[发明专利]基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法及装置

说明书

基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法及装置属于激光测量领域，本发明将外差激光干涉仪的两路输出信号分别接入可编程逻辑器件，利用可编程逻辑器件内部产生的信号作为正交锁相的参考信号，并通过两次正交混频进行非线性误差位相解调。本发明适用于实时测量外差激光干涉系统的光学非线性误差，不受被测物体运动状态限制，测量精度在皮米量级；并且利用两次正交混频代替了反正切算法，提高了算法效率。

技术领域

本发明属于激光测量技术领域，主要涉及一种基于双通道正交锁相解调的光学非线性误差测量方法和装置。

背景技术

外差激光干涉测量技术作为目前主要的纳米测量技术之一，在工程计量、电子刻蚀、光刻技术等先进领域备受关注。由于其测量精度高、速度快、可溯源、复现性好且测量非接触等优点在众多测量技术中脱颖而出，在超精密测量和定位技术方面取得了不可取代的地位。然而，由于光源和光学元件的性能不理想等因素，导致位移的实际测量值与理论值之间出现了一个周期性的误差，称之为外差激光干涉仪的光学非线性误差。为了研究光学非线性误差的作用规律，补偿方法，以及利用非线性误差衡量外差激光干涉仪性能来优化其结构，通常需要对光学非线性误差进行测量。因此，光学非线性误差测量技术受到越来越多的重视，成为外差激光干涉仪发展的关键技术之一。

1992年，W Hou和G Wilkening提出了通过对相位进行差分检测，从而得到干涉系统光学非线性误差的双相位测量法。双相位测量法利用一个1/2波片和偏振分光镜，将测量信号分成两路，采用两个光电探测器分别接收两路测量信号，两个探测器探测到的信号的相位差为

其中，ε为一个由于光电转换和测量引起的额外的固定的相位偏移，不会对测量结果产生影响。π是初始相位差，也不会对测量结果产生影响。非线性误差为

该方法采用差分检测的方式，消除两路信号中相同的位移相位，只剩下非线性误差项，可以实现高精度的非线性测量。并且，将两路测量信号与参考信号比较，可以得到一阶非线性误差和二阶非线性误差(Hou W,Wilkening G. Investigation andcompensation of the nonlinearity of heterodyne interferometers[J]. PrecisionEngineering,1992,14(2):91-98.)。

该方法可以直接测得干涉系统的光学非线性误差，不需要额外的参考量。但是采用双路相位测量结构，测量精度只在纳米量级，而且只能进行准静态测量。

1999年，锁相放大法由中国台湾学者Chien-ming Wu首次提出，是现在常用的测量方法。该方法利用锁相放大器，将干涉仪两路输出信号经由光电探测器转换，作为锁相放大器的信号输入，通过混频滤波得到两路输出信号的正交信号，再通过相位解调得到光学非线性误差(Wu C M,Lawall J,Deslattes R D.Heterodyne interferometer withsubatomic periodic nonlinearity.[J].Applied Optics,1999, 38(19):4089-94.)。