光学八细分双频激光干涉仪.pdf

一种光学八细分双频激光干涉仪，包括一双频激光器，在该双频激光器的输出光路上设置一偏振分光镜，该偏振分光镜的分光面与双频激光器的输出光路成45°，在该偏振分光镜反射光方向放置一固定的第二角锥棱镜，透射方向是一移动的第一角锥棱镜，在该偏振分光镜的输出光方向、双频激光器的同侧还有一探测器，其特征是在所述的偏振分光镜和探测器之间还设有固定的第三角锥棱镜、第四角锥棱镜和第一反射镜，在双频激光器和偏振分光镜之间的光路上成45°放置一光束转换器和第二反射镜。本发明在相同测试条件下，与现有双频激光干涉仪相比，测试精度提高了八倍。该发明的测试方法具有简便、经济、精度高等优点。

1、  一种光学八细分双频激光干涉仪，包括一双频激光器(4)，在该激光器(4)的输出光路上设置一偏振分光镜(2)，该偏振分光镜(2)的分光面与激光器(4)的输出光路成45°，在该偏振分光镜(2)反射光方向放置一固定的第二角锥棱镜(5)，透射方向是一移动的第一角锥棱镜(1)，在该偏振分光镜(2)的输出光方向、双频激光器(4)的同侧还有一探测器(3)，其特征是在所述的偏振分光镜(2)和探测器(3)之间设有固定的第三角锥棱镜(7)、第四角锥棱镜(8)和第一反射镜(6)，在双频激光器(4)和偏振分光镜(2)之间的光路上成45°放置一光束转换器(9)和第二反射镜(10)。

光学八细分双频激光干涉仪
技术领域
本发明涉及双频激光干涉仪，特别是一种用于提高双频激光干涉仪的分辨率的光学八细分双频激光干涉仪，以达到更高的测量精度。
背景技术
双频激光干涉仪由于具有大测量范围、高分辨率、高精度及高速度等综合优势，并且通过与不同的附件组合，可进行长度、速度、角度、平面度、直线度和垂直度的测量，在精密和超精密制造领域获得到了广泛的应用，例如，精密坐标机床的标定、高精度传感器的标定、光刻机的工件台和掩模台的精密定位等。
一商品化双频激光干涉仪结构如图1所示，该双频激光干涉仪，包括一双频激光器4，在该激光器4的输出光路上设置一偏振分光镜2，该偏振分光镜2的分光面与激光器4的输出光路成45°，在该偏振分光镜2反射光方向放置一固定角锥棱镜5，透射方向是一移动角锥棱镜1，在该偏振分光镜2的输出光方向、双频激光器4的同侧还有一探测器3。
双频激光器4产生二束振动方向相互垂直、频率分别为f₁和f₂、频差为Δf的线偏振光。这二束光进入偏振分光镜2，其中垂直振动的频率为f₁的线偏振光全部反射到固定的角锥棱镜5，而平行振动的频率为f₂的线偏振光全部透过进入移动角锥棱镜1。这二束光分别经角锥棱镜5和1反射后，在偏振分光镜2分光面会合。该干涉仪是基于多普勒频移原理进行测长的，在当角锥棱镜1移动时，由于多普勒效应，f₂变为f₂±Δf₂，利用探测器3得到具有位移量信息的双频激光干涉测试信号。
随着纳米制造技术的发展，对干涉仪的精度提出了更高的要求。要使干涉仪达到高精度，首先要获得高分辨率。
发明内容
本发明的目的是为了提高现有双频激光干涉仪的测量精度，提供一种光学八细分双频激光干涉仪，对现有双频激光干涉仪进行改进。
本发明的技术解决方案如下：
一种光学八细分双频激光干涉仪，包括一双频激光器，在该双频激光器的输出光路上设置一偏振分光镜，该偏振分光镜的分光面与双频激光器的输出光路成45°，在该偏振分光镜反射光方向放置一固定的第二角锥棱镜，透射方向是一移动的第一角锥棱镜，在该偏振分光镜的输出光方向、双频激光器的同侧还有一探测器，其特征是在所述的偏振分光镜和探测器之间还设有固定的第三角锥棱镜、第四角锥棱镜和第一反射镜，在双频激光器和偏振分光镜之间的光路上成45°放置一光束转换器和第二反射镜。
本发明由于在光路中增加了两块角锥棱镜和一块平面反射镜，实现了光学八细分，该仪器的分辨率提高8倍，测试精度提高了8倍。
附图说明：
图1是现有的双频激光干涉仪结构示意图
图2是本发明光学八细分双频激光干涉仪结构示意图
具体实施方式
先请参阅图2，图2是本发明光学八细分双频激光干涉仪结构示意图。由图可见，本发明光学八细分双频激光干涉仪，包括一双频激光器4，在该激光器4的输出光路上设置一偏振分光镜2，该偏振分光镜2的分光面与激光器4的输出光路成45°，在该偏振分光镜2反射光方向放置一固定的第二角锥棱镜5，透射方向是一移动的第一角锥棱镜1，在该偏振分光镜2的输出光方向、双频激光器4的同侧还有一探测器3，其特征是在所述的偏振分光镜2和探测器3之间设有固定的第三角锥棱镜7、第四角锥棱镜8和第一反射镜6，在双频激光器4和偏振分光镜2之间的光路上成45°放置一光束转换器9和第二反射镜10。
带有位移信息的测量光f₂和参考光f₁按图2所示光路行进，光程增加至8倍，由原光路返回，通过与光路成45°放置的光束转换器9和45°放置的第二反射镜10后，进入探测器3。也就是说，本发明通过增加第三角锥棱镜7、第四角锥棱镜8和第一平面反射镜6，使测量光和参考光都在偏振分光镜2中往返走了8次，达到了光程差8倍倍增之目的，使得新的测量系统的分辨率较原有的该商品化双频激光干涉仪分辨率提高了8倍，从而在相同测试条件下使得测试精度提高了8倍。
利用对如图1所示的商品化双频激光干涉仪和如图2所示的本发明光学八细分双频激光干涉仪分别进行了500mm范围的静态定位精度测试试验。可移动的角锥棱镜1固定在具有很好隔振性能的导轨上，使被测量物处于十分稳定状态，避免由于被测量物体振动造成的误差。从0点开始，间隔为50mm，到500mm处，共11个测量点。每个测量点进行三次取样测试，每次取样测试由微机自动记录6个数据，取每个数据的时间间隔为0.35秒，因此每次测量的采样时间在2秒钟之内。在测试过程中，对影响测量精度的环境温度、大气压力、空气湿度以及测量载体的材料温度等环境因素的变化进行跟踪测量。实际上，在1.5秒到2秒时间范围之内，影响测量精度的环境温度、大气压力、空气湿度以及测量载体的材料温度地变化甚微，测量结果是可靠的。对如图1所示的商品化双频激光干涉仪和如图2所示的本发明分别进行的500mm范围静态定位精度测试试验，如上所述，分别得到33个定位精度误差，定位精度由每一组6个取样数据中的最大值减最小值，再除以2获得。上述二种情况下得到的66个数据，其定位精度误差都在10纳米之内，由于本发明的光程差增大了8倍，其测试结果要除以8。这就是说，实验证明，本发明光学八细分双频激光干涉仪所得到的定位精度比原商品化双频激光干涉仪的测试结果提高了8倍。