[發明專利]可調節干涉位置測試裝置及其測試方法

有效

• 申請號: 201910552419.0
• 申請日: 2019-06-25
• 公開（公告）號: CN110319788B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 吳倫哲;頓愛歡;徐學科;邵建達;楊明紅;朱杰
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所;上海恒益光學精密機械有限公司
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01M11/02
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.利用可調節干涉位置測試裝置進行干涉位置的測量方法，該可調節干涉位置測試裝置，包括：激光干涉儀(1)、分光鏡(2)、分光棱鏡(3)、計算機(4)、位置傳感器1#(5)、位置傳感器2#(6)、微機電系統反射鏡(7)；所述的分光鏡(2)的一面鍍有增透膜(2(a))，另一面鍍有半透半反膜(2(b))；所述的激光干涉儀(1)輸出光經所述的分光鏡(2)的增透膜(2(a))透射后，入射到所述的微機電系統反射鏡(7)，經該微機電系統反射鏡(7)反射后，射向待測試元件表面，經待測試元件表面反射后，沿原路返回，經微機電系統反射鏡(7)反射后入射到所述的分光鏡(2)，經該分光鏡(2)的半透半反膜(2(b))分為反射光和透射光，所述的透射光由激光干涉儀(1)接收，所述的反射光入射到分光棱鏡(3)，經該分光棱鏡(3)分為第二反射光和第二透射光，所述的第二反射光由位置傳感器2#(6)接收，所述的第二透射光由位置傳感器1#(5)接收；所述的位置傳感器2#(6)與分光棱鏡(3)的間距和位置傳感器1#(5)與分光棱鏡(3)的間距不等；所述的激光干涉儀(1)的輸出端與計算機(4)輸入端相連，所述的位置傳感器1#(5)的輸出端和位置傳感器2#(6)的輸出端分別與計算機(4)的輸入端相連，微機電系統反射鏡(7)輸入端與計算機(4)的輸出端相連；其特征在于，該方法包括以下步驟：

1)將反射鏡(8)固定在二維電動弧擺調節臺上，且該二維電動弧擺調節臺與計算機(4)相連，調節二維電動弧擺調節臺，保證激光干涉儀(1)輸出光依次經分光鏡(2)、微機電系統反射鏡(7)和反射鏡(8)后，沿原路返回，并被激光干涉儀(1)接收；

2)使用直尺測量位置傳感器2#(6)與分光棱鏡(3)距離及測量位置傳感器1#(5)與分光棱鏡(3)距離，并計算距離差D；

3)調整放置位移傳感器1#(5)的二維調整架，使該位移傳感器1#(5)接收的光斑位于位移傳感器1#(5)的中心，記錄當前位置信號(X_o1，Y_o1)；調整放置位移傳感器2#(6)的二維調整架，使該位移傳感器2#(6)接收的光斑位于位移傳感器2#(6)的中心，并記錄當前位置信號(X_o2，Y_o2)；

4)轉動二維電動弧擺調節臺，使其沿著該二維電動弧擺調節臺的X軸方向轉動θ_x，記錄此刻位移傳感器1#(5)的當前位置信號與(X_o1，Y_o1)的相對位置偏轉信號(X_x1，Y_x1)，記錄位移傳感器2#(6)的當前位置與(X_o2，Y_o2)的相對位置偏轉信號(X_x2，Y_x2)；

計算X軸單位偏轉向量公式如下：

式中，

n次轉動不同偏轉角并分別計算單位偏轉向量，且n≥3，由于單位偏轉向量和θ_x關系如下所示，n組數據可以使用最小二乘法擬合得到X軸方向偏轉系數(A_x，B_x，C_x)；

A_x·x_x+B_x·y_x+C_x·z_x＝θ_x (2)

5)轉動二維電動弧擺調節臺，使其沿著該二維電動弧擺調節臺的Y軸方向轉動θ_y，記錄此刻位移傳感器1#(5)當前位置與(X_o1，Y_o1)的相對位置偏轉信號(X_y1，Y_y1)，記錄此刻位移傳感器2#(6)當前位置與(X_o2，Y_o2)的相對位置偏轉信號(X_y2，Y_y2)；

計算Y軸單位偏轉向量公式如下：

式中，

n次轉動不同偏轉角并分別計算單位偏轉向量，且n≥3，由于單位偏轉向量和θ_y關系如下所示，n組數據可以使用最小二乘法擬合得到Y軸方向偏轉系數(A_y，B_y，C_y)；

A_y·x_y+B_y·y_y+C_y·z_y＝θ_y (4)

6)轉動二維電動弧擺調節臺，使其沿著該二維電動弧擺調節臺的X軸和Y軸方向分別轉動θ_x和θ_y，記錄此刻位移傳感器1#(5)當前位置與(X_o1，Y_o1)相對位置偏轉信號(X₁，Y₁)，記錄此刻位移傳感器2#(6)當前位置與(X_o2，Y_o2)處相對位置偏轉信號(X₂，Y₂)；

計算X軸和Y軸單位偏轉向量公式如下：

式中，

7)使用計算機(4)控制微機電系統反射鏡(7)轉動，使其先沿著微機電系統反射鏡(7)的X軸方向轉動再沿著微機電系統反射鏡(7)的Y軸方向轉動并記錄此刻位移傳感器1#(5)相對位置偏轉信號和此刻位移傳感器2#(6)的相對位置偏轉信號，根據式(5)重新計算X軸和Y軸單位偏轉向量直至

計算微機電系統反射鏡(7)的單位轉動向量公式如下：

式中，

n次轉動不同偏轉角并分別計算單位轉動向量，且n≥3，由于單位轉動向量和單位偏轉向量關系如下式所示，式中E是調整系數矩陣，表示由單位偏轉向量反算單位轉動向量所乘系數，用最小二乘法擬合得到調整系數矩陣E，

8)將反射鏡(8)移除光路，并在反射鏡(8)位置處放置待測試元件，使該待測試元件固定在二維調整架，且該待測試元件表面法線方向與所述的激光干涉儀(1)的輸出光方向相對，保證返回的光可以被激光干涉儀(1)接收，記錄位移傳感器1#(5)當前位置信號(X_eo1，Y_eo1)，記錄位移傳感器2#(6)當前位置信號(X_eo2，Y_eo2)，測量待測試元件與位移傳感器1#(5)的光路距離K；

9)沿著測試方向移動待測試元件，計算機(4)記錄此刻位移傳感器1#(5)的當前位置信號與(X_eo1，Y_eo1)的相對位置偏轉信號(X_e1，Y_e1)，記錄位移傳感器2#(6)的當前位置與(X_eo2，Y_eo2)的相對位置偏轉信號(X_e2，Y_e2)；

計算X軸和Y軸單位偏轉向量公式如下：

式中，

計算微機電系統反射鏡(7)轉動角度和轉動角度公式如下：

10)計算機(4)控制微機電系統反射鏡(7)沿著X軸轉動角度沿著Y軸轉動角度并記錄當前激光干涉儀(1)測試的位移變化量ΔZ，根據公式(2)、公式(4)以及單位偏轉向量計算偏轉角θ_x和θ_y；

11)根據待測試元件運動得到測試過程中待測試元件測試位置x₀、y₀，根據公式擬合得到實際測試點位置x_r、y_r，公式如下：

12)使用轉動角度對位移變化量ΔZ校準得到測試實際面形S，測試實際面形S與位移變化量ΔZ關系如下：