多自由度测量系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
多自由度测量系统
本专利技术涉及微纳米测量系统领域，具体是一种多自由度测量系统。
技术介绍
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、精密化的趋势越专利技术显。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。 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。
技术实现思路
本专利技术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。 为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案为： 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 ： 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。 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。 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。 本专利技术将迈克尔逊干涉仪、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。 与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在： 1、本专利技术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。 2、本专利技术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。 3、本专利技术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。 【附图说明】 图1为本专利技术光路结构图。 图2为本专利技术系统整体装配图。 【具体实施方式】 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 ： 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,第一分光本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：范光照，周浩，李瑞君，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34