CN109947141A - 光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，属于几何量精密测量技术领域。本发明主要由控制系统模块、光学测量模块、光电解调模块、执行机构模块组成。采用光能量及局部干涉调制的频率信息来判定位置的准确信息，所述位置信息用于微纳运动系统的运动中的姿态控制。测量信号中光能量用来保证测量信号的有效区域确定，干涉调制的频率信息用来判断测量区域内的平衡点位置，最终在控制系统模块中运算并驱动执行机构保证微纳运动系统在工作中运动姿态稳定可控。本发明能够克服通常运动系统姿态测量灵敏度低、存在测量漂移等问题，结构相对简单，利于提高运动系统的集成和便携性能，其测量效率高，分辨力好，利于提高姿态控制的实时性和准确性。

Description

光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置
技术领域
本发明涉及一种光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，属于几何量精密测量技术领域。
背景技术
微纳位移运动系统在几何量测量中承担着重要的作用，被广泛应用于几何量测量、精密制造等领域。通常在具体的应用中采用柔性结构、精密导轨等结构形式，利用高准确度的位移及姿态测量值作为反馈，共同实现精准的位置发生与控制。但由于实际使用中微位移运动系统自身结构的制造误差的存在，运动系统执行工作中其运动姿态会出现变化，最终影响测量结果的准确性，因此运动姿态的精准测量及补偿修正在运动控制和测量准确度提升等方面具有重要意义。
发明内容
为了减小微纳位移运动系统在工作中姿态变化引入的测量误差，本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置要解决的技术问题是：提高微纳位移运动系统在工作中姿态精度。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，主要由控制系统模块、光学测量模块、光电解调模块、执行机构模块组成。控制系统模块用于综合运算测量数据及执行数据，对应协调执行机构完成运动系统姿态控制；光学测量模块用于空间形位的参数测量，通过光学能量及局部干涉调制信息共同实现测量信息的转换；光电解调模块用于光学测量模块中光学信号的测量处理及转换，通过数字信号处理获得最终的控制依据；执行机构模块是完成运动系统的对应形位控制的功能部件，通过执行机构模块实现运动系统的平衡姿态保持。
本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置采用光能量及局部干涉调制的频率信息来判定位置的准确信息，所述位置信息用于微纳运动系统的运动中的姿态控制。测量信号中光能量用来保证测量信号的有效区域确定，干涉调制的频率信息用来判断测量区域内的平衡点位置，最终在控制系统模块中运算并驱动执行机构保证微纳运动系统在工作中运动姿态稳定可控。
控制系统模块主要用于微纳运动系统的姿态控制，通过光学平衡法的高分辨力的姿态测量信号输入来判断控制姿态的基础位置，综合计算完成运动系统姿态的位置控制点，控制执行机构完成运动系统的姿态与位置约束。
光学测量模块包括光学元件组成的光学测量部分，能够对相应的微纳运动系统的姿态变化通过光能量及局部干涉调制的频率信息来表征，通过设置不同频率参数值获取运动系统的姿态平衡位置的变化，为光电解调模块完成姿态平衡控制的信息获取提供光学测量结果输入。
光电解调模块主要作用是将光学信号转变为电信号，将能量信号和光干涉频率信号分离，协调组织时序关系，提供微纳运动系统平衡信号位置及偏离量值。
执行机构模块是用于执行的重要部分，采用致动器件实现微纳运动系统的姿态保持和微小调整，具有精细位移调节能力。
光学测量模块包括准直器、第一1/4波片、偏振分光棱镜、第二1/4波片、测量镜、直角反射镜、第三1/4波片、偏振片、光电转换器。
本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，光学测量模块包括准直器、第一1/4波片、偏振分光棱镜、第二1/4波片、测量镜、直角反射镜、第三1/4波片、偏振片、光电转换器；光学测量模块工作方法为：测量光经准直器进入光学测量模块，通过第一1/4波片后转换成圆偏振光，圆偏振光于偏振分光棱镜分成两束互相垂直的线偏振光，其中一束光经过直角反射镜后到达测量镜返回，测量过程中两次经过第二1/4波片偏振方向旋转90度后透射于偏振分光镜；另一束光到达参考镜反射，两次经过第三1/4波片偏振方向旋转90度后反射于偏振分光镜和第一束光共同通过偏振片形成干涉，并在光电转换器处将光信号转换为电信号。干涉信号通过光电解调模块将电信号分离成光能量信号和干涉频率信号，根据信号的时序关系最终获得微纳运动系统姿态平衡信号传输给控制系统模块。控制系统模块利用平衡信号并计算微纳运动系统的姿态平衡信号和结构的位置关系，驱动执行机构模块来完成微纳运动系统的姿态平衡控制与保持。
有益效果：
1、本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，采用的光学平衡方法控制运动系统的姿态，能够克服通常运动系统姿态测量灵敏度低、存在测量漂移等问题。
2、本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，运动姿态测量与控制采用光学平衡的方法装置结构相对简单，有利于提高运动系统的集成和便携性能。
3、本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，采用光学平衡的方法中利用频率和光强的综合确定姿态的平衡位置，测量效率高，分辨力好，有利于提高姿态控制的实时性和准确性。
4、本发明公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，能够全面提高当前的微纳运动系统姿态控制能力，能够提供运动系统姿态变化测量的精准控制信号，配合执行机构能够稳定地将运动姿态控制在光学平衡测量的控制点，具有较高的执行效率和控制准确度，该原理方法形成的装置对优化微纳运动系统本体结构有较好的实施效果，对提高运动系统整体姿态控制准确度具有重要作用。
附图说明
图1为干涉差动位移法微小力控制系统的工作原理图；
图2为本发明的光学原理示意图。
其中1—控制系统模块，2—光学测量模块，3—光电解调模块，4—执行机构模块，5—准直器，6—第一1/4波片，7—偏振分光棱镜，8—第二1/4波片，9—参考镜，10—直角平面反射镜，11—第三1/4波片，12—测量镜，13—偏振片，14—光电转换器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1、2所示，本实施例公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，由控制系统模块1、光学测量模块2、光电解调模块3、执行机构模块4组成。控制系统模块1采用嵌入式系统，通过并行总线控制，实现测量数据及任务执行，过程中协调执行机构完成姿态控制；光学测量模块2用于空间形位的参数测量，测量光源采用680nm激光，过程中通过光学能量及局部干涉调制信息共同实现测量信息的转换；光电解调模块3用于光学测量模块2中光学信号的测量处理及转换，通过数字信号处理来获得最终的控制依据；执行机构模块4是完成运动系统的对应形位控制的功能部件，设计中采用柔性铰链结构减少调整时运动的不稳定性，通过该模块实现运动系统的平衡姿态保持。
装置采用光能量及局部干涉调制的频率信息来判定位置的准确信息，该位置信息用于微纳运动系统的运动中的姿态控制。测量信号中光能量用来保证测量信号的有效区域确定，干涉调制的频率信息用来判断测量区域内的平衡点位置，最终在控制系统模块1中运算并驱动执行机构保证微纳运动系统在工作中运动姿态稳定可控。
控制系统模块1主要用于微纳运动系统的姿态控制，通过光学平衡法的高分辨力的姿态测量信号输入来判断控制姿态的基础位置，综合计算完成运动系统姿态的位置控制点，控制执行机构完成运动系统的姿态与位置约束；
光学测量模块2主要包括光学元件组成的光学测量部分，可以对相应的微纳运动系统的姿态变化通过光能量及局部干涉调制的频率信息来表征，通过设置不同频率参数值获取运动系统的姿态平衡位置的变化，为光电解调模块3完成姿态平衡控制的信息获取提供光学测量结果输入。
光电解调模块3主要作用是将光学信号转变为电信号，将能量信号和光干涉频率信号分离，过程中协调组织好时序关系，提供微纳运动系统平衡信号位置及偏离量值。
执行机构模块4是装置中用于执行的重要部分，具有精细位移调节能力，采用致动器件实现微纳运动系统的姿态保持和微小调整。
本实施例公开的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，光学测量模块2包括准直器5，第一1/4波片6，偏振分光棱镜7，第二1/4波片8，测量镜12，直角平面反射镜10，第三1/4波片11，偏振片13，光电转换器14；其工作过程为测量光经准直器5进入光学测量模块2，通过第一1/4波片6后转换成圆偏振光，于偏振分光棱镜7分成两束互相垂直的线偏振光，其中一束光经过直角平面反射镜10后到达测量镜12返回，期间两次经过第二1/4波片8偏振方向旋转90度后透射于偏振分光镜；另一束光到达参考镜9反射，期间两次经过第三1/4波片11偏振方向旋转90度后反射于偏振分光镜和第一束光共同通过偏振片13形成干涉，并在光电转换器14处将光信号转换为电信号。干涉系统角度准确度水平可以实现0.1″。干涉信号通过光电解调模块3将电信号分离成光能量信号和干涉频率信号，根据信号的时序关系最终获得微纳运动系统姿态平衡信号传输给控制系统模块1。控制系统模块1利用平衡信号并计算微纳运动系统的姿态平衡信号和结构的位置关系，驱动执行机构模块4来完成微纳运动系统的姿态平衡控制与保持。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，其特征在于：主要由控制系统模块(1)、光学测量模块(2)、光电解调模块(3)、执行机构模块(4)组成；控制系统模块(1)用于综合运算测量数据及执行数据，对应协调执行机构完成运动系统姿态控制；光学测量模块(2)用于空间形位的参数测量，通过光学能量及局部干涉调制信息共同实现测量信息的转换；光电解调模块(3)用于光学测量模块(2)中光学信号的测量处理及转换，通过数字信号处理获得最终的控制依据；执行机构模块(4)是完成运动系统的对应形位控制的功能部件，通过执行机构模块(4)实现运动系统的平衡姿态保持。
2.如权利要求1所述的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，其特征在于：采用光能量及局部干涉调制的频率信息来判定位置的准确信息，所述位置信息用于微纳运动系统的运动中的姿态控制；测量信号中光能量用来保证测量信号的有效区域确定，干涉调制的频率信息用来判断测量区域内的平衡点位置，最终在控制系统模块(1)中运算并驱动执行机构保证微纳运动系统在工作中运动姿态稳定可控。
3.如权利要求1或2所述的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，其特征在于：光学测量模块(2)包括光学元件组成的光学测量部分，能够对相应的微纳运动系统的姿态变化通过光能量及局部干涉调制的频率信息来表征，通过设置不同频率参数值获取运动系统的姿态平衡位置的变化，为光电解调模块(3)完成姿态平衡控制的信息获取提供光学测量结果输入。
4.如权利要求1或2所述的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，其特征在于：光电解调模块(3)主要作用是将光学信号转变为电信号，将能量信号和光干涉频率信号分离，协调组织时序关系，提供微纳运动系统平衡信号位置及偏离量值。
5.如权利要求1或2所述的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，其特征在于：执行机构模块(4)是用于执行的重要部分，采用致动器件实现微纳运动系统的姿态保持和微小调整，具有精细位移调节能力。
6.如权利要求1或2所述的光学平衡法微纳运动系统姿态控制装置，其特征在于：光学测量模块(2)包括准直器(5)、第一1/4波片(6)、偏振分光棱镜(7)、第二1/4波片(8)、测量镜(12)、直角反射镜、第三1/4波片(11)、偏振片(13)、光电转换器(14)；光学测量模块(2)工作方法为，测量光经准直器(5)进入光学测量模块(2)，通过第一1/4波片(6)后转换成圆偏振光，圆偏振光于偏振分光棱镜(7)分成两束互相垂直的线偏振光，其中一束光经过直角反射镜后到达测量镜(12)返回，测量过程中两次经过第二1/4波片(8)偏振方向旋转90度后透射于偏振分光镜；另一束光到达参考镜(9)反射，两次经过第三1/4波片(11)偏振方向旋转90度后反射于偏振分光镜和第一束光共同通过偏振片(13)形成干涉，并在光电转换器(14)处将光信号转换为电信号；干涉信号通过光电解调模块(3)将电信号分离成光能量信号和干涉频率信号，根据信号的时序关系最终获得微纳运动系统姿态平衡信号传输给控制系统模块(1)；控制系统模块(1)利用平衡信号并计算微纳运动系统的姿态平衡信号和结构的位置关系，驱动执行机构模块(4)来完成微纳运动系统的姿态平衡控制与保持。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111384655A (zh) * 2020-03-25 2020-07-07 龙天洋 一种自反馈式高稳定性激光脉冲压缩器
CN111623821A (zh) * 2020-05-15 2020-09-04 天津时空经纬测控技术有限公司 隧道钻孔方向的检测、偏差检测、钻孔位置确定的方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5764363A (en) * 1995-06-30 1998-06-09 Nikon Corporation Apparatus for observing a surface using polarized light
US20030030817A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-13 Chih-Kung Lee Multifunctional opto-electronic biochip detection system
CN101793596A (zh) * 2010-02-01 2010-08-04 四川大学 微纳光学元件光学参数测量方法与装置
CN102230825A (zh) * 2011-03-07 2011-11-02 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种应用相位偏移干涉技术的姿态修正系统
CN106482886A (zh) * 2016-12-19 2017-03-08 天津大学 基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法
CN108286936A (zh) * 2017-04-18 2018-07-17 北京理工大学 激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置
CN108562241A (zh) * 2018-03-08 2018-09-21 复旦大学 基于光纤束的数字全息柔性测量的装置与方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5764363A (en) * 1995-06-30 1998-06-09 Nikon Corporation Apparatus for observing a surface using polarized light
US20030030817A1 (en) * 2001-08-10 2003-02-13 Chih-Kung Lee Multifunctional opto-electronic biochip detection system
CN101793596A (zh) * 2010-02-01 2010-08-04 四川大学 微纳光学元件光学参数测量方法与装置
CN102230825A (zh) * 2011-03-07 2011-11-02 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 一种应用相位偏移干涉技术的姿态修正系统
CN106482886A (zh) * 2016-12-19 2017-03-08 天津大学 基于自重平衡铰链的微力溯源装置和方法
CN108286936A (zh) * 2017-04-18 2018-07-17 北京理工大学 激光微纳加工差动共焦在线监测一体化方法与装置
CN108562241A (zh) * 2018-03-08 2018-09-21 复旦大学 基于光纤束的数字全息柔性测量的装置与方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王霁等: "一种应用于纳米测量机的高精度干涉仪", 《微纳电子技术》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111384655A (zh) * 2020-03-25 2020-07-07 龙天洋 一种自反馈式高稳定性激光脉冲压缩器
CN111384655B (zh) * 2020-03-25 2023-03-14 龙天洋 一种自反馈式高稳定性激光脉冲压缩器
CN111623821A (zh) * 2020-05-15 2020-09-04 天津时空经纬测控技术有限公司 隧道钻孔方向的检测、偏差检测、钻孔位置确定的方法

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