激光外差干涉仪空程误差自动补偿装置制造方法及图纸

激光外差干涉仪空程误差自动补偿装置属于激光测量技术领域；在与参考棱镜相对的偏振分光棱镜的一侧同光轴位置依次放置偏振片和激光长度测量仪，偏振片固定在电动旋转平台上，电动旋转平台、激光长度测量仪、空气折射率测量仪分别通过控制总线与激光外差干涉仪的控制单元相连，空气折射率测量仪探头传感器放置在偏振分光棱镜与测量棱镜之间；本装置可有效降低实时测量中空程误差对测量结果的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光测量
，主要涉及一种激光外差干涉系统中的空程误 差自动补偿装置。
技术介绍
随着半导体技术及微电子技术的迅速发展，对精密加工技术及零件加工精度 的要求也越来越高。传统的非光学测量方法虽然能够实现纳米甚至亚纳米的测量 分辨率，但在溯源到纳米定义时,仍然需要利用激光干涉仪等光学方法进行标定和 校正。双频激光干涉仪具有信号噪声小、抗干扰能力強、信号处理及细分都比较 容易、允许光源多通道复用等诸多优点。由于其卓越的性能，在许多精密测量中 己经得到广泛的应用。在精密和超精密加工中，由于加工过程中的热效应，机械快速运动引起的空 气流动等影响致使工作环境的空气折射率不稳定，若外差干涉仪的测量臂和参考 臂的初始光程不等，空气折射率的变化带來的光程变化在参考臂和测量臂上不 等，造成外差干涉测量计数值变化，影响测量结果，因此引起的误差称为"闲区 误差"或"空程误差"。它与测量长度无关，而与干涉仪的结构参数、布局和环境 空气折射率有关。为解决空程误差对干涉测量结果的影响，天津大学精密测试技术及仪器国家 重点实验室的李东光,张国雄等人提出测量臂与参考臂等死行程的方法(李东光, 张国雄.高精度激光干涉测量中环境误差因素的综合补偿.光电工程,1999, 26(4):28-33),即合理的摆放测量棱镜和参考棱镜，使测量臂和参考臂的初始光程 相等、且所处的环境尽量相同。但此种方法由于参考臂和测量臂状态不可能完全 一致，特别是在现场测量气流扰动较大的情况下，两臂折射率也存在较^:差异， 不能消除空程误差。因此哈尔滨工业大学赵维谦，杨文国等人在等死行程光路布 局法(平衡光路布局法)的基础上，根据空程误差产生的原理，推导数学表达公 式，并对公式中的参数进行测量，得到数值后代入公式，最后对测量数值进行了 修正(杨文国,赵维谦.球体半径超精测量系统研究.航天工艺,2001，(02):10-14)。但 此方法仍然无法避免为保证初始光程的相等，每次计数清零时测量棱镜都要回归3原点的缺点，特别不适宜现场连续测量情况，甚至因空程长度值无法测量而不能 完成补偿过程。为减小空气折射率变化对空程误差的影响，哈尔滨工业大学的陈中，丁振良 等人提出一种真空管屏蔽方法(陈中,丁振良.大型构件尺寸微小变化的高精度激 光干涉测量.激光杂志，2000,21(2):26-27),该方法将一个真空管放置于空程光路位 置,保证二玻璃平板间有高的平行性"真空管在抽真空后，经真空计检测其真空度 满足要求时,将抽气口截断作一次性永久封固"真空管长度等于或近似于空程的 长度。此方法虽在一定程度上消除了两臂上空气折射率的不同而造成的空程误 差，但此方法也固定了空程长度，且在现场测量情况下当测量棱镜无法回到原点 时，补偿效果较差。沈阳仪器仪表工艺研究所陈铁君提出了自动补偿的方法(陈铁君.JG-II型自 动补偿激光干涉仪.仪表技术与传感器,1980，(02):1345)，测量前将空程长度先以 一般量具测出，将数据手工在计算机键盘上置入。然后由计算机在测量起始和终 了时向简易空气折射率传感器采样，根据具体公式进行空程误差补偿。同样 Agilent公司在其激光干涉仪的产品说明手册中，也阐述了类似陈铁军的补偿方 法，所不同的是折射率误差补偿公式式中i ——脉冲细分倍数，不考虑细分时i 二l;W——干涉仪测量计数值；wo——^时刻空气折射率数值(^为测量开始时刻，^为一次测量完成时刻)；Wfl——折射率为"(o时，测量棱镜移过整个空程时的所对应的测量系统脉冲累积计数值；A——激光的真空波长；ZD——空程长度值。上述方法其补偿过程需要每次清零时手动测量参考臂与测量臂的长度差值 即空程长度值"，并输入计算机进行误差补偿，工作繁琐，空程长度测量精度低。甚至因在现场测量场合因无法测量空程长度值而无法进行空程误差补偿。综合上述，空程误差的补偿方法及补偿装置仍未实现对空程误差的实时自动 高精度的补偿。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对上述己有技术存在的问题，研发一种激光外差干涉仪 空程误差自动补偿装置，以提高激光外差干涉仪测量精度。本专利技术的目的是这样实现的激光外差干涉仪空程误差自动补偿装置包括空 气折射率测量仪、激光外差干涉仪的控制单元、偏振分光棱镜、参考棱镜、测量 棱镜，在与参考棱镜相对的偏振分光棱镜的一侧同光轴位置依次放置偏振片和激 光长度测量仪；偏振片固定在电动旋转平台上，电动旋转平台、激光长度测量仪、 空气折射率测量仪分别通过控制总线与激光外差干涉仪的控制单元相连，空气折 射率测量仪的探头传感器放置在偏振分光棱镜与测量棱镜之间。 所述的电动旋转平台的可旋转角度大于90度。 所述的激光长度测量仪测量范围大于激光外差干涉仪测量范围。 本专利技术根据激光干涉测量原理和我国成都工具所薛梅等论证的"终端修正" 原则，可知计数脉冲输出只与测量完成时刻的折射率相关，忽略折射率空间梯度， 设折射率 仅为时间变量的函数 ")。,。为测量开始时刻，r,为一次测量完成时刻。同时，设双频激光器输出C光和W光波长均不变，4(0 = 4。， 4(0 = 4。。 所以测量完成时由于存在空程，所引起的光程变化为/^,所引起的 测量值误差为￡_ W。，丄—〃-，"一 A^,+2丄J"(Q-式中w——脉冲计数输出值AiV——空程引起的计数误差&——水平方向偏振光的真空波长 本专利技术提出了一种基于实时测量空程长度值和折射率值的空程误差自动补5偿装置。该补偿装置以激光长度测量仪为主体，结合电动旋转平台、偏振片以及 激光外差干涉长度测量中的偏振分光棱镜、测量棱镜与参考棱镜对空程长度值进 行测量，利用空气折射率测量仪获得测量过程中的空气折射率数值，并根据成都 工具研究所薛梅等人提出的终端修正原则，由激光外差干涉仪的控制单元经过计 算对干涉测量结果进行修正。本专利技术具有以下特点及良好效果(1) 本装置中利用空气折射率测量仪，实时测量干涉测量完成前后测量臂 的折射率数值，利用激光长度测量仪、电动旋转平台、偏振片测量空程长度值， 并结合激光外差干涉仪测量光光波长，根据终端修正原理对测量值进行补偿，与 利用光路布局来消除空程长度误差的方法相比，本专利技术消除了在实时测量过程中 由于热效应和高速运动引起的参考臂和测量臂折射率不一致所带来的误差，提高 了补偿的精度，这是本专利技术技术创新点之一；(2) 本装置中利用激光长度测量仪非接触测量的特点并结合旋转偏振片， 使测量光线分别通过参考光路与测量光路，测量出参考棱镜和测量棱镜距激光长 度测量仪的距离，与利用偏振旋转器改变光的偏振状态进从而实现使测量光经过 不同光路的方法相比简化了光路，减小了光学器件对激光长度测量仪测量光线位 相的影响，提高了空程长度值测量精度，解决了在现场工作环境下，当计数清零 测量棱镜无法回到原点时无法对空程长度值的变化进行实时测量的问题，这是本 专利技术技术创新点之二；(3) 本激光长度测量仪和空气折射率测量仪的启动，空程长度测量值、折 射率测量值的传输及电动旋转平台上的偏振片的旋转均由激光外差干涉仪的控 制单元进行控制，可在测量系统每次清零时自动依次启动控制信号而获得空程误 差补偿值，并对干涉测量数据进行修正，结束了人工测量空程长度值并输入计算 机进行空程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光外差干涉仪空程误差自动补偿装置，包括：空气折射率测量仪（１）、激光外差干涉仪的控制单元（２）、偏振分光棱镜（６）、参考棱镜（７）、测量棱镜（８），其特征在于：在与参考棱镜相对的偏振分光棱镜（６）的一侧同光轴位置依次放置偏振片（５）和激光长度测量仪（３）；偏振片（５）固定在电动旋转平台（４）上；电动旋转平台（４）、激光长度测量仪（３）、空气折射率测量仪（１）分别通过控制总线与激光外差干涉仪的控制单元（２）相连；空气折射率测量仪（１）探头传感器放置在偏振分光棱镜（６）与测量棱镜（８）之间。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谭久彬，胡鹏程，杨宏兴，刁晓飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]