一种使用双棱镜的动态小角度测量方法

　　1　引　言

　　微角度测量在机械系统的装调、位置校准以及精密控制中有着广泛的应用.如在集成电路的生产制造过程中,仅依靠对生产制造平台的位移控制并不能满 足半导体工业生产的要求,还必须辅以精密的角位移测量与控制才能实现超精细的线宽加工.常用的微角度光学测量方法有自准直法[1,2]、全内反射法 [3,4]、环形激光法[5]、莫尔条纹法[6]以及干涉测量法[7~9]等.其中光学干涉法具有精度高、非接触、动态范围大等优点,在精密检测中应用较 为广泛.

　　P. Shi等[10]提出一种小角度干涉测量方法,在其光程差和角度的表达式中,包含了棱镜的直角边边长以及两棱镜顶点间的距离两个被测量,并且要求双棱镜相 对两平行光束初始正入射点的位置严格对称.实际上由于双棱镜可能存在着难以避免的缺陷,棱镜的直角边长以及顶点间距不容易实现精确测量,并且双棱镜的对称 性实际上难以保证.此外,条纹计数法并不能满足光程差的高精度测量要求.

　　为了消除双棱镜必须对称放置的限制以及提高光程差的测量精度,本文提出一种改进的方法,使得光程差与角度的表达式中包含两平行光束间的间距,使 得两棱镜的放置位置不必严格对称.两光束之间的间距可通过一维位置探测器(PSD)测量.另外,使用半导体激光器作光源,通过正弦地改变激光器的注入电 流,形成一种相位调制型准外差干涉仪.由于被调制的信号时域连续,此方法可高精度实现动态的小角度测量.

　　2　测量原理

　　动态小角度干涉测量原理如图1所示.相同的直角棱镜1,2组成测量臂,随被测物体一起转动.被准直的激光束在分束棱镜处分成两束,经测量臂和反射镜的折射、反射后重回到分束棱镜处发生双光束干涉.当测量臂绕旋转中心转过θ角时,两测量光束光程差的变化量为

　　设光束在直角棱镜斜边发生折射时,折射角为γ,棱镜折射率为n,直角棱镜直角边长为ρ.如图2所示,其中ρ= q1+q2,则光在棱镜中的光程为

　　由(2)式可见棱镜中的光程与光束入射到棱镜的位置无关.由于入射到棱镜中的两光束保持平行,所以(1)式中.与之间的距离分别为d和d′,根据直角三角形中的正切关系式

　　由于引入两光束之间的测量量d与d′,使得Δl(t)与θ(t)之间的关系得到简化.d与d′可通过在棱镜前方插入一维位置探测器测量.两束光 同时入射到位置探测器的光敏面上,挡住其中一束光,记录另一束光在位置探测器光敏面上的位置.被遮挡的那束光在位置探测器光敏面上的位置同理可测.d与d ′的数值由对应的两光束位置之差计算得出之后便成了仪器常数.根据干涉信号的相位变化量α(t) =2πΔl(t)/λ₀(λ0为半导体激光器的中心波长),计算被测角度