CN102620809A - 一种微机械结构平面内振动的光学测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于振动测量技术领域的一种微机械结构平面内振动的光学测量方法。首先建立光学测量装置，使用建立光学测量装置对微机械结构平面内振动进行测量，相干平行光经过分光棱镜照射到被测微机械器件的平面上，平面上的反射光线被分光棱镜透射，透射到具有光学傅里叶特性的傅里叶透镜焦点处的谱面上，形成微机械器件平面的反射光线的光强分布空间频谱，通过测量该空间频谱中谱线光强度变化的频率，并对谱线光强度的傅里叶变换计算，得到微机械器件的位置和振幅。本发明的光路结构简单，无需进行对光束进行准确聚集，不需要精确的时间同步技术。能够很好地适应大规模流水线生产的产品测试要求，有广阔的市场及应用前景。

Description

一种微机械结构平面内振动的光学测量方法

技术领域

本发明属于振动测量技术领域，特别涉及一种微机械结构平面内振动的光学测量方法。

背景技术

微机电器件的检测是微机电器件生产中的重要环节，对微机电器件可动结构的振动测量又是其中的重要组成。对于微机电结构的平面内振动，目前的测量方法仍十分有限，有外差干涉法、频闪图像法、差分多普勒法等。

外差干涉法是使微机电结构反射光束与参考光束发生干涉，测量干涉条纹的变化来测量微机电结构的振动的；差分多普勒法是将两束不同入射角的光照射到微机电器件的振动结构上，测出两束反射光的多普勒效应，差分后测量出振动参数。上述两种方法都是使用光束聚集形成的微米尺寸的光学探针，因此其光学结构复杂较为复杂，进而导致此测量方法在进行之前需要进行复杂的调节，无法用于大规律的生产线测试。

频闪图像法是频闪光源照射到被测结构表面上，当频闪光源的频率与振动频率一致时，通过图像采集设备可以看到静止的图像，即可测出振动的频率，再调频闪的相位，就能测到振动的具体参数。本方法的缺点是需要精准的同步技术，设备成本较高。

使用光学探针的测量方法基于其原理必须使用相对复杂的光学系统来实现光学聚焦，而频闪法也是基于其原理必须使用较精准的同步技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种微机械结构平面内振动的光学测量方法，其特征在于，首先建立光学测量装置，该装置的结构是在光源的前面依次放置偏振片和分光棱镜，分光棱镜的上方固定傅里叶透镜，傅里叶透镜的右上方固定光电探测器；分光棱镜放置在被测微机械器件平面的正上方，或左上方或右上方，由相干平行光的放置位置而定；并在被测微机械器件上面放置光阑，移动光阑可以调节被测微机械器件平面的大小和位置。

其次使用建立光学测量装置对微机械结构平面内振动进行测量，具体测量过程是采用气体激光器作为光源，通过偏振片得到相干平行光，相干平行光经过分光棱镜照射到被测微机械器件的平面上，微机械器件的平面上的反射光线被分光棱镜透射，透射的反射光线经过具有光学傅里叶特性的傅里叶透镜后，透射的反射光线位于傅里叶透镜焦点处的谱面上，在傅里叶透镜焦点处的谱面上形成微机械器件平面的反射光线的光强分布空间频谱，通过测量该空间频谱中谱线光强度变化的频率，而测出微机械器件的平面振动频率，然后通过对谱线光强度的傅里叶变换计算，得到微机械器件的位置和振幅。

所述对谱线光强度的傅里叶变换的计算方法如下：

梳齿的空间周期

(其中f为傅里叶透镜的焦距，λ是光波长，x是一级谱线与二级谱线之间的距离)得到：一级谱线光强为

$I_1\∝{\cos }^2\left(\mathrm{\π}\frac{b}{T}\right)---\left(1\right)$

二级谱线光强为

$I_2\∝{\cos }^2\left(2\mathrm{\π}\frac{b}{T}\right)---\left(2\right)$

通过一级谱线与二级谱线两处谱线光强测量，依据式(1)和式(2)反解，可以求出振动的振动频率及即时位移b。

所述光源和偏振片放置在被测微机械器件的平面的左或右上方，并且产生的相干平行光与微机械器件的平面倾斜照射时，取消分光棱镜。

本发明的有益效果是光路结构简单，无需进行对光束进行准确聚集，不需要精确的时间同步技术。相比于现有的测量方法，具有成本低廉的优点，在测量前不需要进行繁琐的调节步骤，能够很好地适应大规模流水线生产的产品测试要求，在微机械电子器件的流水线生产中有广阔的市场及应用前景。

附图说明

图1为光学测量装置示意图。其中1：HeNe激光器，2：偏振片，3：光阑，4：被测微机械器件，5：分光棱镜，6：傅里叶透镜，7：光电探测器。

图2为光学测量装置测量原理示意图。

图3为微机械平面内振动的梳齿结构示意图，其中上半梳齿固定，下半梳齿可动。

图4在图3中虚线框部分的放大标注图。图中，a是梳齿的宽度，b是梳齿振动的即时位移，T是梳齿的空间周期。

具体实施方式

本发明提供一种微机械结构平面内振动的光学测量方法。下面结合附图予以说明。

图1所示是首先建立光学测量装置示意图，该装置的结构是在光源1的前面依次放置偏振片2和分光棱镜5，该分光棱镜5放置在被测微机械器件的平面的正上方，或左上方或右上方，由相干平行光的放置位置而定。当光源1和偏振片2放置在被测微机械器件的平面的左或右上方，并且产生的相干平行光与微机械器件的平面倾斜照射时，可以取消分光棱镜5(如图2所示)。分光棱镜5的上方固定傅里叶透镜6，傅里叶透镜6的右上方固定光电探测器7；被测微机械器件4放置在分光棱镜5的下方，并在被测微机械器件4上面放置光阑3，移动光阑3可以调节被测微机械器件4平面的大小和位置。

使用建立光学测量装置对微机械结构平面内振动进行测量，具体测量过程是采用气体激光器作为光源1，通过偏振片2得到相干平行光，相干平行光经过分光棱镜5照射到被测微机械器件的平面上，微机械器件4的平面上的反射光线被分光棱镜5透射，透射的反射光线经过具有光学傅里叶特性的傅里叶透镜6后，透射的反射光线位于傅里叶透镜焦点处的谱面上，在傅里叶透镜焦点处的谱面上形成微机械器件平面的反射光线的光强分布空间频谱，通过测量该空间频谱中谱线光强度变化的频率，而测出微机械器件的平面振动频率，然后通过对谱线光强度的傅里叶变换计算，得到微机械器件的位置和振幅。

所述对谱线光强度的傅里叶变换的计算方法如下：

梳齿的空间周期

其中f为傅里叶透镜的焦距，λ是光波长，x是一级谱线与二级谱线之间的距离(如图、2所示)，得到：一级谱线光强为

$I_1\∝{\cos }^2\left(\mathrm{\π}\frac{b}{T}\right)---\left(1\right)$

二级谱线光强为

$I_2\∝{\cos }^2\left(2\mathrm{\π}\frac{b}{T}\right)---\left(2\right)$

通过一级谱线与二级谱线两处谱线光强测量，依据式(1)和式(2)反解，可以求出振动的振动频率及即时位移b(如图3、4所示)。

Claims (3)

1.一种微机械结构平面内振动的光学测量方法，其特征在于，首先建立光学测量装置，该装置的结构是在光源的前面依次放置偏振片和分光棱镜，分光棱镜的上方固定傅里叶透镜，傅里叶透镜的右上方固定光电探测器；分光棱镜放置在被测微机械器件的平面的正上方，或左上方或右上方，由相干平行光的放置位置而定；并在被测微机械器件上面放置光阑，移动光阑可以调节被测微机械器件平面的大小和位置；

其次使用建立光学测量装置对微机械结构平面内振动进行测量，具体测量过程是采用中小功率的气体激光器或中小功率的半导体激光器作为光源，通过偏振片得到相干平行光，相干平行光经过分光棱镜照射到被测微机械器件的平面上，微机械器件平面上的反射光线被分光棱镜透射，透射的反射光线经过具有光学傅里叶特性的傅里叶透镜后，透射的反射光线位于傅里叶透镜焦点处的谱面上，在傅里叶透镜焦点处的谱面上形成微机械器件平面的反射光线的光强分布空间频谱，通过测量该空间频谱中谱线光强度变化的频率，而测出微机械器件的平面振动频率，然后通过对谱线光强度的傅里叶变换计算，得到微机械器件的位置和振幅。

2.根据权利要求1所述微机械结构平面内振动的光学测量方法，其特征在于，所述对谱线光强度的傅里叶变换的计算方法如下：

梳齿的空间周期

(其中f为傅里叶透镜的焦距，λ是光波长，x是一级谱线与二级谱线之间的距离)得到：一级谱线光强为

$I_1\∝{\cos }^2\left(\mathrm{\π}\frac{b}{T}\right)---\left(1\right)$

二级谱线光强为

$I_2\∝{\cos }^2\left(2\mathrm{\π}\frac{b}{T}\right)---\left(2\right)$

通过一级谱线与二级谱线两处谱线光强测量，依据式(1)和式(2)反解，可以求出振动的振动频率及即时位移b。

3.根据权利要求1所述微机械结构平面内振动的光学测量方法，其特征在于，所述光源和偏振片放置在被测微机械器件的平面的左或右上方，并且产生的相干平行光与微机械器件的平面倾斜照射时，取消分光棱镜。

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