【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于光栅位移测量系统的光学设备，特别是公开一种基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，属于光学设备。
技术介绍
1、纳米光栅是如今集成电路产业、超精密加工、精密科学仪器等领域中精密位移测量的关键零部件。随着纳米光栅在各类仪器中的广泛应用，对于光栅类仪器的要求正在逐步提高，而对于光栅位移测量系统而言，环境误差、模型误差、安装误差、切换误差与仪器误差不可避免的五类误差，且纳米光栅的安装误差是其中重大因素，最大程度减小纳米光栅位姿误差来保证光栅测量系统光路可靠是保障精密测量结果准确性的关键。
2、对光栅周期的定值通常采用光学衍射法或者计量型原子力显微镜。光学衍射法是实验室最常用的光栅周期测量方法，其测量原理基于光栅方程。激光以littrow角入射时满足 ，其中为littrow角，λ为激光的波长，n为空气的折射率，d为光栅的周期，k为衍射级次。入射光采用405nm半导体激光器发出的激光，已知入射光的波长，通过测量入射角以及空气的折射率即可得到光栅的周期。
3、光栅与被测工件台的耦合误差是造成安装误差的主要因素。安装光栅的被测工件台存在非线性、直线度误差，会导致以littrow结构中原路返回的两束衍射光偏离理想位置，大幅降低干涉信号的信噪比，甚至引入额外的相位差，造成测量误差。造成以上误差的最重要影响因素是纳米光栅的安装位姿，即光栅和位移台之间的俯仰（pitch），横滚（roll）及偏摆（yaw）三自由度的位置关系。
4、因而，解决造成纳米光栅位姿误差的问题就可以有效提升光栅位移测量系统
5、传统的纳米光栅校准方法通常使用多自由度夹持支架进行，并通过整体光学系统的输出波形反馈来验证其光栅姿态调整的完善与否，具有很强的不确定性。且因其支架大多为机械结构，通常通过手动进行调整，不能实现角秒级的微动，因而其调整难度大，且调整用时与调整效果基本取决于调整者的使用经验，所以在调整光路时会造成大量人力成本和时间成本的浪费，既无法保证调整精准度，同时也无法进一步量化纳米光栅位姿与光路系统输出信号的关系，为校准纳米光栅位姿造成不便。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有技术的缺陷，设计一种基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，利用激光干涉仪的稳定性及高灵敏度，作为光栅姿态的修正反馈，通过信号处理系统收集光电探测器的反馈信息，并加以算法处理后得出修正值，再经由驱动四轴位移台将纳米光栅支架调整至理想位置，尽可能减小纳米光栅在安装时候造成的位姿误差，解决纳米光栅位姿误差的问题，以提升整体光栅位移测量系统的测量精度。
2、本专利技术是这样实现的：一种基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：包括光路系统及位移台驱动系统，所述的位移台驱动系统包括四轴位移台，所述的四轴位移台的安装台面上设有纳米光栅支架和激光干涉仪，所述的纳米光栅支架上安装有纳米光栅，所述的光路系统包括激光器、波片i、波片ii、波片iii、偏振分光棱镜、偏振片、干涉仪测量光反射镜、平面反射镜i及平面反射镜ii，所述的有波片i和偏振分光棱依次设于激光器发射光光路上，所述的偏振分光棱水平偏振光光路上依次设置波片iii 和平面反射镜ii，所述的偏振分光棱的垂直偏振光光路上依次设置波片ii 和平面反射镜i ，所述的纳米光栅设于平面反射镜ii 及平面反射镜i 的反射光路上，所述的纳米光栅分别对来自平面反射镜ii 及平面反射镜i 的反射光形成相应衍射光光路，并经偏振分光棱镜后合束后形成衍射光光路，在所述的衍射光光路上依次设置偏振片及光电探测器，所述的干涉仪测量光反射镜设于激光干涉仪上，所述的四轴位移台所作的是分别以x，y，z三轴方向的旋转运动和以x轴方向的线运动构成的四轴位移运动。
3、所述的光路系统中，激光器的发射光经波片i 入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜后等比例地分为垂直偏振光路和水平偏振光路，所述垂直偏振光路和水平偏振光路在以littrow角入射到纳米光栅表面后形成的两路衍射光光路分别沿原光路返回至偏振分光棱镜后合束，合束后的衍射光通过偏振片进行滤波后再由光电探测器接收。
4、所述的纳米光栅通过纳米光栅支架固定于四轴位移台之上，由四轴位移台带动分别在俯仰、横滚与偏摆三自由度上实现自由转动以及光栅轴线方向上的线位移，实现对于光栅位姿的修正，且四轴位移台进行的x轴方向线运动尽量与纳米光栅的轴线平行。所述的四轴位移台通过上位机控制，由驱动模块驱动进行位移运动。
5、所述的激光干涉仪所需的激光干涉仪测量光反射镜安装于纳米光栅支架的侧面，且该平面镜法线与纳米光栅支架的法线呈正交状态。
6、所述的波片i 采用二分之一波片，波片ii 与波片iii 分别采用四分之一波片。
7、所述的纳米光栅支架与四轴位移台安装后对位移台中心位置进行三坐标机标定或加装垂直辅助支架的方式进行标定，所述的四轴位移台通过在激光干涉仪测量光反射镜与纳米光栅支架之间安装正交支架进行正交性标定。
8、对纳米光栅位姿的修正是依次对纳米光栅三轴方向角度分别进行修正，纳米光栅的运动方向、激光干涉仪的激光入射方向及四轴位移台的运动方三者保持一致，激光干涉仪的显示值为纳米光栅受四轴位移台驱动后的实际位移的参考依据，由光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，通过信号处理系统，基于光强与光栅位移公式转换获得光栅位移测量系统的位移量，将其与激光干涉仪显示值进行比对，以单轴旋转角修正至光电探测器显示实际位移量最为接近参考位移量时作为该轴修正完成的标志。
9、所述纳米光栅位姿校准系统中信号处理系统的信号处理流程：所述纳米光栅位姿校准系统中信号处理系统对光电信号的处理流程：激光器发射出的激光光源经系统光路调整后，被光电探测器所接收，进行光信号至电信号的转换，随后经过信号放大器，再由采集卡接收相应电信号，并与采集卡同时采集的激光干涉仪的电信号一同传输至上位机进行数据处理，位移台驱动系统中的驱动模块根据上位机处理后所得到的位移量驱动四轴位移台进行修正工作。
10、本专利技术的有益效果是：本专利技术以激光干涉仪采集的数据作为参考，通过四轴位移台的角度调整实现纳米光栅的数控校准，利用激光干涉仪稳定性好、灵敏度高的特性，作为光栅姿态的修正反馈，同时采用上位机收集光电探测器的反馈信息，并加以算法处理后得出修正值，最后再经由驱动四轴位移台，将纳米光栅支架调整至理想位置，实现了尽可能减小纳米光栅在安装时候造成的位姿误差，提升了整体光栅位移测量系统的测量精度。
11、在工业生产方面，应用本专利技术能够使生产企业在生产过程中实现更准确的尺寸测量和质量控制，从而减少产品缺陷率，提高生产效率，并降低不合格产品的成本，达到成本控制效果。
12、同时由于本专利技术引入了激光干涉仪，能够将纳米光栅位姿校准溯源至激光干涉仪的激光波长，大大提升了其可溯源性，提升了测量结果的准确性和可靠性。因而在科学研究和实验中，应用本专利技术能够减少光栅位移测量系统的测量误差，使实验结果更可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：包括光路系统及位移台驱动系统，所述的位移台驱动系统包括四轴位移台，所述的四轴位移台的安装台面上设有纳米光栅支架和激光干涉仪，所述的纳米光栅支架上安装有纳米光栅，所述的光路系统包括激光器、波片I、波片II、波片III、偏振分光棱镜、偏振片、干涉仪测量光反射镜、平面反射镜I及平面反射镜II，所述的有波片I和偏振分光棱依次设于激光器发射光光路上，所述的偏振分光棱水平偏振光光路上依次设置波片III 和平面反射镜II ，所述的偏振分光棱的垂直偏振光光路上依次设置波片II 和平面反射镜I ，所述的纳米光栅设于平面反射镜II 及平面反射镜I 的反射光路上，所述的纳米光栅分别对来自平面反射镜II 及平面反射镜I 的反射光形成相应衍射光光路，并经偏振分光棱镜后合束后形成衍射光光路，在所述的衍射光光路上依次设置偏振片及光电探测器，所述的干涉仪测量光反射镜设于激光干涉仪上，所述的四轴位移台所作的是分别以x，y，z三轴方向的旋转运动和以x轴方向的线运动构成的四轴位移运动。
2.根据权利要求 1 所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系
3.根据权利要求 1 所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：所述的纳米光栅通过纳米光栅支架固定于四轴位移台之上，由四轴位移台带动分别在俯仰、横滚与偏摆三自由度上实现自由转动以及光栅轴线方向上的线位移，实现对于光栅位姿的修正，且四轴位移台进行的x轴方向线运动尽量与纳米光栅的轴线平行。
4.根据权利要求 1 所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：所述的激光干涉仪所需的激光干涉仪测量光反射镜安装于纳米光栅支架的侧面，且该平面镜法线与纳米光栅支架的法线呈正交状态。
5.根据权利要求 1 或2所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：所述的波片I 采用二分之一波片，波片II 与波片III 分别采用四分之一波片。
6.根据权利要求 1 所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：所述的纳米光栅支架与四轴位移台安装后对四轴位移台中心位置进行三坐标机标定或加装垂直辅助支架的方式进行标定，所述的四轴位移台通过在激光干涉仪测量光反射镜与纳米光栅支架之间借由准直仪进行校准来实现正交性标定。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：对纳米光栅位姿的修正是依次对纳米光栅三轴方向角度分别进行修正，纳米光栅的运动方向、激光干涉仪的激光入射方向及四轴位移台的运动方三者保持一致，激光干涉仪的显示值为纳米光栅受四轴位移台驱动后的实际位移的参考依据，由光电探测器采集的干涉信号转化为电流信号传输至信号处理系统，通过信号处理系统，基于光强与光栅位移公式转换获得光栅位移测量系统的位移量，将其与激光干涉仪显示值进行比对，以单轴旋转角修正至光电探测器显示实际位移量最为接近参考位移量时作为该轴修正完成的标志。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于所述纳米光栅位姿校准系统中信号处理系统的信号处理流程：所述纳米光栅位姿校准系统中信号处理系统对光电信号的处理流程：激光器发射出的激光光源经系统光路调整后，被光电探测器所接收，进行光信号至电信号的转换，随后经过信号放大器，再由采集卡接收相应电信号，并与采集卡同时采集的激光干涉仪的电信号一同传输至上位机进行数据处理，位移台驱动系统中的驱动模块根据上位机处理后所得到的位移量驱动四轴位移台进行修正工作。
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：包括光路系统及位移台驱动系统，所述的位移台驱动系统包括四轴位移台，所述的四轴位移台的安装台面上设有纳米光栅支架和激光干涉仪，所述的纳米光栅支架上安装有纳米光栅，所述的光路系统包括激光器、波片i、波片ii、波片iii、偏振分光棱镜、偏振片、干涉仪测量光反射镜、平面反射镜i及平面反射镜ii，所述的有波片i和偏振分光棱依次设于激光器发射光光路上，所述的偏振分光棱水平偏振光光路上依次设置波片iii 和平面反射镜ii ，所述的偏振分光棱的垂直偏振光光路上依次设置波片ii 和平面反射镜i ，所述的纳米光栅设于平面反射镜ii 及平面反射镜i 的反射光路上，所述的纳米光栅分别对来自平面反射镜ii 及平面反射镜i 的反射光形成相应衍射光光路，并经偏振分光棱镜后合束后形成衍射光光路，在所述的衍射光光路上依次设置偏振片及光电探测器，所述的干涉仪测量光反射镜设于激光干涉仪上，所述的四轴位移台所作的是分别以x，y，z三轴方向的旋转运动和以x轴方向的线运动构成的四轴位移运动。
2.根据权利要求 1 所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：所述的光路系统中，激光器的发射光经波片i 入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜后等比例地分为垂直偏振光路和水平偏振光路，所述垂直偏振光路和水平偏振光路在以littrow角入射到纳米光栅表面后形成的两路衍射光光路分别沿原光路返回至偏振分光棱镜后合束，合束后的衍射光通过偏振片进行滤波后再由光电探测器接收。
3.根据权利要求 1 所述的基于激光干涉仪的纳米光栅位姿校准系统，其特征在于：所述的纳米光栅通过纳米光栅支架固定于四轴位移台之上，由四轴位移台带动分别在俯仰、横滚与偏摆三自由度上实现自由转动以及光栅轴线方向上的线位移，实现对于光栅位姿的修正，且四轴位移台进行的x轴方向线运动尽量与纳米光栅的轴线平行。
4.根据权利要求 1 所述的基于激光干涉仪的...
【专利技术属性】
技术研发人员：邹文哲，雷李华，管钰晴，朱言瑧，郭创为，刘丽琴，曾志超，张玉杰，张岚，
申请(专利权)人：上海市计量测试技术研究院中国上海测试中心，华东国家计量测试中心，上海市计量器具强制检定中心，
类型：发明
国别省市：
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