[发明专利]激光外差干涉仪空程误差自动补偿装置

说明书

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，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。

背景技术

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、抗干扰能力强、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，在许多精密测量中已经得到广泛的应用。

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来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大差异，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)：13-15)，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：

Actual displacement＝[(Accumulated Counts+Deadpath Counts)×(λ_V/2R)×WCN1]-Deadpath distan ce

根据其相关说明，可整理为补偿公式