CN109579708A - 基于光学劈尖干涉的纳米分辨率位移测量装置 - Google Patents

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王子轩
王晶
杨钢
陈春霖
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Abstract

基于光学劈尖干涉的纳米分辨率位移测量装置，包括为测量装置提供稳定的单色相干光源的激光器，激光器的输出激光以45度角对准分光装置的分光面，输出激光经的分光装置分成位于分光面两侧的第一光路和第二光路，第一光路与第二光路均垂直于的输出激光，第一光路对准劈尖干涉装置的玻璃劈尖；劈尖干涉装置的玻璃劈尖连接被测物体，待测物体放置在一个通过电压的变化来控制位移量的变化的位移平台上，位移平台连接稳压电源；第一光路的激光通过劈尖干涉装置在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过分光装置、第二光路传送至光学成像系统从而获得完整的激光干涉图像；光学成像系统的输出端连接数据处理系统。

Description

基于光学劈尖干涉的纳米分辨率位移测量装置
技术领域
本发明涉及一种针对纳米级的的位移进行实时、精确测量的装置。
背景技术
随着科学技术向纳米尺度发展，低成本、方便实用的纳米级位移测量和校准器面临广泛需求同时纳米测量技术也是解决目前和未来许多高精度、高分辨率问题的先决条件之一。目前纳米级线位移常用测量仪器如以下几种：(1)光栅线位移传感器，分辨率为1nm，测量范围为500mm；(2)激光干涉仪，分辨率为0.1至10nm，测量范围大于1m；(3)电容传感器，分辨率为纳米级，测量范围为几十至几百微米。从上述几种测量仪器测量范围和分辨率可知，这三种仪器皆可满足纳米级位移测量的要求，但上述的几种测量仪器都存在结构复杂且价格昂贵的缺点，这对于一些仅仅寻求少数测量或短期测量的需求时是无法满足需求的。并且它们结构对于外界环境的影响十分敏感，不适合在一般实验环境下实现纳米级位移量的测量和校准。因此新型的可以克服上述存在的局限的大量程纳米测量技术变得至关重要。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种实时的纳米级位移测量装置，来对纳米级位移量的实时高精度测量。
本发明的基于光学劈尖干涉的纳米分辨率位移测量装置，其特征在于：包括为测量装置提供稳定的单色相干光源的激光器1，激光器1的输出激光以45度角对准分光装置4的分光面，所述的输出激光经所述的分光装置4分成位于分光面两侧的第一光路41和第二光路42，第一光路41与第二光路42均垂直于所述的输出激光，第一光路41对准劈尖干涉装置的玻璃劈尖；
劈尖干涉装置2的玻璃劈尖连接被测物体3，待测物体3放置在一个通过电压的变化来控制位移量的变化的位移平台上，位移平台连接稳压电源；
第一光路41的激光通过劈尖干涉装置在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过分光装置4、第二光路42传送至光学成像系统5从而获得完整的激光干涉图像；光学成像系统5的输出端连接数据处理系统6；数据处理系统6根据微位移测量模型计算被侧物体的微量位移，所述的微位移测量模型具体是：
其中，Iinter为干涉强度，IR1为反射光的光强，λ为入射光波长，n为介质折射率，dk为第k级干涉条纹对应位置介质上下界面之间的厚度，L为玻璃劈尖长度，Δl为介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离。
通过测得其干涉光谱中干涉条纹的信息(干涉强度Iinter、反射光光强IR1与介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离Δl)，确定介质的折射率n就完全确定了微位移测量模型，便可通过干涉条纹的宽度由几何关系计算出dk，从而确定微位移量。
本发明包括光路部分和微位移测量部分，由激光器为测量装置提供稳定的单色相干光源，激光通过玻璃劈尖在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过分光镜传送至光学成像系统从而获得完整的激光干涉图像。由稳压电压源为位移平台提供稳定的电压，通过电压的变化来控制位移平台位移量的变化，当位移量发生变化时，被测的微小位移通过机械结构造成劈尖干涉装置的劈尖角度发生变化，从而改变激光干涉图样的空间周期长度，成像系统和数据处理系统提取出这一长度信息，并计算得到被测位移。其装置图如下图所示：
劈尖干涉原理如下：根据等厚干涉原理可知，当用单色平行光垂直照射玻璃劈尖时，由于单色光在劈尖上下两个表面会分别产生两束反射光，这两束反射光会在玻璃劈尖的上表面产生干涉，且干涉强度为：
其中IR1和IR2分别为两束反射光的光强，δ为反射光经过介质后反射光之间的光程差，λ为入射光波长。若IR1＝IR2，则(1)式便可简化为：
其中光程差δ＝2ndk+λ/2，n为介质折射率，dk为第k级干涉条纹对应位置介质上下界面之间的厚度。固定一端不动，若被测物体产生位移则L处介质厚度发生变化，则介质上表面第k级干涉条纹将向前移动Δl。
θ是玻璃劈尖的倾斜角度，由几何关系可知，当θ很小时有：
因此，若测得其干涉光谱中干涉条纹的信息，确定介质的折射率n就完全确定了微位移测量模型，便可通过干涉条纹的宽度计算出dk，从而确定微位移量Δd。
本发明的有益效果是：本发明提供一种实时的纳米级位移测量装置，来实现对纳米级位移量的实时高精度测量。这种低成本、方便实用的纳米级位移测量装置将对高精度位移测量产生重要的作用。
附图说明：
图1是本发明的装置结构示意图。
图2a是本发明的劈尖干涉装置的玻璃劈尖的反射光路示意图。
图2b是本发明的被侧物体的微位移量的计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明的基于光学劈尖干涉的纳米分辨率位移测量装置，其特征在于：包括为测量装置提供稳定的单色相干光源的激光器1，激光器1的输出激光以45度角对准分光装置4的分光面，所述的输出激光经所述的分光装置4分成位于分光面两侧的第一光路41和第二光路42，第一光路41与第二光路42均垂直于所述的输出激光，第一光路41对准劈尖干涉装置的玻璃劈尖；
劈尖干涉装置2的玻璃劈尖连接被测物体3，待测物体3放置在一个通过电压的变化来控制位移量的变化的位移平台上，位移平台连接稳压电源；
第一光路41的激光通过劈尖干涉装置在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过分光装置4、第二光路42传送至光学成像系统5从而获得完整的激光干涉图像；光学成像系统5的输出端连接数据处理系统6；数据处理系统6根据微位移测量模型计算被侧物体的微量位移，所述的微位移测量模型具体是：
其中，Iinter为干涉强度，IR1为反射光的光强，λ为入射光波长，n为介质折射率，dk为第k级干涉条纹对应位置介质上下界面之间的厚度，L为玻璃劈尖长度，Δl为介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离。
通过测得其干涉光谱中干涉条纹的信息(干涉强度Iinter、反射光光强IR1与介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离)，确定介质的折射率n就完全确定了微位移测量模型，便可通过干涉条纹的宽度由几何关系计算出，从而确定微位移量。如图2b所示。
本发明提出了一种实时的纳米级位移测量装置，其具体的实施方式如下：微位移测量系统主要包括两部分即光路部分和微位移测量部分，其中光路部分主要包括激光器、分光装置和成像测量系统，光路部分由激光器为测量部分提供稳定的单双色相干光源，激光通过分光装置在测量部分中形成干涉条纹，最后由成像测量系统获得完整的激光干涉图像。微位移测量部分包括劈尖干涉装置、成像系统和数据处理系统。被测的微小位移通过机械结构造成劈尖干涉装置的劈尖角度发生变化，从而改变激光干涉图样的空间周期长度，成像系统和数据处理系统提取出这一长度信息，并计算得到被测位移。本发明为一种针对纳米级位移量进行实时高精度测量的装置。这种低成本、方便实用的纳米级位移测量装置将对高精度位移测量产生重要的作用。

Claims (1)

1.基于光学劈尖干涉的纳米分辨率位移测量装置，其特征在于：包括为测量装置提供稳定的单色相干光源的激光器(1)，激光器(1)的输出激光以45度角对准分光装置(4)的分光面，所述的输出激光经所述的分光装置(4)分成位于分光面两侧的第一光路(41)和第二光路(42)，第一光路(41)与第二光路(42)均垂直于所述的输出激光，第一光路(41)对准劈尖干涉装置的玻璃劈尖；
劈尖干涉装置(2)的玻璃劈尖连接被测物体(3)，待测物体(3)放置在一个通过电压的变化来控制位移量的变化的位移平台上，位移平台连接稳压电源；
第一光路(41)的激光通过劈尖干涉装置在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过分光装置(4)、第二光路(42)传送至光学成像系统(5)从而获得完整的激光干涉图像；光学成像系统(5)的输出端连接数据处理系统(6)；数据处理系统(6)根据微位移测量模型计算被侧物体的微量位移，所述的微位移测量模型具体是：
其中，Iinter为干涉强度，IR1为反射光的光强，λ为入射光波长，n为介质折射率，dk为第k级干涉条纹对应位置介质上下界面之间的厚度，L为玻璃劈尖长度，Δl为介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离；通过测得干涉强度Iinter、反射光光强IR1与介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离，确定介质的折射率n从而确定了微位移测量模型，便可通过干涉条纹的宽度由几何关系计算出，从而确定微位移量。
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