多自由度测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种纳米级精度的多自由度测量系统，将微型迈克尔逊干涉仪、自准直仪、自动恒功率电路及波长补偿系统整合在一起，作为一整体测量系统来感测测量反射镜的位移和二维角度，自动恒功率电路可以保证多自由度测量系统在较大温度范围内使用，且通过自动恒功率电路及波长补偿系统对激光器波长值进行实时修正，保证了测量的准确性。本发明采用激光二极管作为光源的设计，不仅使系统具有结构简单、低成本、高精度的特点，而且整体尺寸大大缩小，适于作为短行程纳米级精度定位平台的传感器系统。
【专利说明】多自由度测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微纳米测量系统领域，具体是一种多自由度测量系统。
【背景技术】
[0002] 近年来，微机电系统（MEMS)技术得到了快速发展，大量的微机电系统相继出现， 如微型涡轮、微型针阵列、齿轮驱动的微型马达、压电马达、微透镜、LIGA产品和燃油喷油嘴 等。很多高科技产品领用微机电系统体积小、功能强的特点，利用先进的纳米制造工艺，使 得产品小型化、精密化的趋势越发明显。这些器件的几何特征尺寸介于几个微米到几个毫 米之间，为了保证MEMS器件的加工质量，我们就应该由比MEMS器件更精密的检测技术和手 段来确定器件制作的是否合格，所以在此形势下，纳米级精度的三坐标测量机便应用而生。
[0003] 三坐标测量机的传感器系统是其最重要的部分，线性运动平台在运动的过程中会 伴随六个自由度误差（三个线性误差三个角度误差），其中角度误差又会因为阿贝臂的存 在而被放大，对机台的定位、零部件加工等的精度影响非常显著。为了改善机台精度，不仅 需要高精度的位移测量，而且要做到实时测量机台的角度误差并对其进行补偿。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种多自由度测量系统，以达到结构简单、尺寸小、低成本及 高精度的目的。
[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0006] 多自由度测量系统，其特征在于：包括微型迈克尔逊干涉仪部分、波长补偿部分、 自动恒功率部分、自准直仪部分，其中 ：
[0007] 所述微型迈克尔逊干涉仪包括半导体激光器，半导体激光器前方激光出射光路上 设置有第一分光镜，第一分光镜左侧镜面处紧贴设置有第一 1/4波片，第一分光镜前侧镜 面处紧设置有第二1/4波片，第一分光镜右侧设置有第二分光镜，且第一、第二分光镜之间 设置有第三1/4波片，第二分光镜右侧紧贴设置有第三分光镜，第二分光镜后侧紧贴设置 有第四分光镜，所述第三分光镜的前侧镜面处紧贴设置有第一光电感测器，第三分光镜的 右侧镜面处紧贴设置有第二光电感测器，所述第四分光镜的右侧镜面处紧贴设置有第三光 电感测器，第四分光镜的后侧镜面处紧贴设置有第四光电感测器，所述第一分光镜左侧间 隔一定距离设置有第五分光镜，第五分光镜正后方设置有参考反射镜，第一分光镜前方设 置有第六分光镜，第六分光镜前方设置有测量反射镜；半导体激光器发射出的准直光经过 第一分光镜后分成被第一分光镜反射和透射的两路准直光，其中一路由第一分光镜反射的 准直光依次经过第一 1/4波片、部分被第五分光镜反射后入射至参考反射镜，经过参考反 射镜反射后再被第五分光镜反射并沿原路返回至第一分光镜，另一路由第一分光镜透射的 准直光依次经过第二1/4波片、部分透射过第六分光镜后入射至测量反射镜，经过测量反 射镜反射后再部分透射过第六分光镜并沿原路返回至第一分光镜，参考反射镜返回的光束 经过第一分光镜透射后、测量反射镜返回的光束经过第一分光镜反射后再分别经过第三 1/4波片并入射至第二分光镜，部分返回光束被第二分光镜透射至第三分光镜，经第三分光 镜反射、透射后分别入射至第一光电感测器、第二光电感测器，其余部分返回光束被第二分 光镜反射至第四分光镜，经第四分光镜反射、透射后分别入射至第三光电感测器、第四光电 感测器；
[0008] 所述波长补偿部分包括间隔一定距离设置在第五分光镜左侧的透射式光栅，透射 式光栅左前方设置有转折光路反射镜，转折光路反射镜前方依次设置有第一聚焦透镜、第 一四象限光电探测器；半导体激光器出射的由第一分光镜反射的准直光依次经过第一 1/4 波片、部分透射过第五分光镜后入射至透射式光栅，经过透射式光栅形成的一级衍射光经 过转折光路反射镜转折反射后，再经过第一聚焦透镜入射至第一四象限光电探测器；
[0009] 所述自动恒功率部分包括间隔一定距离设置在透射式光栅左侧的第五光电探测 器，经过透射式光栅形成的零级光栅入射至第五光电探测器；
[0010] 所述自准直仪部分包括间隔一定距离设置在第六分光镜右侧的第二聚焦透镜，第 二聚焦透镜右侧间隔一定距离设置有第二四象限光电探测器；测量反射镜返回的光束被第 六分光镜部分反射至第二聚焦透镜，经过第二聚焦透镜后入射至第二四象限光电探测器。 [0011] 所述的多自由度测量系统，其特征在于：设置可以进行左右偏摆角和前后俯仰角 调节的第一参考反射镜微调座、第二转折反射镜微调座及第三分光镜微调座，所述参考反 射镜、转折光路反射镜及第六分光镜分别固定设置在第一参考反射镜微调座、第二转折反 射镜微调座及第三分光镜微调座上，调节所述第一参考反射镜微调座，以使参考反射镜的 反射光束和测量反射镜的反射光束分别在第一光电感测器，第二光电感测器、第三光电感 测器和第四光电感测器上重合；调节所述第二转折反射镜微调座使经过第五分光镜分出的 部分光通过投射光栅、转折光路反射镜及第一聚焦透镜照射在第一四象限光电探测器上； 调节所述第三分光镜微调座使测量反射镜的部分反射光依次经第六分光镜、第二聚焦透镜 照射在第二四象限光电探测器的中心位置处。
[0012] 所述的多自由度测量系统，其特征在于：半导体激光器、透射光栅及第五光电探测 器由固定底座固定，第一分光镜、第一 1/4波片、第二1/4波片、第三1/4波片、第二分光镜、 第三分光镜和第四分光镜由夹具所夹持，第五分光镜由C型固定座固定，第一聚焦透镜、第 一四象限光电探测器及第二聚焦透镜、第二四象限光电探测器都由U型固定座固定，参考 反射镜、转折光路反射镜及第六分光镜分别由第一参考反射镜微调座、第二转折反射镜微 调座及第三分光镜微调座固定并进行调节。
[0013] 本发明将迈克尔逊干涉仪、自动视准仪、自动恒功率电路及激光波长实时补偿系 统结合，构造为一个高精度多自由度测量系统，其设计的准则为：在准确测量精密平台单轴 移动位移的同时又可以实现实时测量平台移动时角度的俯仰及偏摆量，对激光器的自动恒 功率及波长补偿则使位移测量系统具备高精度的特征，而且克服了现在激光干涉仪价格昂 贵、体积大的缺点，真正实现了高精度测量系统的低成本、小型化。
[0014] 与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
[0015] 1、本发明的多自由度测量系统可以同时感测测量反射镜的位移和二维角度，三自 由度的光学传感器是采用同一半导体激光器光源，光路结构简单精巧。
[0016] 2、本发明多自由度测量系统中二维角度传感器可调节范围很小，通过一二维微调 座使得聚焦后的光点很好的照射在角度传感器中心位置。
[0017] 3、本发明的多自由度测量系统具有高分辨力、高精度及很好的波长稳定性，目前 可以达到的技术效果是：微型迈克尔逊激光干涉仪分辨力：1纳米，自准直仪分辨力：〇. 01 角秒；重复性：小于20纳米；波长稳定性：10-6。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明光路结构图。
[0019] 图2为本发明系统整体装配图。
【具体实施方式】
[0020] 参见图1所示，多自由度测量系统，包括微型迈克尔逊干涉仪部分、波长补偿部 分、自动恒功率部分、自准直仪部分，其中 ：
[0021] 微型迈克尔逊干涉仪用于感测测量反射镜23的位移和二维角度，通过感测位移 引起0-90-180-270度不同相位的干涉信号的光强变化，测得测量反射镜23的位移值，包括 半导体激光器1，半导体激光器1前方激光出射光路上设置有第一分光镜2,第一分光镜2 左侧镜面处紧贴设置有第一 1/4波片3,第一分光镜2前侧镜面处紧设置有第二1/4波片 4,第一分光镜2右侧设置有第二分光镜6,且第一、第二分光镜2、6之间设置有第三1/4波 片5,第二分光镜6右侧紧贴设置有第三分光镜7,第二分光镜6后侧紧贴设置有第四分光 镜8,第三分光镜7的前侧镜面处紧贴设置有第一光电感测器9,第三分光镜7的右侧镜面 处紧贴设置有第二光电感测器10,第四分光镜8的右侧镜面处紧贴设置有第三光电感测器 11，第四分光镜8的后侧镜面处紧贴设置有第四光电感测器12,第一分光镜2左侧间隔一定 距离设置有第五分光镜13,第五分光镜13正后方设置有参考反射镜14,第一分光镜2前方 设置有第六分光镜20,第六分光镜20前方设置有测量反射镜23 ;半导体激光器1发射出的 准直光经过第一分光镜2后分成被第一分光镜2反射和透射的两路准直光，其中一路由第 一分光镜2反射的准直光依次经过第一 1/4波片3、部分被第五分光镜13反射后入射至参 考反射镜14,经过参考反射镜14反射后再被第五分光镜13反射并沿原路返回至第一分光 镜2,另一路由第一分光镜2透射的准直光依次经过第二1/4波片4、部分透射过第六分光 镜20后入射至测量反射镜23,经过测量反射镜23反射后再部分透射过第六分光镜20并沿 原路返回至第一分光镜2,参考反射镜14返回的光束经过第一分光镜2透射后、测量反射 镜23返回的光束经过第一分光镜2反射后再分别经过第三1/4波片5并入射至第二分光 镜6,部分返回光束被第二分光镜6透射至第三分光镜7,经第三分光镜7反射、透射后分别 入射至第一光电感测器9、第二光电感测器10,其余部分返回光束被第二分光镜6反射至第 四分光镜8,经第四分光镜8反射、透射后分别入射至第三光电感测器11、第四光电感测器 12 ；
[0022] 波长补偿部分用于感测由于波长变化导致的激光束通过透射光栅15后的一级衍 射光角度变化，波长引起的微小角度变化会使聚焦在第一四象限光电探测器19上的光点 发生相应的变化，从而通过感测到的角度变化反推出波长的变化，包括间隔一定距离设置 在第五分光镜13左侧的透射式光栅15,透射式光栅15左前方设置有转折光路反射镜17， 转折光路反射镜17前方依次设置有第一聚焦透镜18、第一四象限光电探测器19 ;半导体激 光器1出射的由第一分光镜2反射的准直光依次经过第一 1/4波片3、部分透射过第五分光 镜13后入射至透射式光栅15,经过透射式光栅15形成的一级衍射光经过转折光路反射镜 17转折反射后，再经过第一聚焦透镜18入射至第一四象限光电探测器19 ;
[0023] 自动恒功率部分用于感测半导体激光器1光强的变化，当激光器光强变化时，第 五光电探测器的输出电流也会相应变化，从而通过自动恒功率电路对半导体激光器1进行 调节，包括间隔一定距离设置在透射式光栅15左侧的第五光电探测器16,经过透射式光栅 15形成的零级光栅入射至第五光电探测器16 ;
[0024] 自准直仪部分用于感测测量反射镜23沿XY方向的二维角度值，当测量反射镜23 有小角度变化时，聚焦在第二四象限光电探测器22上的光点会发生相应的变化，从而感测 沿X轴和Y轴旋转的两个小角度，包括间隔一定距离设置在第六分光镜20右侧的第二聚焦 透镜21，第二聚焦透镜21右侧间隔一定距离设置有第二四象限光电探测器22 ;测量反射镜 23返回的光束被第六分光镜20部分反射至第二聚焦透镜21，经过第二聚焦透镜21后入射 至第二四象限光电探测器22。
[0025] 具体实施中，设置可以进行左右偏摆角和前后俯仰角调节的第一参考反射镜微调 座24、第二转折反射镜微调座25及第三分光镜微调座26,所述参考反射镜14、转折光路反 射镜17及第六分光镜20分别固定设置在第一参考反射镜微调座24、第二转折反射镜微调 座25及第三分光镜微调座26上，调节所述第一参考反射镜微调座24,以使参考反射镜14 的反射光束和测量反射镜23的反射光束分别在第一光电感测器9,第二光电感测器10、第 三光电感测器11和第四光电感测器12上重合，形成干涉，并记录测量反射镜23的位移值； 调节所述第二转折反射镜微调座25使经过第五分光镜13分出的部分光通过投射光栅15、 转折光路反射镜17及第一聚焦透镜18照射在第一四象限光电探测器19上，以使光点可以 落在第一四象限光电探测器19的中心位置；调节所述第三分光镜微调座26使测量反射镜 23的部分反射光依次经第六分光镜20、第二聚焦透镜21照射在第二四象限光电探测器22 的中心位置处，以保证初始位置位移的二维角度传感器XY值可以落在零点。
[0026] 参见图2,本实施例中的测量单元中各光学器件的装夹固定设置为：半导体激光 器1、透射光栅15及第五光电探测器16由固定底座固定，第一分光镜2、第一 1/4波片3、 第二1/4波片4、第三1/4波片5、第二分光镜6、第三分光镜7和第四分光镜8由夹具所夹 持，第五分光镜13由〃C"型固定座固定，第一聚焦透镜18、第一四象限光电探测器19及第 二聚焦透镜21、第二四象限光电探测器22都由〃U"型固定座固定，参考反射镜14、转折光 路反射镜17及第六分光镜20分别由第一参考反射镜微调座24、第二转折反射镜微调座25 及第三分光镜微调座26固定并进行调节。
[0027] 本发明中的多自由度测量系统，突破了常规的激光干涉仪体积庞大、价格昂贵及 无法实现位移角度同时测量的限制，测量精度较高，重复性标准差均小于20nm ;采用廉价 但体积微小的半导体激光器作为光源，自动恒功率电路可以保证多自由度测量系统在较 大温度范围，且经过自动恒功率调节电路和波长补偿系统后可以使波长的稳定性可达到 10-6，，使位移测量值更加精确可信。以下使实验获得相关的实验数据：
[0028] 1、自动恒功率电路控制实验：
[0029] 此实验是检验自动恒功率电路在环境温度变化较大时对波长稳定性影响的实验。 方法是：搭建一维微动平台，将多自由度测量系统和商用SI0S激光干涉仪分别放置在微 动平台两侧，分别对多自由度测量系统、商用SI0S激光干涉仪的光轴与微动平台运动轴进 行准直，驱动运动平台运动平台运动，两侧同时读取位移值，先假定多自由度测量系统波长 值，通过不断的位移比对后即可得到即时准确的波长值，然后变化环境温度，在不同温度值 下分别进行实验，得到不同温度下的波长值。通过处理后得到实验数据如表1所示：
[0030] 表1自动恒功率电路控制实验数据
[0031]
【权利要求】
1. 多自由度测量系统，其特征在于：包括微型迈克尔逊干涉仪部分、波长补偿部分、自 动恒功率电路部分、自准直仪部分，其中： 所述微型迈克尔逊干涉仪包括半导体激光器，半导体激光器前方激光出射光路上设置 有第一分光镜，第一分光镜左侧镜面处紧贴设置有第一 1/4波片，第一分光镜前侧镜面处 紧设置有第二1/4波片，第一分光镜右侧设置有第二分光镜，且第一、第二分光镜之间设置 有第三1/4波片，第二分光镜右侧紧贴设置有第三分光镜，第二分光镜后侧紧贴设置有第 四分光镜，所述第三分光镜的前侧镜面处紧贴设置有第一光电感测器，第三分光镜的右侧 镜面处紧贴设置有第二光电感测器，所述第四分光镜的右侧镜面处紧贴设置有第三光电感 测器，第四分光镜的后侧镜面处紧贴设置有第四光电感测器，所述第一分光镜左侧间隔一 定距离设置有第五分光镜，第五分光镜正后方设置有参考反射镜，第一分光镜前方设置有 第六分光镜，第六分光镜前方设置有测量反射镜；半导体激光器发射出的准直光经过第一 分光镜后分成被第一分光镜反射和透射的两路准直光，其中一路由第一分光镜反射的准直 光依次经过第一 1/4波片、部分被第五分光镜反射后入射至参考反射镜，经过参考反射镜 反射后再被第五分光镜反射并沿原路返回至第一分光镜，另一路由第一分光镜透射的准直 光依次经过第二1/4波片、部分透射过第六分光镜后入射至测量反射镜，经过测量反射镜 反射后再部分透射过第六分光镜并沿原路返回至第一分光镜，参考反射镜返回的光束经过 第一分光镜透射后、测量反射镜返回的光束经过第一分光镜反射后再分别经过第三1/4波 片并入射至第二分光镜，部分返回光束被第二分光镜透射至第三分光镜，经第三分光镜反 射、透射后分别入射至第一光电感测器、第二光电感测器，其余部分返回光束被第二分光镜 反射至第四分光镜，经第四分光镜反射、透射后分别入射至第三光电感测器、第四光电感测 器； 所述波长补偿部分包括间隔一定距离设置在第五分光镜左侧的透射式光栅，透射式光 栅左前方设置有转折光路反射镜，转折光路反射镜前方依次设置有第一聚焦透镜、第一四 象限光电探测器；半导体激光器出射的由第一分光镜反射的准直光依次经过第一 1/4波 片、部分透射过第五分光镜后入射至透射式光栅，经过透射式光栅形成的一级衍射光经过 转折光路反射镜转折反射后，再经过第一聚焦透镜入射至第一四象限光电探测器； 所述自动恒功率部分包括间隔一定距离设置在透射式光栅左侧的第五光电探测器，经 过透射式光栅形成的零级光栅入射至第五光电探测器； 所述自准直仪部分包括间隔一定距离设置在第六分光镜右侧的第二聚焦透镜，第二聚 焦透镜右侧间隔一定距离设置有第二四象限光电探测器；测量反射镜返回的光束被第六分 光镜部分反射至第二聚焦透镜，经过第二聚焦透镜后入射至第二四象限光电探测器。
2. 根据权利要求1所述的多自由度测量系统，其特征在于：设置可以进行左右偏摆角 和前后俯仰角调节的第一参考反射镜微调座、第二转折反射镜微调座及第三分光镜微调 座，所述参考反射镜、转折光路反射镜及第六分光镜分别固定设置在第一参考反射镜微调 座、第二转折反射镜微调座及第三分光镜微调座上，调节所述第一参考反射镜微调座，以使 参考反射镜的反射光束和测量反射镜的反射光束分别在第一光电感测器，第二光电感测 器、第三光电感测器和第四光电感测器上重合；调节所述第二转折反射镜微调座使经过第 五分光镜分出的部分光通过投射光栅、转折光路反射镜及第一聚焦透镜照射在第一四象限 光电探测器上；调节所述第三分光镜微调座使测量反射镜的部分反射光依次经第六分光 镜、第二聚焦透镜照射在第二四象限光电探测器的中心位置处。
3.根据权利要求1所述的多自由度测量系统，其特征在于：半导体激光器、透射光栅及 第五光电探测器由固定底座固定，第一分光镜、第一 1/4波片、第二1/4波片、第三1/4波 片、第二分光镜、第三分光镜和第四分光镜由夹具所夹持，第五分光镜由C型固定座固定， 第一聚焦透镜、第一四象限光电探测器及第二聚焦透镜、第二四象限光电探测器都由U型 固定座固定，参考反射镜、转折光路反射镜及第六分光镜分别由第一参考反射镜微调座、第 二转折反射镜微调座及第三分光镜微调座固定并进行调节。
【文档编号】G01B9/02GK104266583SQ201410541862
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月14日 优先权日:2014年10月14日
【发明者】范光照, 周浩, 李瑞君 申请人:合肥工业大学