達到上述目的，本發明提供一種使用實時環境補償方法的超精密雙頻 幹涉測量系統，其包括雷射器、測量幹涉儀、被測物體、第一光電接收元件、 第一計數電路，該雷射器發出的光束進入該測量幹涉儀後照射該被測物體反射 回到該測量幹涉儀，經過該測量幹涉儀的幹涉的光束經該第一光電接收元件轉 換後進入該第一計數電路，該雷射器、測量幹涉儀、第一光電接收元件、第一 計數電路構成測量光^各。
該使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統還包括補償分光鏡、 補償幹涉儀參考鏡、第二光電接收元件、第二計數電路和環境補償電路，該補 償分光鏡將測量光束分出一部分進入該補償幹涉儀後經過該參考鏡的反射回到 該補償幹涉儀，經過該補償幹涉儀的幹涉光束經該第二光電接收元件轉換後進 入該第二計數電路，該第一計數電路和該第二計數電路的輸出信號輸入該環境
補償電路。
該從補償幹涉儀到該參考鏡的傳播介質與該從測量千涉儀到該被測物體的
傳播介質相同。
該從補償幹涉儀到該參考鏡的路徑長度固定。
該補償幹涉儀為單軸幹涉儀。該補償幹涉儀可以是差分幹涉儀，也可以是 平鏡千涉儀，還可以是線性千涉儀。
該測量系統中，還可以加入與該測量光路相同的用於測量的幹涉光路。 可以在該補償分光鏡分出的光路上加入反射鏡調整補償光路的方向。 本發明所提供的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統，只需 要在傳統的雙頻幹涉測量的基礎上增加一個幹涉儀和相關的接收元件即可，無 需其它的額外設備，使用筒單，計算方便，費用低廉，實時性好，且對雷射器 頻差不穩定所引起的穩頻誤差也具有良好的補償效果。
圖1為本發明的^f吏用實時環境補償方法的超^^密雙頻幹涉測量系統原理圖； 圖2為本發明的使用實時環境補償方法的超精密三軸雙頻幹涉測量系統原 理附圖中1、氦氖雷射器；2、補償分光鏡；3、測量幹涉儀；4、被測物體； 5、第一光電接收元件；6、反光鏡；7、補償幹涉儀；8、參考鏡；9、第二光電 接收元件；10、第一計數電路；11、第二計數電路；12、環境補償電路；13、 雙頻氦氖雷射器；14、 50%分光鏡；15、 50%分光鏡；16、反光鏡；17、單軸 幹涉儀；18、單軸幹涉儀；19、 50%分光鏡；20、反光鏡；21、單軸幹涉儀； 22、用於補償測量的單軸幹涉儀；23、兩面鍍膜的運動平臺；24、反光鏡；25、 光電檢測接收器；26、光電檢測接收器；27、光電檢測接收器；28、光電檢測 接收器；29、 VME機箱；30、 PowerPC板卡；31、環境補償卡；32、數據格式 轉換卡；33、兩軸的雷射計數卡；34、兩軸的雷射計數卡；35、運動臺控制器； 36、主控制。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的說明。 圖1示出了本發明的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統原 理圖，該超精密雙頻幹涉測量系統，包括一個頻差穩定的氦氖雷射器1，在雷射 器光束前進方向上依次同軸放置一個補償分光鏡2、 一個測量幹涉儀3和被測物 體4;補償分光鏡2分出的光經反光鏡6後進入補償幹涉儀7和靜止的參考鏡8。 來自測量幹涉儀3的幹涉光，與來自補償幹涉儀7的幹涉光分別經第一光電接 收元件5、第二光電接收元件9轉換後送入第一計數電路10、第二計數電路ll
進行計數，然後送入環境補償電路12。
對於測量幹涉^f義，在初始條件下，測量的物理路徑Lo、初始波長入。、擴展 解析度N與對應的初始空氣中的條紋數XLo的關係為
formula see original document page 7
此時測量幹涉儀所對應的測量光路的測量條糹丈數讀數為0。 而對於補償幹涉儀，在初始條件下，測量的物理路徑C。、初始波長入。、擴 展解析度N和對應的初始空氣中的條紋數XCo的關係為
formula see original document page 7
此時補償幹涉儀所對應的補償光路的測量條糹丈數讀數也為0。 記某時刻波長的實際值為A。對於補償幹涉儀所對應的補償光路，記測量 條紋數的當前值為XC，由於參考鏡始終靜止，物理路徑沒有變化，則有 formula see original document page 7
於是
formula see original document page 7
對於測量幹涉儀所對應的測量光路，記測量條紋數的當前值為XL,則淨皮測 物體移動的物理路徑長度應該為
formula see original document page 7
代入式一，則有
formula see original document page 7
顯然，只要補償幹涉儀的測量光路與測量幹涉儀的測量光路具有相同的環 境條件，就可以精確得到被測物體實際位移的物理路徑長度。且計算簡單，能 夠充分保證實時性要求。
圖2示出了本發明的使用實時環境補償方法的超精密三軸雙頻幹涉測量系 統原理圖，包括一個雙頻氦氖雷射器13，三個50%分光鏡14、 15、 19,兩個反 光鏡16、 20， 3個用於測量的單軸幹涉儀17、 18、 21， 一個用於補償測量的單 軸幹涉儀22, —個兩面鍍膜的運動平臺23， 一個靜止的反光鏡24，四個光電檢 測接收器25、 26、 27、 28， 一個VME機箱29,內置了 一個PowerPC板卡30， 兩個兩軸的雷射計數卡33、 34， 一塊環境補償卡31, —塊數據格式轉換卡32,
一個運動臺控制器35， 一個主控制36。
為了獲取更好的測量精度，補償幹涉儀選用了差分幹涉儀，測量幹涉儀選 用了平鏡幹涉儀。此外，補償幹涉儀22和靜止鏡24固定在同一塊殷鋼板上， 以儘量降低環境變化對二者距離的影響。工作時，環境補償卡以固定採樣間隔T 從兩塊雷射計數卡33、 34中讀取計數值XI (對應於測量幹涉儀17)、 X2 (對 應於測量幹涉儀18 )、 Y (對應於測量幹涉儀21 )和C (對應於補償幹涉儀22 )。 記初始化時，XI、 X2、 Y對應的死程長度分別為DX1、 DX2、 DY，補償幹涉 儀的差分測量距離為DC,測量幹涉儀17和18之間的光束間距為M，初始波長 為入o,擴展解析度為N,則經過環境校正後，運動平臺的位移情況x、 y和Rz 分別為
formula see original document page 8
該計算過程在環境補償板中完成。計算給出的位移結果，經過數據格式轉 換板(不是必須，視控制器接口情況而定)後送入控制器，即可完成超精密運
動控制任務。實測表明，該環境補償方法的精度優於0.15ppm，完全滿足超精密
測控的需要。從本發明的技術方案還可以看出，本發明不僅能夠實時完成對環 境擾動的誤差校正，而且對雷射器頻差不穩定所引起的誤差也具有良好的補償 效果。
權利要求
1、一種使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統，包括雷射器；測量幹涉儀；被測物體；第一光電接收元件；第一計數電路；所述雷射器發出的光束進入所述測量幹涉儀後照射所述被測物體反射回到所述測量幹涉儀，經過所述測量幹涉儀的幹涉的光束經所述第一光電接收元件轉換後進入所述第一計數電路，所述雷射器、測量幹涉儀、第一光電接收元件、第一計數電路構成測量光路；其特徵在於，還包括補償分光鏡；測量補償幹涉儀；參考鏡；第二光電接收元件；第二計數電路；和環境補償電路；所述補償分光鏡將測量光束分出一部分進入所述補償幹涉儀後經過所述參考鏡的反射回到所述補償幹涉儀，經過所述補償幹涉儀的幹涉光束經所述第二光電接收元件轉換後進入所述第二計數電路，所述第一計數電路和所述第二計數電路的輸出信號輸入所述環境補償電路。
2、 根據權利要求1所述的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系 統，其特徵在於所述從補償幹涉儀到所述參考鏡的傳播介質與所述從測量幹 涉儀到所述被測物體的傳播介質相同。
3、 根據權利要求1所述的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系 統，其特徵在於所述從補償幹涉儀到所述參考鏡的路徑長度固定。
4、 根據權利要求1所述的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統，其特徵在於所述補償幹涉儀為單軸幹涉儀。
5、 根據權利要求4所述的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系 統，其特徵在於所述補償幹涉儀可以是差分幹涉儀，也可以是平鏡幹涉儀， 還可以是線性幹涉儀。
6、 根據權利要求1所述的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系 統，其特徵在於所述測量系統中，還可以加入與所述測量光路相同的用於測 量的幹涉光路。
7、 根據權利要求1所述的使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系 統，其特徵在於可以在所述補償分光鏡分出的光路上加入反射鏡調整補償光 路的方向。
全文摘要
本發明提供了一種使用實時環境補償方法的超精密雙頻幹涉測量系統能夠用於超精密雙頻幹涉測量的實時環境補償方法，只需要在傳統的雙頻幹涉測量的基礎上增加一個幹涉儀和相關的接收元件即可，無需其它的額外設備，使用簡單，計算方便，費用低廉，實時性好，且對雷射器頻差不穩定所引起的穩頻誤差也具有良好的補償效果。
文檔編號G01B9/02GK101206108SQ200710172428
公開日2008年6月25日 申請日期2007年12月17日 優先權日2007年12月17日
發明者張曉文, 峰 池, 陳勇輝, 陳飛彪 申請人:上海微電子裝備有限公司;上海微高精密機械工程有限公司