角位移单频激光干涉仪非线性误差修正方法及装置制造方法及图纸

角位移单频激光干涉仪非线性误差修正方法及装置属于激光测量技术领域，本发明专利技术利用光开关实现对两路测量光束强度的分离测量，进而提取出相关光信号中的非线性误差参数，最终对正交信号中的直流偏置误差和幅值不等误差进行矫正；本发明专利技术实现了对角位移单频激光干涉仪信号中非线性误差参数的开机即提取、对角位移单频激光干涉仪中的非线性误差做出快速实时修正的技术效果。

【技术实现步骤摘要】
角位移单频激光干涉仪非线性误差修正方法及装置
本专利技术属于激光测量
，主要涉及一种角位移单频激光干涉仪非线性误差修正方法与装置。
技术介绍
随着超精密测量技术的发展，快速超精密测量得到了广泛的关注与研究，在精密和超精密机械加工、微电子装备、纳米技术工业装备和国防装备等领域，微位移部件、移动平台和光刻机角度变化量的监测变得越来越重要。角位移激光干涉仪因为较高的测量精度，并且可以动态测量运动中的相对摆角，已经成为现代角位移精密测量的常用手段。角位移激光干涉仪实际上是将单光路的线位移激光干涉仪改进成多光路的线位移激光干涉仪，通过测量得到的两条光路相对光程变化进而获得目标旋转角度的变化量。因此，角位移激光干涉仪是线位移激光干涉仪测量的衍生方案，其测量精度取决于线位移激光干涉仪的测量精度。线位移单频激光干涉仪相比于双频线位移激光干涉仪具有结构简单、电路处理容易、对环境的要求较低等多种优点，其测量速度在原理上不受限制，因而是高速长度测量领域的主要手段。然而，非线性误差一直是限制线位移单频激光干涉仪精度的关键问题。1981年，Heydemann提出利用最小二乘法的椭圆拟合方法获取干涉信号中的非线性误差参数进而对非线性误差进行修正(P.L.M.Heydemann，Determinationandcorrectionofquadraturefringemeasurementerrorsininterferometers.Appl.Opt.1981，20：3382-3384)；德国联邦物理技术研究院的Dai提出利用ADC探测四通道线位移单频激光干涉仪各通道信号的峰谷值实时提取非线性误差参数并对其做出修正(Dai，G.-L.；Pohlenz，F.；Danzebrink，H.-U.；Hasche，K.；Wilkening，G.Improvingtheperformanceofinterferometersinmetrologicalscanningprobemicroscopes.Meas.Sci.Technol.2004，15：444-450)，称其为实时Heydemann修正方法。然而上述这些方法一般都需要目标镜位移达到λ/2才可对信号非线性误差参数做出较准确的识别，当目标镜位移小于λ/2时，测得的数据离散性较高，无法对非线性误差参数做出准确识别，因而修正的效果不好。2012年，Rerucha提出通过调制激光光源频率的方法，实现单频激光干涉仪在准静态下非线性误差参数的识别(ReruchaS，BuchtaZ，SarbortM，etal.Detectionofinterferencephasebydigitalcomputationofquadraturesignalsinhomodynelaserinterferometry.Sensors，2012，12(10)：14095-14112)，然而这种方法需要附加可调制激光光源，而且识别需要一定的时间。
技术实现思路
针对上述Heydemann修正方法在两目标镜线位移差小于λ/2时无法准确识别出非线性误差参数并修正，以及光源调制法识别非线性误差需要可调制激光光源的问题，本专利技术提出和研发了一种基于光开关的角位移单频激光干涉仪非线性误差修正方法及装置，达到可以实现角位移单频激光干涉仪开机即获得非线性误差参数、并在角位移测量时做出修正的目的。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种角位移单频激光干涉仪非线性误差矫正方法，该方法步骤如下：(1)打开角位移激光干涉仪，位于两路测量光束上的光开关Sm1、Sm2同时切换至打开状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离，反射光束经过直角反射镜反射后与透射光束相互平行，两路光束都先后通过1/4波片、光开关，再经反射镜反射后返回，再次通过1/4波片后，偏振态被旋转90°后，入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的正交的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依次相差π/2的相干光；(2)使Sm1切换至打开状态，同时Sm2切换至关闭状态；此时光开关Sm2所对应的测量光束被阻断，光开关Sm1所对应的测量光束正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Im11、Im12、Im13、Im14；(3)使Sm2切换至打开状态，同时Sm1切换至关闭状态；此时光开关Sm1所对应的测量光束被阻断，光开关Sm2所对应的测量光束正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Im21、Im22、Im23、Im24；(4)使两个光开关Sm1、Sm2再次同时切换至打开状态，此时两路测量光束皆可正常通过光开关Sm1、Sm2，角位移单频激光干涉仪正常工作，完成对目标角位移的测量；此时四路探测器上的信号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号I1、I2、I3、I4；(5)对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算去除四通道角位移单频激光干涉仪中各通道的直流分量，矫正幅值比，获得无直流偏置误差的等幅值正交信号；激光器输出激光波长用λ表示，两路测量光束在目标上的间距为Ld，进而可求得被测目标的角位移值为：一种角位移单频激光干涉仪非线性误差修正装置，在稳频激光器(1)的出射光路上依次配置偏振分光棱镜A、1/4波片B和测量反射镜A，所述1/4波片B位于x、y平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/4波片B快轴方向与y轴逆时针成45°，所述测量反射镜A与1/4波片B平行；在所述偏振分光棱镜A的反射光路上依次配置1/4波片A和直角反射镜，所述1/4波片A位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/4波片A快轴方向与y轴顺时针成45°；在所述直角反射镜的反射光路上配置测量反射镜B，所述测量反射镜B和测量反射镜A平行地被配置于被测目标上；在所述偏振分光棱镜A的位于直角反射镜的相对侧部处依次配置1/2波片、消偏振分光棱镜和偏振分光棱镜B，所述1/2波片位于y、z平面内，且与偏振分光棱镜A同轴，1/2波片快轴方向与y轴顺时针成22.5°；所述偏振分光棱镜B与消偏振分光棱镜相互平行且同轴，在所述偏振分光棱镜B的透射光路和反射光路上分别配置光电探测器A和光电探测器器B；在所述消偏振分光棱镜的反射光路上一次配置1/4波片C和偏振分光棱镜C，所述1/4波片C位于x、y平面内，且与消偏振分光棱镜同轴，1/4波片C快轴方向与y轴逆时针成45°；光电探测器C和光电探测器D分别配置在偏振分光棱镜C透射光路和反射光路上；所述偏振分光棱镜A、B、C、消偏振分光棱镜与直角反射镜的底面均位于x、z平面内，且共面；光开关A与测量反射镜B相互平行且同轴地配置在直角反射镜和测量反射镜B之间；光开关B与测量反射镜A相互平行且同轴地配置在1/4波片B和测量反射镜A之间。本专利技术具有以下特点及良好效果：(1)相比于Heydemann修正方法，由于只需切换光开关状态即可获取非线性误差参数，因而开机即可提取角位移单频激光干涉仪测量中的非线性误差参数进而对非线性误差进行修正。(2)相比于调制光源提取非线性误差参数的误差修正方法，无需对激光光源进行调制，降低了角位移单频激光干涉仪对光源的要求。(3)由于可以预先提取非线性误差的参数，进而重建角位移单频激光干涉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种角位移单频激光干涉仪非线性误差修正方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)打开角位移激光干涉仪，位于两路测量光束上的光开关Sm1、Sm2同时切换至打开状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离，反射光束经过直角反射镜反射后与透射光束相互平行，两路光束都先后通过1/4波片、光开关，再经反射镜反射后返回，再次通过1/4波片后，偏振态被旋转90°后，入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的正交的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依次相差π/2的相干光；(2)使Sm1切换至打开状态，同时Sm2切换至关闭状态；此时光开关Sm2所对应的测量光束被阻断，光开关Sm1所对应的测量光束正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Im11、Im12、Im13、Im14；(3)使Sm2切换至打开状态，同时Sm1切换至关闭状态；此时光开关Sm1所对应的测量光束被阻断，光开关Sm2所对应的测量光束正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Im21、Im22、Im23、Im24；(4)使两个光开关Sm1、Sm2再次同时切换至打开状态，此时两路测量光束皆可正常通过光开关Sm1、Sm2，角位移单频激光干涉仪正常工作，完成对目标角位移的测量；此时四路探测器上的信号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号I1、I2、I3、I4；(5)对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算Ix=(I1-Im11-Im21)-(I3-Im13-Im23)2(Im1Im21+Im13Im23)]]>Iy=(I2-Im12-Im22)-(I4-Im1-Im24)2(Im12Im22+Im14Im24)]]>可去除四通道角位移单频激光干涉仪中各通道的直流分量，矫正幅值比，获得无直流偏置误差的等幅值正交信号；激光器输出激光波长用λ表示，空气折射率为n，两路测量光束在目标上的间距为Ld，进而可求得被测目标的角位移值为：Δα=arctan[arctan(Ix/Iy)λ4πnLd].]]>...

【技术特征摘要】
1.一种角位移单频激光干涉仪非线性误差修正方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)打开角位移激光干涉仪，位于两路测量光束上的光开关Sm1、Sm2同时切换至打开状态；稳频激光器发射激光，被偏振分光棱镜分离，反射光束经过直角反射镜反射后与透射光束相互平行，两路光束都先后通过1/4波片、光开关，再经反射镜反射后返回，再次通过1/4波片后，偏振态被旋转90°后，入射偏振分光棱镜；从偏振分光棱镜出射的正交的水平与垂直偏振的偏振光被四通道探测系统分离为相位依次相差π/2的相干光；(2)使Sm1切换至打开状态，同时Sm2切换至关闭状态；此时光开关Sm2所对应的测量光束被阻断，光开关Sm1所对应的测量光束正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Im11、Im12、Im13、Im14；(3)使Sm2切换至打开状态，同时Sm1切换至关闭状态；此时光开关Sm1所对应的测量光束被阻断，光开关Sm2所对应的测量光束正常通过原光路照射四路探测器产生光电流信号，存储四路探测器的强度信号Im21、Im22、Im23、Im24；(4)使两个光开关Sm1、Sm2再次同时切换至打开状态，此时两路测量光束皆可正常通过光开关Sm1、Sm2，角位移单频激光干涉仪正常工作，完成对目标角位移的测量；此时四路探测器上的信号为直流信号和交流信号的叠加，存储探测器输出的相干信号I1、I2、I3、I4；(5)对存储的四路探测器的强度信号和输出的相干信号做如下运算可去除四通道角位移单频激光干涉仪中各通道的直流分量，矫正幅值比，获得无直流偏置误差的等幅值正交信号；激光器输出激光波长用λ表示，空气折射率为n，两路测量光束在目标上的间距为Ld，进而可求得被测目标的角位移值为：2.一种角位移单频激光干涉仪非线性误差修正装置，在稳频激光器(1)的出射光路...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡鹏程，朱静浩，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23