[发明专利]基于直角棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于激光应用技术领域，主要涉及一种基于直角棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法与装置。

背景技术

激光外差干涉测量因其具有抗干扰能力强、测量范围大、信噪比高和易于实现高精度等特点而被广泛应用于超精密加工、光刻机以及三坐标测量机等领域。随着超精密工程的不断发展，对加工精度提出越来越高的要求；同时也对外差干涉测量的测量精度和分辨率都提出了新的挑战。

在激光外差干涉测量中，非线性误差严重限制了测量精度和分辨率的进一步提高，国内外学者对激光外差干涉非线性误差进行了大量的研究。非线性误差源于干涉光路中的光学混叠，传统的干涉测量系统无法避免干涉测量中的光学混叠，限制了其测量精度和分辨率的提高。

T.L.Schmitz和J.F.Beckwith提出了一种干涉仪改造的方法(Ascousto-optic displacement-measureing interferometer：a new heterodyne interferometer with Anstromlevel periodic error.Journal of Modern Optics49，pages2105-2114)。相较于传统的测量方法，该方法将声光移频器作为分光镜，将测量光束和参考光束进行分离。该方法可以减小参考光和测量光的频率混叠，有利于减小测量的非线性误差，从而提高测量精度和分辨率。但是，该装置结构复杂且特殊，无法广泛应用于超精密加工与测量中。

Ki-Nam Joo等研制了一种新型激光干涉测量结构(Simple heterodyne laser interferometer with subnanometer periodic errors.Optics Letters/Vol.34，No.3/Fe bruary1，2009)。该结构是参考光束与测量光束在空间上分离，消除了干涉测量中的频率混叠，完全消除非线性误差，从而提高测量精度以及测量分辨率。此外，该装置结构简单，成本低，相较于前一种测量方法，更有利于在超精密测量领域的应用。但是该方法光学结构不对称，易受环境温度的影响。

综上所述，现有激光外差干涉测量方法均无法满足超精密加工测量对干涉仪的高精度和分辨率的要求，严重限制了超精密加工测量领域的发展。

发明内容

本发明的目的就是针对上述的不足，提出了一种基于直角棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法与装置，达到提高激光外差干涉的测量精度和测量分辨率的目的。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

基于直角棱镜的对角入射光激光外差干涉测量方法，该方法是：

(1)频率分别为f₁、f₂且空间分离的两束平行光束入射到非偏振分光棱镜；

(2)所述两束平行光入射到非偏振分光棱镜上的入射点位于入射面的对角位置；

(3)频率为f₁的光束被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分，同时频率为f₂的光束也被非偏振分光棱镜分为参考光束和测量光束两部分；

(4)频率分别为f₁、f₂的两束参考光束入射到参考直角棱镜，并被反射回非偏振分光棱镜；同时频率分别为f₁、f₂的两束测量光束入射到目标端直角棱镜，并被反射回非偏振分光棱镜；

(5)调节参考直角棱镜和目标端直角棱镜，使频率为f₁的参考光束与频率为f₂的测量光束重合并产生干涉信号I_m1；使频率为f₂的参考光束与频率为f₁的测量光束重合并产生干涉信号I_m2；根据两干涉信号I_m1、I_m2计算出目标端直角棱镜的位移量。

基于直角棱镜的对角入射光激光外差干涉测量装置，包括非偏振分光棱镜、参考直角棱镜、光电探测器A、光电探测器B，所述参考直角棱镜位于非偏振分光棱镜反射光输出端；所述非偏振分光棱镜输出两路干涉测量光束，在其中一路干涉测量光束光路上配置光电探测器A，在另一路干涉测量光束光路上配置光电探测器B；该装置还包括目标端直角棱镜，所述目标端直角棱镜位于非偏振分光棱镜的透射光输出端。

本发明具有以下特点及有益效果：