CN1737492A - 多维可调光学移相装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种机电控制可以实现多维调整的光学移相装置，主要包括底座、镜座、镜座内放置的参考镜、悬臂、活动关节轴承及布置在底座上的三个相同的移相装置等。每个移相装置都由螺纹区、锁紧结构和压电陶瓷等组成。压电陶瓷固定在压电陶瓷盒内，一端通过钢球和镜座上的V型沟槽相接触。压电陶瓷盒在过渡块的滑槽内滑动。螺栓光杆区上置有锁紧结构，锁紧结构固定在底座上。每个移相装置的两边都布置两根拉伸弹簧，始终保持一定的预拉力。镜座通过左右悬臂悬挂在底座的两个凸台上，左右悬臂的下端孔内置活动关节轴承。粗调整时旋转调节螺栓，精调整时接通压电陶瓷，同时移相装置推动镜座绕悬臂转动。该装置的特点是调节范围大且精度高，既可以实现参考镜前后位移变化，又可以实现俯仰、方位等多自由度调节，并可以满足大口径参考镜使用的需要。整个装置结构紧凑，运动平滑，稍加改动还可以用于移动工作台的调整等。

Description

多维可调光学移相装置

技术领域

本发明涉及光学位相，是一种多维可调光学移相装置，特别是一种具有多维粗调整、精调整的光学移相装置。

背景技术

自上世纪70年代以来，移相干涉技术得到了长足的发展，并以其优良的测试精度广泛应用于各种现代干涉仪中，成为光学高精度计量测试的有效方法。移相装置是移相干涉仪中的主要部件，通过其位移变化实现波前相位的改变，其中位移调整误差是影响干涉仪波面复原精度的主要因素之一。压电陶瓷(电致伸缩微位移器)因为其微位移精度高、灵敏度高、响应快、易自动控制等优点而广泛使用于移相干涉装置中。

目前，常见的做法是以压电陶瓷作为微位移驱动器，推动参考反射镜做线性移动，同时微机控制光电探测器和数据采集卡对位移的干涉图光强进行采样和数据存储，最后利用移相干涉的一般原理，复原出被测相位。如图1在先技术《机电式预压力光学移相装置》[专利号：200420025463]，以PZT元件01(压电陶瓷)上的钢球011推动夹持机构02上的连杆05使得参考反射镜03和夹持机构02在圆柱型体腔08的金属圆筒07滑动，金属圆筒07的另一端固定在基座09上，PZT元件01由弹性薄壁06和紧固螺钉010进行预压，PZT元件01通电时，轴向位移改变，光学夹持机构02在基座的精密导槽04内滑动，从而实现波前相位的改变。但是该技术实现的位移有限，同时夹持机构02只可以在底座09的沟槽内进行一维线性滑动，不能进行更多自由度调整，尤其当参考反射镜03的重量较大时，仅靠一个压电陶瓷01几乎难以实现驱动。又如国内广泛使用的美国Zygo公司的Mark型干涉仪，利用两只压电陶瓷水平推动参考镜实现位移变化。同样，该仪器参考镜可调位移较小，自由度调整有限；而且如果不使用远焦扩展系统，该仪器可测孔径仅为4英寸(φ102mm)，而一旦使用远焦扩展系统，测试孔径扩展后，测量精度又会降低。

所以上述现有技术的主要缺点是参考反射镜的可移动量有限，只可进行微位移精确调整，参考反射镜可调自由度单一，且只针对重量较轻的小孔径参考反射镜设计。当参考反射镜的体积较大时，常常需要把参考反射镜部分和干涉仪总成做成分体结构。这时，多维自由度调整参考反射镜的空间位置就显得极为重要。显然，上述单一的可调自由度设计就不能够满足这样的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种机电控制的多维可调光学移相装置，该装置应可调整大口径参考反射镜的多维空间位置的移相装置，尤其是可以根据需要对参考反射镜的位置进行粗调和精调，参考反射镜的孔径可以提高到φ500mm甚至更高。

本发明解决的技术方案为：

一种机电控制的多维可调光学移相装置，其特征在于包括底座和镜座、在所述的底座和镜座之间设置有相对于底座呈三角分布的三个结构相同的移相调节装置和左右对称分布的两个悬臂结构，在所述的镜座内放置的参考反射镜。

所述的移相调节装置包括螺栓、螺栓锁紧结构和压电陶瓷，该压电陶瓷的一端通过紧固螺钉固定在压电陶瓷盒内，另一端的钢球置于所述的镜座上的V型沟槽内，所述的压电陶瓷盒放置在一固定在底座的过渡块的滑动槽内，所述的螺栓由调节轮、光杆区和螺纹区一体构成，所述的螺纹区一端抵在压电陶瓷盒的一端，光杆区被锁紧结构固定在底座上，两根拉伸弹簧分置在所述的移相装置的两侧，其一端固定在底座上，另一端固定在镜座上，使压电陶瓷顶端的钢球在镜座上的V型槽内形成活动地紧密接触。

所述的悬臂结构包括左悬臂和右悬臂，镜座通过左悬臂和右悬臂分别悬挂在底座的左凸台和右凸台上，左悬臂和右悬臂的两端都开有垂直于所述的悬臂的圆形通孔，上端圆形通孔内置圆柱销，下端圆形通孔内置活动关节轴承，该活动关节轴承内穿圆柱销，悬臂上端的圆柱销固定在左凸台和右凸台的圆型槽内，下端的圆柱销内置在镜座的开孔内。

本发明的工作原理是：

本发明的主体之一是三个移相调节装置。每个移相装置分为三个部分，压电陶瓷区、螺纹区和锁紧区。压电陶瓷放置在压电陶瓷盒内，一端通过固定在压电陶瓷盒上，另一端抵在镜座的V型槽内，整个压电陶瓷盒放置在底座的滑动槽内。旋转调节螺栓，螺纹部分旋进(出)，推动压电陶瓷盒在滑动槽内滑动，同时压电陶瓷另一端的钢球推动镜座，实现镜座位移的变化。当螺栓调节完成后，锁紧结构锁紧螺栓的光杆区，调节螺栓固定。接通压电陶瓷的控制电压，其轴线方向产生相应的位移，当调节螺栓固定时，压电陶瓷的位移完全作用在镜座上，推动镜座实现微位移变化。由于压电陶瓷和镜座是球接触，所以镜座可以绕钢球进行前后、俯仰、方位等多维变化。在每个移相调节装置的两侧，都放置有一定预拉力的弹簧，以保持移相装置和镜座紧密接触，提高了移相装置的机械响应速度。

本发明的主体之二是悬臂结构。镜座和参考反射镜通过左右两个悬臂结构悬挂在底座的凸台上。悬臂的上下端都开有圆形孔，上端孔内穿圆柱销，固定在凸台上，悬臂可以绕所述的圆柱销转动；下端孔内置活动关节轴承，关节轴承内穿圆柱销，圆柱销两端置于镜座的上的开孔内，圆柱销可以通过活动关节轴承实现多维运动。三个相同的移相调节装置布置在底座上。当三个移相装置同步推动镜座时，镜座通过悬臂绕圆柱销转动，镜座和参考反射镜可以实现前后线性位移变化；当三个移相调节装置异步推动镜座时，镜座和参考反射镜可以通过悬臂下端的活动关节轴承内的圆柱销和移相装置的球头实现俯仰、方位等多维位置变化，满足了装置的不同使用和调节需要。

本发明与先前技术相比，其显著的主要优点是：不仅可以利用压电陶瓷实现微小位移调整，同时还可以利用调节螺杆实现粗调整，调节范围大且精度高。通过移相装置的球头和活动关节轴承，可以实现参考反射镜的多自由度调整，满足了不同场合的使用要求。整个装置机械响应速度快，运动平滑。三点支撑的移相装置结构简单紧凑，可以完成较大重量的大口径参考反射镜的调节。该装置还可以改装成其他多自由度精密调节装置，如光学工作台的调整装置等。

附图说明

图1为在先的机电式预压力光学移相装置示意图

图2为本发明多维可调光学移相装置的光学移相装置结构示意图

图3为本发明多维可调光学移相装置的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理作进一步说明。

先请参阅图2和图3，图2为本发明多维可调光学移相装置的光学移相装置结构示意图，图3为本发明多维可调光学移相装置的结构示意图，由图可见，本发明的多维可调光学移相装置，包括底座10和镜座4、在所述的底座10和镜座4之间相对于底座10呈三角分布的三个结构相同的移相调节装置21、22、23和左右对称分布的两个悬臂结构，在所述的镜座4内放置的参考反射镜2。

所述的移相调节装置21包括螺栓12、螺栓锁紧结构11和压电陶瓷1三部分，该压电陶瓷1的一端通过紧固螺钉8固定在压电陶瓷盒6内，另一端的钢球3置于所述的镜座4上的V型沟槽内，所述的压电陶瓷盒6放置在一固定在底座10的过渡块7的滑动槽内，所述的螺栓12由调节轮、光杆区和螺纹区一体构成，所述的螺纹区一端抵在压电陶瓷盒6的一端，光杆区被锁紧结构11固定在底座10上，两根拉伸弹簧9、5分置在所述的移相装置的两侧，其一端固定在底座10上，另一端固定在镜座4上，使压电陶瓷1顶端的钢球3在镜座4上的V型槽内形成活动地紧密接触。

所述的悬臂结构包括左悬臂13和右悬臂14，镜座4通过左悬臂13和右悬臂14分别悬挂在底座10的左凸台19和右凸台20上，左悬臂13和右悬臂14的两端都开有垂直于所述的悬臂的圆形通孔，上端圆形通孔内置圆柱销15、16，下端圆形通孔内置活动关节轴承25、18，该活动关节轴承25、18内穿圆柱销24、17，悬臂上端的圆柱销15、16固定在左凸台19和右凸台20的圆型槽内，下端的圆柱销24、17内置在镜座4的开孔内。

旋转调节螺栓12，螺纹部分旋进(出)，推动压电陶瓷盒7在过渡块7的滑动槽内滑动，同时压电陶瓷1另一端的钢球3推动镜座4，实现镜座4位移的变化。当调节螺栓12完成粗调整后，锁紧结构11锁紧螺栓的光杆区，调节螺栓12固定。接通压电陶瓷1的控制电压(图中未示)，其轴线方向产生相应的位移(总变形量一般在几个微米)，当调节螺栓12固定时，压电陶瓷1的位移完全作用在镜座4上，推动镜座4实现位移变化，该操作可以实现精调整。由于压电陶瓷1的钢球3和镜座4是球面接触，所以镜座4可以绕钢球3进行前后、俯仰、方位等多维变化。在每个移相调节装置的两侧，都放置有一定预拉力的弹簧5和弹簧9，以保持移相装置和镜座4始终紧密接触，提高了移相操作的机械响应速度。

镜座4和参考反射镜2通过左悬臂13和右悬臂14悬挂在底座10的左凸台19和右凸台20圆形槽内。悬臂13和悬臂14的上下端都开有圆形孔，上端孔内穿圆柱销15和圆柱销16，固定在凸台19和凸台20上，悬臂13和悬臂14可以绕圆柱销15和圆柱销16转动；悬臂13和悬臂14下端的圆形孔内置活动关节轴承18和25，关节轴承18和25内穿圆柱销17和24，圆柱销17和24两端置于镜座10的上的开孔内，圆柱销17和24可以通过活动关节轴承18和25实现多维运动。当三个移相调节装置20、21和22同步推动镜座4时，悬臂13和悬臂14绕圆柱销15、16、17、24转动，镜座4和参考反射镜2可以实现前后线性位移变化，实现了波前相位的改变；当三个移相调节装置20、21和22异步推动镜座4时，镜座4和参考反射镜2可以通过悬臂13和悬臂14下端的活动关节轴承18和25内的圆柱销17和24和移相装置的球头实现俯仰、方位等多维位置变化，以满足装置的不同使用和调节需要。

整个装置既可以利用压电陶瓷1实现微小位移调整，又可以利用调节螺栓12实现粗调整，调节范围大且精度高(调节范围从几十毫米到纳米量级)。通过移相装置的球头3和活动关节轴承18和25，可以实现参考反射镜2的多自由度调整，可满足不同的使用要求。三点支撑的移相装置结构简单紧凑，机械响应速度快，运动平滑，可以完成较大重量的大口径参考反射镜的调节。该装置还可以改装成其他多自由度精密调节装置，如光学工作台的调整装置等。

Claims (1)

1、一种机电控制的多维可调光学移相装置，其特征在于包括底座(10)和镜座(4)，在所述的底座(10)和镜座(4)之间置有相对于底座(10)呈三角分布的三个结构相同的移相调节装(21、22、23)和左右对称分布的两个悬臂结构，在所述的镜座(4)内放置的参考反射镜(2)；

所述的移相调节装置(21)包括螺栓(12)、螺栓锁紧结构(11)和压电陶瓷(1)，该压电陶瓷(1)的一端通过紧固螺钉(8)固定在压电陶瓷盒(6)内，另一端的钢球(3)置于所述的镜座(4)上的V型沟槽内，所述的压电陶瓷盒(6)放置在一固定在底座(10)的过渡块(7)的滑动槽内，所述的螺栓(12)由调节轮、光杆区和螺纹区一体构成，所述的螺纹区一端抵在压电陶瓷盒(6)的一端，光杆区被锁紧结构(11)固定在底座(10)上，两根拉伸弹簧(9、5)分置在所述的移相装置的两侧，其一端固定在底座(10)上，另一端固定在镜座(4)上，使压电陶瓷(1)顶端的钢球(3)在镜座(4)上的V型槽内形成活动地紧密接触；

所述的悬臂结构包括左悬臂(13)和右悬臂(14)，镜座(4)通过左悬臂(13)和右悬臂(14)分别悬挂在底座(10)的左凸台(19)和右凸台(20)上，左悬臂(13)和右悬臂(14)的两端都开有垂直于所述的悬臂的圆形通孔，上端圆形通孔内置圆柱销(15、16)，下端圆形通孔内置活动关节轴承(25、18)，该活动关节轴承(25、18)内穿圆柱销(24、17)，悬臂上端的圆柱销(15、16)固定在左凸台(19)和右凸台(20)的圆型槽内，下端的圆柱销(24、17)内置在镜座(4)的开孔内。

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