基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法

摘要

本发明公开了一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法，该测量方法采用双频激光器输出含有正交线偏振光的激光束经普通分光镜分光，消偏振分光棱镜分光，渥拉斯顿棱镜分束，直角棱镜反射，渥拉斯顿棱镜透射，偏振分光棱镜分光，检偏器拍频，最终得到能体现光程变化的一路参考信号和两路测量信号。该测量方法利用了光学器件的分光特性和偏振特性，组成了基于外差干涉原理的双光路测量结构，通过测量双光路的光程差实现了直线度及其位置的同时测量，具有纳米级的直线度及其位置的测量精度。本发明主要适用于超精密加工技术、微光机电系统、集成电路芯片制造技术等领域所涉及的精密工作台的运动位移测量、精密导轨的直线度检测等。

主权项

1.一种基于双频干涉原理的直线度及其位置的测量方法，其特征在于：(1)选择能够输出正交线偏振光的双频激光器，其频率分别为f₁和f₂；(2)激光器输出的正交线偏振光经普通分光镜分成两束光，其中，反射光束经第一检偏器，由于检偏器的透振方向与两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，进行拍频，被第一光电探测器接收形成参考信号，其频率为f₁-f₂，透射光束经消偏振分光棱镜再次分成第二反射光束和第二透射光束；(3)第二反射光束射向偏振分光棱镜，第二透射光束通过渥拉斯顿棱镜后，被分解成f₁和f₂的两束光分别射向由直角棱镜组成的测量反射镜，测量反射镜放置于被测对象上，经测量反射镜反射的f₁±Δf₁和f₂±Δf₂两光束至渥拉斯顿棱镜上又合成一束光，透过渥拉斯顿棱镜后射向偏振分光棱镜，其中，(a)经偏振分光棱镜透射的光f₁±Δf₁与第二反射光束经偏振分光棱镜反射的光f₂合成一束光射向第二检偏器，检偏器的透振方向与第一路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，进行拍频被第二光电探测器接收，形成第一路测量信号，其频率为f₁-f₂±Δf₁；(b)经偏振分光棱镜反射的光f₂±Δf₂与第二反射光束经偏振分光棱镜透射的光f₁合成一束光射向第三检偏器，检偏器的透振方向与第二路测量光束的两正交线偏振光成45°角，将两正交的线偏振光分解到同一透振方向上，进行拍频被第三光电探测器接收，形成第二路测量信号，其频率为f₁-f₂Δf₂；其中：Δf₁和Δf₂分别为多普勒效应引起的测量光束f₁和f₂的频率变化；(4)对参考信号和第一路测量信号进行差分处理求得Δf₁，按公式计算可得第一路测量的位移值；对参考信号和第二路测量信号进行差分处理求得Δf₂，按公式计算可得第二路测量的位移值；其中：t为测量反射镜移动距离为S时的时间；(5)根据光路结构的几何关系，得到被测对象的直线度及其位置分别是：直线度：$\mathrm{\Delta h}=\frac{L_2-L_1}{2\sin \frac{\theta }{2}}$直线度的位置：$S=\frac{L_1+L_2}{2\cos \frac{\theta }{2}}$公式中λ₁、λ₂分别为两个频率的激光波长，θ为渥拉斯顿棱镜的分束角度，L₁、L₂为两测量光路对应的光程；计算出Δh和S，即完成对直线度和直线度的位置的测量。