CN1603738A - 大范围纳米检测光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明大范围纳米检测光学系统，涉及大范围纳米检测光学系统。为提供大范围纳米检测光学系统，该系统在确保高分辨率、高精度的前提下，测量范围扩大，本发明采用的技术方案是：由V型摩擦导轨、驱动马达、激光干涉系统等部分组成。其中，导轨采用V型滑动摩擦的形式，用五个聚四氟乙烯短垫支撑着导轨滑架，驱动装置为能够实现连续进给运动和匀速纳米级位移的大位移超微动连续可控式压电马达，整个系统结构布局对称，其测量线与导轨的中心线及激光干涉系统的中心线重合。本发明主要用于满足高精度位移量的测试，又可用于高精度位移传感器的检定，大规模集成电路的定位、加工和检测以及压电(铁电)陶瓷电致(磁致)伸缩的测定等。
Description
技术领域
本发明涉及纳米级精度的测量，具体讲是涉及大范围纳米检测光学系统。
背景技术
纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。纳米级精度的测量已经成为目前工业和科学发展中迫切需要解决的问题。纳米计量正在朝着高精度、高分辨率的方向发展。一般来说，一套完整的纳米位移测量系统应该由四部分组成，即探测系统、位移系统、计量系统和信号处理及控制系统。因而纳米测量技术可以说是多种技术的综合，如何将以上四种技术结合在一起构成一个完整的系统，设计出实用的纳米测量系统，是今后纳米位移测量发展的方向。在这种情况下，研制一种结构简单、造价低、装调容易、抗干扰能力强的纳米测量系统，在精密测试技术领域还是有着一定的研究价值和现实意义的。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供大范围纳米检测光学系统，该系统在确保高分辨率、高精度的前提下，将测量范围扩展到10mm，既可满足高精度位移量的测试，又可用于高精度位移传感器的检定，大规模集成电路的定位、加工和检测以及压电(铁电)陶瓷电致(磁致)伸缩的测定等。本发明采用的技术方案是，由V型摩擦导轨、驱动马达、激光干涉系统部分组成。其中，导轨采用V型滑动摩擦的形式，用五个聚四氟乙烯短垫支撑着导轨滑架，驱动装置为能够实现连续进给运动和匀速纳米级位移的大位移超微动连续可控式压电马达，此外还包括用于采集干涉信号，并用Heydemann算法对干涉信号进行误差补偿，在经过正切细分和位移计算，得出当时的位移量的测量控制系统CPU1，通过串行通讯接收测量控制系统CPU1发送信息，并控制的可控式压电马达开闭的马达控制系统CPU2，整个系统结构布局对称，其测量线与导轨的中心线及激光干涉系统的中心线重合。
其中，激光干涉系统选用经兰姆凹陷稳频的氦氖激光作为光源。
激光干涉系统采用耦合差动式干涉光路，固有光程差基本等于零，立体第2直角锥棱镜第5直角锥棱镜固定在导轨滑架两端以外，其余的光学镜片均固定在主支架上，光源发出的激光经倒置的望远系统准直扩束后到达干涉仪，其光斑直径大约为3mm，该光束由第1立体分光镜分成两束光，一路反射光经过立体第2直角锥棱镜、第3直角锥棱镜多次反射，平移一段距离后返回第1立体分光镜，形成一测量光束；另一路透射光，经平面第4反射镜反射，到达立体第5直角锥棱镜、第6直角锥棱镜，经过多次反射平移一段距离后回到第4直角棱镜，再经反射回到第1立体分光镜，形成另一路测量光束；两路光在第1立体分光镜重新汇合，形成干涉，干涉光由第7平面反射镜反射，被第8分光镜分成两部分，由PIN-FET混合集成第1光电接收器和PIN-FET混合集成第2光电接收器来接收干涉条纹信号，获得相位差为90度的两路按正弦规律变化的干涉信号。
测量控制系统CPU1是完成下列程序的测量控制系统：
采集信号数据；
生成多元线性回归矩阵；
解方程组；
计算a，G，p，q；
进行补偿；
判断极性；
查表计算。
本发明可带来如下效果：由于采用用五个聚四氟乙烯短垫支撑着导轨滑架V型摩擦导轨、耦合差动式干涉光路，因而本实用新型具有高分辨率、高精度，测量范围扩展到10mm。
附图说明
图1纳米检测光学系统结构图，并作为摘要附图
图2干涉仪光路图
图3测试结果
图4控制系统软件流程图
图5计算机细分程序流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
总体结构
纳米检测光学系统的总体结构如图1所示，大范围纳米检测光学系统，由V型摩擦导轨、驱动马达、激光干涉系统等部分组成，导轨采用V型滑动摩擦的形式，用五个聚四氟乙烯短垫支撑着导轨滑架，驱动装置为能够实现连续进给运动和匀速纳米级位移的大位移超微动连续可控式压电马达，整个系统结构布局对称，其测量线与导轨的中心线及激光干涉系统的中心线重合。
激光干涉系统采用耦合差动式干涉光路，固有光程差基本等于零，立体直角锥棱镜2、直角锥棱镜5固定在导轨滑架两端以外，其余的光学镜片均固定在主支架上。干涉仪的工作原理如图所示，氦氖激光器发出的激光经倒置的望远系统准直扩束后到达干涉仪，其光斑直径大约为3mm，该光束由立体分光镜1分成两束光，一路反射光经过立体直角锥棱镜2、直角锥棱镜3多次反射，平移一段距离后返回立体分光镜1，形成一测量光束；另一路透射光，经平面反射镜4反射，到达立体直角锥棱镜5、直角锥棱镜6，经过多次反射平移一段距离后回到直角棱镜4，再经反射回到立体分光镜1，形成另一路测量光束；两路光在立体分光镜1重新汇合，形成干涉，干涉光由平面反射镜7反射，被分光镜8分成两部分，由PIN-FET混合集成光电接收器D1、由PIN-FET混合集成光电接收器D2来接收干涉条纹信号，获得相位差为90度的两路按正弦规律变化的干涉信号。
2、激光干涉系统
①简单稳定的光源。该干涉仪选用经过稳频的氦氖激光作为光源，其波长准确度很高，经兰姆凹陷稳频的氦氖激光，其波长稳定性为5×10-10，波长准确度为2×10-8，保证了纳米级精度位移测量的实现。
②干涉系统的设计符合阿贝原则和结构变形最小原则，被测零件尺寸线与激光干涉仪基准线在同一直线上。
③简单稳定的光学布局，采用耦合差动式干涉原理，光路对称，其固有光程差基本等于零。此外，光学布局结构紧凑，采用这样的布局减少了热膨胀和空气折射率变化带来的影响。
④采用光程差倍增的方法，提高干涉仪的分辨率。从精密长度测量的观点出发，对光程差进行倍增，具有直接将长度信息变成多倍光程差的优点。用两对直角棱镜对光程差进行多次倍乘，加之对位移量进行耦合差动测量，所以干涉仪的分辨率比普通的迈克尔逊干涉仪高4倍。
图2所示为光学8倍频的耦合差动式干涉仪光路图。组成该干涉系统的光学元件，除立体直角锥棱镜2、直角锥棱镜5固定在导轨滑架两端以外，其余的光学镜片均固定在主支架上。干涉仪的工作原理如图所示，氦氖激光器发出的激光经倒置的望远系统准直扩束后到达干涉仪，其光斑直径大约为3mm，该光束由立体分光镜1分成两束光，一路反射光经过立体直角锥棱镜2、直角锥棱镜3多次反射，平移一段距离后返回立体分光镜1，形成一测量光束；另一路透射光，经平面反射镜4反射，到达立体直角锥棱镜5、直角锥棱镜6，经过多次反射平移一段距离后回到直角棱镜4，再经反射回到立体分光镜1，形成另一路测量光束；两路光在立体分光镜1重新汇合，形成干涉，干涉光由平面反射镜7反射，被分光镜8分成两部分，由PIN-FET混合集成光电接收器D1、PIN-FET混合集成光电接收器D2来接收干涉条纹信号，获得相位差为90度的两路按正弦规律变化的干涉信号。
当导轨滑架移动时，一路光程增加，另一路光程减小，从而实现差动测量；由于每路光在每对直角锥棱镜之间往返两次，因此可以产生λ/8的光学细分，即导轨滑架每移动λ/8，光电接收器输出信号就会变化一个周期，记录下信号变化的周期数N，就可以确定被测位移L。
于是使得到了这台耦合差动干涉仪测长的基本公式：
L＝N·λ0/8n
式中，n是测量条件下的空气折射率，λ0是真空中氦氖激光波长。
如果用计算机对干涉信号再进行200细分，则有：L＝N·λ0/1600n
于是可以知道该干涉仪的分辨率为λ/1600。从干涉仪的光路设计中可以看到，这台光程差倍增的耦合差动干涉仪比普通的迈克尔逊干涉仪的灵敏度高4倍，因此也就有更好的稳定性。
3、测量控制系统
以单片机为核心设计的测量控制系统，对干涉信号进行采集，误差补偿，进而实现位移计算的功能。在实际测量中，干涉信号主要存在以下三种误差：信号非正交误差、不等幅误差和直流电平漂移误差。由于这三种误差的存在影响了细分精度，所以采用Heydemann对其进行修正，这样就保证了高精度测量的实现。此外该测量控制系统还可与压电马达控制系统进行通讯，从而实现了闭环测量。
性能测试
本干涉仪的检测是通过与电容测微仪的比对进行的。可选用的是天津大学精仪学院开发的JDC-2000型高精度电容测微仪。JDC精密电容式测微仪是采用高输入阻抗放大器反馈原理的一种非接触式精密测量仪器在测量过程中不难发现，电容测微仪输出的模拟量U与位移量偏差值L呈线性关系，于是我们可以通过一元线性回归求出U与L之间的线性回归方程。求出了U与L的线性回归方程后，便可对测量数据进行精度估计，在线性方程中，也以标准误差σ来表示直接测量所得数据的精度。
通过与电容测微仪在不同的时间内进行的4次比对测试，结果如图3所示，得出本干涉测量系统的测量精度为10-12nm，这当中既包括系统误差的影响，也包括偶然误差的影响；既有干涉仪的测量误差，又有电容测微仪的测量误差。
Claims (4)
1.一种大范围纳米检测光学系统，由V型摩擦导轨、驱动马达、激光干涉系统部分组成，其特征是，导轨采用V型滑动摩擦的形式，用五个聚四氟乙烯短垫支撑着导轨滑架，驱动装置为能够实现连续进给运动和匀速纳米级位移的大位移超微动连续可控式压电马达，此外还包括用于采集干涉信号，并用Heydemann算法对干涉信号进行误差补偿，在经过正切细分和位移计算，得出当时的位移量的测量控制系统CPU1，通过串行通讯接收测量控制系统CPU1发送信息，并控制的可控式压电马达开闭的马达控制系统CPU2，整个系统结构布局对称，其测量线与导轨的中心线及激光干涉系统的中心线重合。
2.根据权利要求1所述的大范围纳米检测光学系统，其特征是，激光干涉系统选用经兰姆凹陷稳频的氦氖激光作为光源。
3.根据权利要求1所述的大范围纳米检测光学系统，其特征是，激光干涉系统采用耦合差动式干涉光路，固有光程差基本等于零，立体第2直角锥棱镜第5直角锥棱镜固定在导轨滑架两端以外，其余的光学镜片均固定在主支架上，光源发出的激光经倒置的望远系统准直扩束后到达干涉仪，其光斑直径大约为3mm，该光束由第1立体分光镜分成两束光，一路反射光经过立体第2直角锥棱镜2、第3直角锥棱镜多次反射，平移一段距离后返回第1立体分光镜，形成一测量光束；另一路透射光，经平面第4反射镜反射，到达立体第5直角锥棱镜、第6直角锥棱镜，经过多次反射平移一段距离后回到第4直角棱镜，再经反射回到第1立体分光镜，形成另一路测量光束；两路光在第1立体分光镜重新汇合，形成干涉，干涉光由第7平面反射镜反射，被第8分光镜分成两部分，由PIN-FET混合集成第1光电接收器和PIN-FET混合集成第2光电接收器来接收干涉条纹信号，获得相位差为90度的两路按正弦规律变化的干涉信号。
4.根据权利要求1所述的大范围纳米检测光学系统，其特征是，测量控制系统CPU1是完成下列程序的测量控制系统：
采集信号数据；
生成多元线性回归矩阵；
解方程组；
进行补偿；
判断极性；
查表计算。
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| CN100342211C (zh) * | 2005-08-26 | 2007-10-10 | 哈尔滨工业大学 | 双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置及其检测方法 |
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