CN101907713B - 用于测量相对运动的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量相对运动的设备和方法。该测量设备包括用于发射光束的光源(110、210)、具有适合于反射光束的第一波阵面部分的反射表面(121、221)的移动元件(120、220)以及具有适合于反射光束的第二波阵面部分的反射表面(131、231)的参考元件(130、230)。该设备还包括检测装置(140、240)和处理装置(150、160、250、260)，所述检测装置(140、240)用于检测由从移动元件和参考元件反射的光产生的空间干涉图中的变化，所述处理装置(150、160、250、260)用于从被检测的空间干涉图中的相位变化计算移动元件和参考元件之间的相对运动。

Description

用于测量相对运动的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于测量相对运动的设备和方法。

背景技术

在各种高科技应用中需要精确地测量运动。最精确的测量技术是基于激光干涉仪的使用。

在傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪中，通过使用氦-氖激光器来确定IR干涉仪的动镜(moving mirror)的位置，以测量干涉仪中的光程差。只在离散的采样点处测量动镜的位置，所述离散的采样点是具有λ/2的间隔的激光干涉信号的过零点(zero crossing point)，其中λ为激光的波长。通过条纹计数系统甚至可跟踪动镜的运动一直到10米。

当测量达到几微米范围内的小运动时，必须连续地测量移动元件(moving element)的位置。在美国专利No.7,521,668中公开了一种基于迈克耳孙干涉仪的使用来测量传感器的位移的方法，其中，该传感器被设置为可响应于声波而移动。将来自光源的光束聚焦在传感器的表面和迈克耳孙干涉仪的参考镜上。例如，通过倾斜参考镜，提供光束的不同部分之间的相位差，从而在检测器上产生空间干涉图(interference pattern)。随后，可从干涉图中的变化计算传感器的运动。

即使美国专利No.7,521,668中的倾斜的迈克耳孙干涉仪很适合检测小运动，该迈克耳孙干涉仪也存在一些弊端。迈克耳孙干涉仪对温度的变化十分敏感，主要因为传感器和参考镜彼此分开地位于不同的干涉仪臂中，并因此易受这些臂之间的温度变化的影响。

在美国专利No.7,521,668中公开的设备也对传感器和参考镜的倾斜敏感，因为实际上，不能将光束的焦点准确地设置在传感器的表面和参考镜上。另一个弊端是，必须精密地调节参考镜以便获得对传感器运动的精确测量。另一个弊端是，迈克耳孙干涉仪中的光学部件，特别是振幅分隔分束器(amplitude splitting beamsplitter)，必须具有高质量，并因而制造成本昂贵。

发明内容

本发明的主要目的是减少或甚至消除上述的现有技术的问题。

本发明的一个目的在于提供用于测量达到几微米范围内的小运动的设备和方法。更详细地说，本发明的一个目的在于提供用于测量在移动元件和参考元件之间的相对运动的设备和方法。

本发明另一目的在于提供一种测量设备，其中，光学部件的大容限(tolerance)是可接受的，并且，最小化对光学部件的调节的需要。本发明的另一目的在于提供一种不需要振幅分隔分束器的测量设备。本发明的另一目的在于提供一种具有高测量精度和宽线性动态范围的测量设备。

为了实现上述目的，根据本发明的设备的特征在于，该设备包括：移动元件，所述移动元件具有适合于反射光束的第一波阵面部分的反射表面；参考元件，所述参考元件具有适合于反射光束的第二波阵面部分的反射表面；检测装置，所述检测装置用于检测由从移动元件和参考元件反射的光所产生的空间干涉图中的变化，和处理装置，所述处理装置用于从被检测的空间干涉图中的相位变化计算移动元件和参考元件之间的相对运动。根据本发明的方法的特征在于，该方法包括：从移动元件的反射表面反射光束的第一波阵面部分，以及从参考元件的反射表面反射光束的第二波阵面部分；检测空间干涉图中的变化，所述空间干涉图由从移动元件和参考元件反射的光产生，以及从所检测的空间干涉图中的相位变化计算移动元件和参考元件之间的相对运动。在本发明中描述了本发明的有利的实施例。

根据本发明的用于测量相对运动的一个典型的设备包括用于发射光束的光源、具有适合于反射光束的第一波阵面部分的反射表面的移动元件、以及具有适合于反射光束的第二波阵面部分的反射表面的参考元件。根据本发明的典型设备还包括检测装置和处理装置，所述检测装置用于检测由从移动元件和参考元件反射的光所产生的空间干涉图中的变化，所述处理装置用于从被检测的空间干涉图中的相位变化计算移动元件和参考元件之间的相对运动。

根据本发明的测量设备被应用于测量小运动。测量的原理是基于将光束的波阵面分为第一波阵面部分和第二波阵面部分以及检测由光束的干涉波阵面部分产生的空间干涉图中的相位变化。使用根据本发明的设备，可以测量在1秒测量时间内低于0.1pm的运动。

在根据本发明的测量设备中，光束的波阵面在空间上被分割成多个部分。这不同于迈克耳孙干涉仪中使用的技术。在迈克耳孙干涉仪中，光束的波阵面没有被分割成多个波阵面部分。迈克耳孙干涉仪是一种振幅分隔干涉仪，其中光束的振幅(强度)被分割。

以这样的方式设置移动元件和参考元件，使得从移动元件反射的光束的第一波阵面部分和从参考元件反射的光束的第二波阵面部分发生干涉，从而在检测装置上产生干涉条纹图。

光束可作为未被分割的波阵面被引导至移动元件和参考元件，然后通过移动元件和参考元件进行波阵面分隔。在这种情况下，典型地，以这样的方式设置移动元件和参考元件，使得在移动元件的静止位置处移动元件的反射表面的法线和参考元件的反射表面的法线不平行。即，在静止位置处移动元件相对于参考元件稍微倾斜，然后从所述元件反射的光束的波阵面部分发生干涉并产生干涉条纹。

在将波阵面部分引导至移动元件和参考元件之前，通过其它光学装置进行光束的波阵面分隔也是可以的。在这种情况下，优选地设置移动元件和参考元件，使得它们的反射表面基本上平行，并且当移动元件处于静止位置时，移动元件和参考元件的反射表面位于相同的水平面。

形成的条纹图具有正弦的强度分布。当移动元件相对于参考元件移动时，干涉条纹的位置改变，即，条纹图的相位改变。通过对干涉图数据使用最小二乘拟合(at least square fit)，可计算移动元件的运动。通过使用复数傅立叶变换，也可计算条纹的运动。通过使用与振幅谱的最大振幅值相对应的相位谱的相位值，可获得移动元件的运动。

通过包括处理器的处理装置进行对移动元件的运动的计算。所述处理器被配置为：通过首先计算干涉图中的相位变化以及随后从所述相位变化计算所述运动，来确定移动元件的运动。典型地，从检测装置接收的信号是模拟形式的，并且必须被转换为数字信号。为了这种转换，所述处理装置包括模-数转换器(ADC)。

移动元件可以被设置以不同的方式移动。例如，它的运动可以是平移的或旋转的，或者既平移又旋转的。在优选的实施例中，移动元件被设置为响应于扰动(disturbance)(例如压力和温度变化)而弯曲。在一些应用中，移动元件可以是振动元件。

参考元件是可调节的，以便改变其相对于移动元件的位置。例如，参考元件的倾斜可以是可变的。在测量期间，优选地，将参考元件相对于光源和检测装置保持静止。

根据本发明的实施例，以这样的方式将移动元件和参考元件设置为彼此相邻，使得移动元件的反射表面的法线和参考元件的反射表面的法线之间的角度小于20度。例如，在所述反射表面的法线之间的角度也可以小于10度、小于5度或小于2度。在所述反射表面的法线之间的角度可以是可调节的，例如，可通过倾斜移动元件和/或参考元件来调节。

当设置移动元件进行平移运动时，在所述反射表面的法线之间的角度大约是固定的。然而，当设置移动元件进行倾斜或弯曲时，在所述反射表面的法线之间的角度改变。例如，移动元件可以从它的静止位置倾斜或弯曲±10度、±5度、±2度或±1度。

根据本发明的实施例，所述检测装置包括至少两个光检测器。在一些应用中，例如，检测装置可包括至少四个光检测器、至少十个光检测器或至少一百个光检测器。优选地，检测装置包括用于检测空间干涉图的光检测器阵列，例如CCD、CMOS或光电二极管阵列。

根据本发明的实施例，所述设备包括用于将来自光源的光引导至移动元件和参考元件的光引导装置。

根据本发明的优选实施例，光引导装置包括角镜(angularmirror)，所述角镜由第一平面镜和第二平面镜组成，所述第一平面镜适合于将光束的第一波阵面部分引导至移动元件，所述第二平面镜适合于将光束的第二波阵面部分引导至参考元件。光引导装置还可包括用于将来自光源的光束引导至角镜的一个或多个分开的平面镜。此外，还可设置一个或多个分开的平面镜，以将光束的第一波阵面部分从角镜的第一平面镜引导至移动元件并且将光束的第二波阵面部分从角镜的第二平面镜引导至参考元件。

可以按这样的方式设置角镜，使得光束的第一和第二波阵面部分基本上分别聚焦在移动元件和参考元件上。

根据本发明的实施例，角镜具有在175至185度范围内的开度角(opening angle)。例如，所述开度角也可以在178至182度范围内或在179至181度范围内。例如，所述开度角也可以在180度以上或在180度以下。角镜的开度角是指在第一平面镜的反射面和第二平面镜的反射面之间的角度。

在一些应用中，可使用两个棱镜来分隔光束的波阵面并将波阵面部分引导至移动元件和参考元件。

根据本发明的实施例，所述设备包括聚光装置，所述聚光装置用于将光束的第一波阵面部分基本上会聚在移动元件的反射表面上并将光束的第二波阵面部分基本上会聚在参考元件的反射表面上。优选地，聚光装置包括安置于光源和光引导装置之间的会聚透镜，例如角镜。所述光源也可以包括用于会聚光束的装置，于是不必需要附加的聚光装置。

当移动元件和参考元件被设置用于分隔光束的波阵面时，光束的焦点被设置在移动元件和参考元件的前面或者在所述元件的后面。例如，光束的焦点和所述元件之间的距离可以在0至1mm或1至10mm的范围内。

根据本发明的实施例，所述光源是激光器，例如激光二极管。也可以使用宽带光源，例如，所述宽带光源具有400至900nm的波长。

根据本发明的优选实施例，移动元件和参考元件是平面镜。

根据本发明的另一优选实施例，移动元件是可弯曲的，例如适合于响应于扰动而振动的悬臂(cantilever)。所述悬臂可由例如硅、钢铁或玻璃的各种材料制成。悬臂可具有1至5mm或5至15mm的长度，0.1至1mm或1至5mm的宽度，以及1至5μm或5至15μm的厚度。当悬臂被用作移动元件时，围绕悬臂的框架可被用作参考元件。

本发明还涉及一种测量相对运动的方法，所述方法包括发射光束，将光束朝着移动元件和参考元件引导，以及从移动元件的反射表面反射光束的第一波阵面部分和从参考元件的反射表面反射光束的第二波阵面部分。根据本发明的方法还包括：检测空间干涉图中的变化，所述空间干涉图是由从移动元件和参考元件反射的光所产生的；以及从所检测的空间干涉图中的相位变化计算移动元件和参考元件之间的相对运动。

换句话说，在根据本发明的方法中，光束的波阵面被分隔为第一波阵面部分和第二波阵面部分，所述第一波阵面部分和第二波阵面部分被设置为发生干涉。随后，从空间干涉图中的相位变化计算所述运动。

根据本发明的实施例，将光束朝着移动元件和参考元件引导的步骤包括：通过使用角镜的第一平面镜将光束的第一波阵面部分引导至移动元件，以及通过使用角镜的第二平面镜将光束的第二波阵面部分引导至参考元件。

根据本发明的实施例，所述方法包括：将光束的第一波阵面部分基本上会聚在移动元件的反射表面上，以及将光束的第二波阵面部分基本上会聚在参考元件的反射表面上。

本发明的优势在于，在测量小运动时不需要振幅分隔分束器。在根据本发明的测量设备中，光束的波阵面被分隔为多个波阵面部分，然而，在基于迈克耳孙干涉仪的现有技术系统中，光束的振幅被分割。

本发明的另一优势在于，光学部件的大容限是可接受的，并且最小化对光学部件的调节的需要。在制造过程中，放宽对光学部件的容限要求允许在不经过校准工序的情况下进行大规模生产。此外，测量设备的部件的制造成本便宜。

还有另一个优势是，因为移动元件和参考元件彼此靠近并因此对相似的温度敏感，所以根据本发明的设备是对温度变化不敏感。此外，由于测量设备的结构而导致可容易地增加在所述元件和其它光学部件之间的距离，于是，移动元件和参考元件可被安置在不合适于测量设备的其它光学部件的温度和/或压力下。在对结构的变化最小化的情况下，可增加所述元件和其它光学部件之间的距离。然而，在迈克耳孙干涉仪中，如果增加动镜和分束器之间的距离，则也必须增加另一干涉仪臂中的光程长度，从而导致增加干涉仪的尺寸。

移动元件和参考元件可被安置在具有窗口的测量室内。优点在于，进入移动元件且从移动元件反射的光和进入参考元件且从参考元件反射的光都通过所述同一窗口。在基于迈克耳孙干涉仪的现有技术系统中，只有传感器被安置在窗口后的室内。在分束器和传感器之间增加窗口会降低干涉仪的性能。

另一个优点在于，使用本发明，可实现高测量精度和宽线性动态范围。

例如，根据本发明的测量设备可被用于压力传感器，温度传感器，热能传感器，量热器，辐射传感器，原子力显微镜(atomicforce microscopy)，用于固体、液体和气体样本的光声传感器，加速计，振动传感器，麦克风和小质量测量系统中。

在本文中所述的本发明的示例实施例不应被解释为限制所附权利要求的应用。在本文中，动词“包括”作为开放性限制被使用，其不排除还存在未描述的特征。除非另作说明，在本发明中描述的特征可相互自由地组合。

附图说明

尤其在所附权利要求中阐述了被认为是本发明的特征的新颖性特征。然而，本发明本身(包括关于本发明的结构和操作方法两者)及其另外的目的和优点将从以下参照附图的具体实施例的描述中被最佳地理解。

图1示意性地显示了根据本发明的第一实施例的设备，以及

图2示意性地显示了根据本发明的第二实施例的设备。

具体实施方式

图1显示了根据本发明的第一实施例的用于测量相对运动的设备。所述设备包括作为光源的激光器110。激光器110朝着移动元件120和参考元件130发射光束，这两个元件120，130具有反射表面121，131。将光束作为未分割的波阵面引导至移动元件120和参考元件130。光束的焦点被设置在移动元件120和参考元件130的前面，即，光束的焦点在激光器110和所述元件120，130之间。

通过移动元件120和参考元件130进行波阵面分隔。移动元件120的反射表面121反射光束的第一波阵面部分，并且参考元件130的反射表面131反射光束的第二波阵面部分。移动元件120和参考元件130以这样的方式被设置为彼此邻近，使得在移动元件120的静止位置处，移动元件120的反射表面121相对于参考元件130的反射表面131稍微倾斜。在移动元件120的静止位置处，反射表面121，131的法线之间的角度为大约10度。在这个实施例中，移动元件120被设置为响应于扰动(例如压力和温度变化)而弯曲。允许移动元件120从它的静止位置弯曲几度。在测量期间，参考元件130相对于激光器110保持静止。

从移动元件120和参考元件130反射的光束的波阵面部分重叠并且产生干涉光束。通过光检测器阵列140检测干涉光的干涉条纹图。条纹图具有正弦的强度分布。当移动元件120弯曲时，空间干涉图改变。干涉条纹沿着光检测器阵列140移动，于是干涉图的相位改变。

通过处理器150进行对移动元件120的运动的计算，所述处理器150被配置为：通过首先计算干涉图中的相位变化，然后从该相位变化计算所述运动，来确定移动元件120的运动。模-数转换器160被用于将从光检测器阵列140接收的模拟信号转换为将被处理器150处理的数字信号。

图2显示了根据本发明的第二实施例的用于测量相对运动的设备。所述设备包括激光器210，所述激光器210发射光束，该光束经过会聚透镜270到达由两个平面镜281、282组成的角镜280。第一平面镜281适合于将光束的第一波阵面部分反射到移动元件220，并且第二平面镜282适于将光束的第二波阵面部分反射到参考元件230。在这个示例实施例中，角镜280具有大约182度的开度角。

会聚透镜270以这样的方式被安置在激光器210和角镜280之间，使得光束的第一波阵面部分和第二波阵面部分基本上分别聚焦在移动元件220的反射表面221和参考元件230的反射表面231上。移动元件220和参考元件230被设置为彼此邻近，使得从移动元件220反射的光束的第一波阵面部分和从参考元件230反射的光束的第二波阵面部分发生干涉，从而在光检测器阵列240上产生干涉条纹图。

当移动元件220处于静止位置时，移动元件220的反射表面221和参考元件230的反射表面231被设置为基本上平行并位于相同的水平面。移动元件220被设置为响应于扰动而弯曲，并允许从它的静止位置弯曲±2度。

当移动元件220弯曲时，由从移动元件220和参考元件230反射的光所产生的空间干涉图的相位发生改变。通过模-数转换器260将从光检测器阵列240接收的模拟信号转换为数字信号。通过处理器250进行对运动的计算，所述处理器250被配置为从相位变化计算移动元件220的运动。

在图中只描述了本发明的有利的示例性实施例。本领域技术人员清楚的是，本发明并不仅仅限于上述的例子，并且，可以在下述的权利要求的限制内改变本发明。在从属权利要求中描述了本发明的一些可能的实施例，并且所述实施例不被认为是用于限制本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种用于测量相对运动的设备，包括：

光源(110、210)，所述光源(110、210)用于发射光束；

移动元件(120、220)，所述移动元件(120、220)具有适合于反射光束的第一波阵面部分的反射表面(121、221)；以及

参考元件(130、230)，所述参考元件(130、230)具有适合于反射光束的第二波阵面部分的反射表面(131、231)；

其特征在于，所述设备包括：

检测装置(140、240)，所述检测装置(140、240)用于检测由从移动元件和参考元件反射的光所产生的空间干涉图中的变化，所述检测装置包括至少两个光检测器；和

处理装置(150、160、250、260)，所述处理装置(150、160、250、260)用于从被检测的空间干涉图中的相位变化计算移动元件和参考元件之间的相对运动。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，移动元件和参考元件以这样的方式被设置为彼此邻近，使得移动元件的反射表面的法线和参考元件的反射表面的法线之间的角度小于20度。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于将来自光源的光引导至移动元件和参考元件的光引导装置(280、281、282)。

4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述光引导装置包括角镜(280)，所述角镜(280)由适合于将光束的第一波阵面部分引导至移动元件的第一平面镜(281)和适合于将光束的第二波阵面部分引导至参考元件的第二平面镜(282)组成。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述角镜具有在175至185度范围内的开度角。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述设备包括聚光装置(270)，所述聚光装置(270)用于将光束的第一波阵面部分基本上会聚在移动元件的反射表面上，并将光束的第二波阵面部分基本上会聚在参考元件的反射表面上。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述光源为激光器(110、210)。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述移动元件和参考元件为平面镜。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述移动元件是适合于响应于扰动而振动的悬臂。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述参考元件是围绕悬臂的框架。

11.一种用于测量相对运动的方法，包括：

发射光束，

将光束朝着移动元件(120、220)和参考元件(130、230)引导；以及

从移动元件的反射表面(121、221)反射光束的第一波阵面部分，以及从参考元件的反射表面(131、231)反射光束的第二波阵面部分；

其特征在于，所述方法包括：

由至少两个光检测器(140、240)检测空间干涉图中的变化，所述空间干涉图由从移动元件和参考元件反射的光产生，以及

从所检测的空间干涉图中的相位变化计算移动元件和参考元件之间的相对运动。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，将光束朝着移动元件和参考元件引导的步骤包括：

通过使用角镜(280)的第一平面镜(281)将光束的第一波阵面部分引导至移动元件，以及

通过使用角镜(280)的第二平面镜(282)将光束的第二波阵面部分引导至参考元件。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述方法包括：将光束的第一波阵面部分基本上会聚在移动元件的反射表面上，以及将光束的第二波阵面部分基本上会聚在参考元件的反射表面上。