專利名稱：大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米級精度的測量，具體講是涉及大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
納米測量技術(shù)是納米科學(xué)的一個重要分支。納米級精度的測量已經(jīng)成為目前工業(yè)和科學(xué)發(fā)展中迫切需要解決的問題。納米計量正在朝著高精度、高分辨率的方向發(fā)展。一般來說，一套完整的納米位移測量系統(tǒng)應(yīng)該由四部分組成，即探測系統(tǒng)、位移系統(tǒng)、計量系統(tǒng)和信號處理及控制系統(tǒng)。因而納米測量技術(shù)可以說是多種技術(shù)的綜合，如何將以上四種技術(shù)結(jié)合在一起構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，設(shè)計出實用的納米測量系統(tǒng)，是今后納米位移測量發(fā)展的方向。在這種情況下，研制一種結(jié)構(gòu)簡單、造價低、裝調(diào)容易、抗干擾能力強(qiáng)的納米測量系統(tǒng)，在精密測試技術(shù)領(lǐng)域還是有著一定的研究價值和現(xiàn)實意義的。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在確保高分辨率、高精度的前提下，將測量范圍擴(kuò)展到10mm，既可滿足高精度位移量的測試，又可用于高精度位移傳感器的檢定，大規(guī)模集成電路的定位、加工和檢測以及壓電(鐵電)陶瓷電致(磁致)伸縮的測定等。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，由V型摩擦導(dǎo)軌、驅(qū)動馬達(dá)、激光干涉系統(tǒng)部分組成。其中，導(dǎo)軌采用V型滑動摩擦的形式，用五個聚四氟乙烯短墊支撐著導(dǎo)軌滑架，驅(qū)動裝置為能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動和勻速納米級位移的大位移超微動連續(xù)可控式壓電馬達(dá)，此外還包括用于采集干涉信號，并用Heydemann算法對干涉信號進(jìn)行誤差補(bǔ)償，在經(jīng)過正切細(xì)分和位移計算，得出當(dāng)時的位移量的測量控制系統(tǒng)CPU1，通過串行通訊接收測量控制系統(tǒng)CPU1發(fā)送信息，并控制的可控式壓電馬達(dá)開閉的馬達(dá)控制系統(tǒng)CPU2，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局對稱，其測量線與導(dǎo)軌的中心線及激光干涉系統(tǒng)的中心線重合。
其中，激光干涉系統(tǒng)選用經(jīng)蘭姆凹陷穩(wěn)頻的氦氖激光作為光源。
激光干涉系統(tǒng)采用耦合差動式干涉光路，固有光程差基本等于零，立體第2直角錐棱鏡第5直角錐棱鏡固定在導(dǎo)軌滑架兩端以外，其余的光學(xué)鏡片均固定在主支架上，光源發(fā)出的激光經(jīng)倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后到達(dá)干涉儀，其光斑直徑大約為3mm，該光束由第1立體分光鏡分成兩束光，一路反射光經(jīng)過立體第2直角錐棱鏡、第3直角錐棱鏡多次反射，平移一段距離后返回第1立體分光鏡，形成一測量光束；另一路透射光，經(jīng)平面第4反射鏡反射，到達(dá)立體第5直角錐棱鏡、第6直角錐棱鏡，經(jīng)過多次反射平移一段距離后回到第4直角棱鏡，再經(jīng)反射回到第1立體分光鏡，形成另一路測量光束；兩路光在第1立體分光鏡重新匯合，形成干涉，干涉光由第7平面反射鏡反射，被第8分光鏡分成兩部分，由PIN-FET混合集成第1光電接收器和PIN-FET混合集成第2光電接收器來接收干涉條紋信號，獲得相位差為90度的兩路按正弦規(guī)律變化的干涉信號。
測量控制系統(tǒng)CPU1是完成下列程序的測量控制系統(tǒng)采集信號數(shù)據(jù)；
生成多元線性回歸矩陣；解方程組；計算a，G，p，q；進(jìn)行補(bǔ)償；判斷極性；查表計算。
本發(fā)明可帶來如下效果由于采用用五個聚四氟乙烯短墊支撐著導(dǎo)軌滑架V型摩擦導(dǎo)軌、耦合差動式干涉光路，因而本實用新型具有高分辨率、高精度，測量范圍擴(kuò)展到10mm。


圖1納米檢測光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并作為摘要附2干涉儀光路3測試結(jié)果圖4控制系統(tǒng)軟件流程5計算機(jī)細(xì)分程序流程圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
總體結(jié)構(gòu)納米檢測光學(xué)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，由V型摩擦導(dǎo)軌、驅(qū)動馬達(dá)、激光干涉系統(tǒng)等部分組成，導(dǎo)軌采用V型滑動摩擦的形式，用五個聚四氟乙烯短墊支撐著導(dǎo)軌滑架，驅(qū)動裝置為能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動和勻速納米級位移的大位移超微動連續(xù)可控式壓電馬達(dá)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局對稱，其測量線與導(dǎo)軌的中心線及激光干涉系統(tǒng)的中心線重合。
激光干涉系統(tǒng)采用耦合差動式干涉光路，固有光程差基本等于零，立體直角錐棱鏡2、直角錐棱鏡5固定在導(dǎo)軌滑架兩端以外，其余的光學(xué)鏡片均固定在主支架上。干涉儀的工作原理如圖所示，氦氖激光器發(fā)出的激光經(jīng)倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后到達(dá)干涉儀，其光斑直徑大約為3mm，該光束由立體分光鏡1分成兩束光，一路反射光經(jīng)過立體直角錐棱鏡2、直角錐棱鏡3多次反射，平移一段距離后返回立體分光鏡1，形成一測量光束；另一路透射光，經(jīng)平面反射鏡4反射，到達(dá)立體直角錐棱鏡5、直角錐棱鏡6，經(jīng)過多次反射平移一段距離后回到直角棱鏡4，再經(jīng)反射回到立體分光鏡1，形成另一路測量光束；兩路光在立體分光鏡1重新匯合，形成干涉，干涉光由平面反射鏡7反射，被分光鏡8分成兩部分，由PIN-FET混合集成光電接收器D1、由PIN-FET混合集成光電接收器D2來接收干涉條紋信號，獲得相位差為90度的兩路按正弦規(guī)律變化的干涉信號。
2、激光干涉系統(tǒng)①簡單穩(wěn)定的光源。該干涉儀選用經(jīng)過穩(wěn)頻的氦氖激光作為光源，其波長準(zhǔn)確度很高，經(jīng)蘭姆凹陷穩(wěn)頻的氦氖激光，其波長穩(wěn)定性為5×10-10，波長準(zhǔn)確度為2×10-8，保證了納米級精度位移測量的實現(xiàn)。
②干涉系統(tǒng)的設(shè)計符合阿貝原則和結(jié)構(gòu)變形最小原則，被測零件尺寸線與激光干涉儀基準(zhǔn)線在同一直線上。
③簡單穩(wěn)定的光學(xué)布局，采用耦合差動式干涉原理，光路對稱，其固有光程差基本等于零。此外，光學(xué)布局結(jié)構(gòu)緊湊，采用這樣的布局減少了熱膨脹和空氣折射率變化帶來的影響。
④采用光程差倍增的方法，提高干涉儀的分辨率。從精密長度測量的觀點出發(fā)，對光程差進(jìn)行倍增，具有直接將長度信息變成多倍光程差的優(yōu)點。用兩對直角棱鏡對光程差進(jìn)行多次倍乘，加之對位移量進(jìn)行耦合差動測量，所以干涉儀的分辨率比普通的邁克爾遜干涉儀高4倍。
圖2所示為光學(xué)8倍頻的耦合差動式干涉儀光路圖。組成該干涉系統(tǒng)的光學(xué)元件，除立體直角錐棱鏡2、直角錐棱鏡5固定在導(dǎo)軌滑架兩端以外，其余的光學(xué)鏡片均固定在主支架上。干涉儀的工作原理如圖所示，氦氖激光器發(fā)出的激光經(jīng)倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后到達(dá)干涉儀，其光斑直徑大約為3mm，該光束由立體分光鏡1分成兩束光，一路反射光經(jīng)過立體直角錐棱鏡2、直角錐棱鏡3多次反射，平移一段距離后返回立體分光鏡1，形成一測量光束；另一路透射光，經(jīng)平面反射鏡4反射，到達(dá)立體直角錐棱鏡5、直角錐棱鏡6，經(jīng)過多次反射平移一段距離后回到直角棱鏡4，再經(jīng)反射回到立體分光鏡1，形成另一路測量光束；兩路光在立體分光鏡1重新匯合，形成干涉，干涉光由平面反射鏡7反射，被分光鏡8分成兩部分，由PIN-FET混合集成光電接收器D1、PIN-FET混合集成光電接收器D2來接收干涉條紋信號，獲得相位差為90度的兩路按正弦規(guī)律變化的干涉信號。
當(dāng)導(dǎo)軌滑架移動時，一路光程增加，另一路光程減小，從而實現(xiàn)差動測量；由于每路光在每對直角錐棱鏡之間往返兩次，因此可以產(chǎn)生λ/8的光學(xué)細(xì)分，即導(dǎo)軌滑架每移動λ/8，光電接收器輸出信號就會變化一個周期，記錄下信號變化的周期數(shù)N，就可以確定被測位移L。
于是使得到了這臺耦合差動干涉儀測長的基本公式L＝N·λ0/8n式中，n是測量條件下的空氣折射率，λ0是真空中氦氖激光波長。
如果用計算機(jī)對干涉信號再進(jìn)行200細(xì)分，則有L＝N·λ0/1600n于是可以知道該干涉儀的分辨率為λ/1600。從干涉儀的光路設(shè)計中可以看到，這臺光程差倍增的耦合差動干涉儀比普通的邁克爾遜干涉儀的靈敏度高4倍，因此也就有更好的穩(wěn)定性。
3、測量控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心設(shè)計的測量控制系統(tǒng)，對干涉信號進(jìn)行采集，誤差補(bǔ)償，進(jìn)而實現(xiàn)位移計算的功能。在實際測量中，干涉信號主要存在以下三種誤差信號非正交誤差、不等幅誤差和直流電平漂移誤差。由于這三種誤差的存在影響了細(xì)分精度，所以采用Heydemann對其進(jìn)行修正，這樣就保證了高精度測量的實現(xiàn)。此外該測量控制系統(tǒng)還可與壓電馬達(dá)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，從而實現(xiàn)了閉環(huán)測量。
性能測試本干涉儀的檢測是通過與電容測微儀的比對進(jìn)行的?？蛇x用的是天津大學(xué)精儀學(xué)院開發(fā)的JDC-2000型高精度電容測微儀。JDC精密電容式測微儀是采用高輸入阻抗放大器反饋原理的一種非接觸式精密測量儀器在測量過程中不難發(fā)現(xiàn)，電容測微儀輸出的模擬量U與位移量偏差值L呈線性關(guān)系，于是我們可以通過一元線性回歸求出U與L之間的線性回歸方程。求出了U與L的線性回歸方程后，便可對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行精度估計，在線性方程中，也以標(biāo)準(zhǔn)誤差σ來表示直接測量所得數(shù)據(jù)的精度。
通過與電容測微儀在不同的時間內(nèi)進(jìn)行的4次比對測試，結(jié)果如圖3所示，得出本干涉測量系統(tǒng)的測量精度為10-12nm，這當(dāng)中既包括系統(tǒng)誤差的影響，也包括偶然誤差的影響；既有干涉儀的測量誤差，又有電容測微儀的測量誤差。
權(quán)利要求
1.一種大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，由V型摩擦導(dǎo)軌、驅(qū)動馬達(dá)、激光干涉系統(tǒng)部分組成，其特征是，導(dǎo)軌采用V型滑動摩擦的形式，用五個聚四氟乙烯短墊支撐著導(dǎo)軌滑架，驅(qū)動裝置為能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動和勻速納米級位移的大位移超微動連續(xù)可控式壓電馬達(dá)，此外還包括用于采集干涉信號，并用Heydemann算法對干涉信號進(jìn)行誤差補(bǔ)償，在經(jīng)過正切細(xì)分和位移計算，得出當(dāng)時的位移量的測量控制系統(tǒng)CPU1，通過串行通訊接收測量控制系統(tǒng)CPU1發(fā)送信息，并控制的可控式壓電馬達(dá)開閉的馬達(dá)控制系統(tǒng)CPU2，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局對稱，其測量線與導(dǎo)軌的中心線及激光干涉系統(tǒng)的中心線重合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，其特征是，激光干涉系統(tǒng)選用經(jīng)蘭姆凹陷穩(wěn)頻的氦氖激光作為光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，其特征是，激光干涉系統(tǒng)采用耦合差動式干涉光路，固有光程差基本等于零，立體第2直角錐棱鏡第5直角錐棱鏡固定在導(dǎo)軌滑架兩端以外，其余的光學(xué)鏡片均固定在主支架上，光源發(fā)出的激光經(jīng)倒置的望遠(yuǎn)系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后到達(dá)干涉儀，其光斑直徑大約為3mm，該光束由第1立體分光鏡分成兩束光，一路反射光經(jīng)過立體第2直角錐棱鏡2、第3直角錐棱鏡多次反射，平移一段距離后返回第1立體分光鏡，形成一測量光束；另一路透射光，經(jīng)平面第4反射鏡反射，到達(dá)立體第5直角錐棱鏡、第6直角錐棱鏡，經(jīng)過多次反射平移一段距離后回到第4直角棱鏡，再經(jīng)反射回到第1立體分光鏡，形成另一路測量光束；兩路光在第1立體分光鏡重新匯合，形成干涉，干涉光由第7平面反射鏡反射，被第8分光鏡分成兩部分，由PIN-FET混合集成第1光電接收器和PIN-FET混合集成第2光電接收器來接收干涉條紋信號，獲得相位差為90度的兩路按正弦規(guī)律變化的干涉信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，其特征是，測量控制系統(tǒng)CPU1是完成下列程序的測量控制系統(tǒng)采集信號數(shù)據(jù)；生成多元線性回歸矩陣；解方程組；進(jìn)行補(bǔ)償；判斷極性；查表計算。
全文摘要
本發(fā)明大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，涉及大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)。為提供大范圍納米檢測光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在確保高分辨率、高精度的前提下，測量范圍擴(kuò)大，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是由V型摩擦導(dǎo)軌、驅(qū)動馬達(dá)、激光干涉系統(tǒng)等部分組成。其中，導(dǎo)軌采用V型滑動摩擦的形式，用五個聚四氟乙烯短墊支撐著導(dǎo)軌滑架，驅(qū)動裝置為能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動和勻速納米級位移的大位移超微動連續(xù)可控式壓電馬達(dá)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局對稱，其測量線與導(dǎo)軌的中心線及激光干涉系統(tǒng)的中心線重合。本發(fā)明主要用于滿足高精度位移量的測試，又可用于高精度位移傳感器的檢定，大規(guī)模集成電路的定位、加工和檢測以及壓電(鐵電)陶瓷電致(磁致)伸縮的測定等。
文檔編號G01B11/02GK1603738SQ20041007254
公開日2005年4月6日 申請日期2004年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月28日
發(fā)明者趙美蓉, 林玉池, 陸伯印, 齊永岳 申請人:天津大學(xué)