一種基于納米位移計(jì)量傳感器的納米微位移檢測(cè)儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及精密測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種高精度的納米位移計(jì)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)測(cè)量技術(shù)的精度要求也越來(lái)越高。其中高精度 的納米位移計(jì)量裝置成為眾多領(lǐng)域前進(jìn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。常用的位移計(jì)量裝置為光柵尺和 激光干涉測(cè)量?jī)x。光柵尺是通過(guò)記錄靜尺和動(dòng)尺相互移動(dòng)對(duì)產(chǎn)生的莫爾斯干涉條紋數(shù)來(lái)測(cè) 量位移的。但是光柵尺易受溫度的影響，測(cè)量分辨率嚴(yán)重依賴(lài)于光柵尺的光柵常數(shù)，且測(cè)量 范圍有限。單個(gè)光柵尺檢測(cè)的最大允許速度往往與其測(cè)量分辨率成反比，故存在著測(cè)量速 度與分辨率的矛盾。而激光干涉測(cè)量?jī)x是利用激光在真空中的波長(zhǎng)作為長(zhǎng)度基準(zhǔn)，可以達(dá) 到納米級(jí)的測(cè)量分辨率。利用參考光路與測(cè)量光路的光程差對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)光學(xué)倍 頻布局可以使得測(cè)量的分辨率達(dá)到幾個(gè)納米，同時(shí)由于激光的相干長(zhǎng)度較大，測(cè)量的范圍 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光柵尺的測(cè)量范圍。專(zhuān)利[CN200910069745.2]涉及一種共路激光干涉儀，它包 括激光器、偏振分光鏡、反射鏡、衍射光柵、偏振片、凸透鏡和光電探測(cè)器，在激光器發(fā)出光 束方向上放置偏振分光鏡，偏振分光鏡的分光面與激光器發(fā)出光束方向成45° ;在偏振分光 鏡的分光面方向上的上側(cè)和下側(cè)分別放置反射鏡和衍射光柵;在出射光的方向上依次放置 偏振片、凸透鏡和光電探測(cè)器，這三個(gè)元件的光軸方向與偏振分光鏡的分光面成45°，與激 光器發(fā)出光束方向成90°。將激光多普勒技術(shù)與激光偏振干涉技術(shù)相結(jié)合，增強(qiáng)光路對(duì)外界 環(huán)境的抗干擾能力，提高了激光干涉儀的測(cè)量分辨力和精度，但其在光學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)位移只進(jìn) 行了 4細(xì)分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)倍頻的納米位移計(jì)量傳感器，該傳感器采用光學(xué) 倍頻技術(shù)，直接在光學(xué)結(jié)構(gòu)上將位移進(jìn)行8細(xì)分，由此提高了精度。同時(shí)采用偏振分光棱鏡 和1 /4玻片組合，減少了光能損失。本發(fā)明技術(shù)方案如下：
[0004] -種光學(xué)倍頻的納米位移計(jì)量傳感器，包括偏振分光棱鏡、1/4玻片、第一平面反 射鏡、第二平面反射鏡，第一角錐棱鏡、第二角錐棱鏡、第三角錐棱鏡、第四角錐棱鏡和偏振 片，其特征在于：
[0005] 所述的偏振分光棱鏡居中置放于兩個(gè)鏡面平行相對(duì)的第一角錐棱鏡和第四角錐 棱鏡之間，第一、第四角錐棱鏡的結(jié)構(gòu)尺寸相同、且反射面均平行于偏振分光棱鏡;所述1/4 玻片安裝在偏振分光棱鏡的正下部，1/4玻片工作面與偏振分光棱鏡底邊平行，1/4玻片光 學(xué)中心軸到第一、第四角錐棱鏡的鏡面等距，其下方平行設(shè)置有左右對(duì)稱(chēng)第一平面反射鏡、 第二平面反射鏡;第一平面反射鏡下方設(shè)有第二角錐棱鏡，第二平面反射鏡下方設(shè)有第三 角錐棱鏡;所述第二、第三角錐棱鏡結(jié)構(gòu)和尺寸相同，共同固定在上下運(yùn)動(dòng)部件上，第二、第 三角錐棱鏡鏡面共面且均向上分別與第一、第二平面反射鏡的鏡面相對(duì);偏振片安裝在偏 振分光棱鏡的上部;偏振片、1/4玻片、第二、第三角錐棱鏡鏡面和第一、第二平面反射鏡的 鏡面相互平行；
[0006]所述偏振分光棱鏡上部的一端用于激光入射，另一端正對(duì)偏振片，為激光出射部。
[0007] 工作時(shí)，偏振分光棱鏡將入射激光分為正交的兩路線(xiàn)偏振光輸出，一路為透射光 Tp，一路為反射光Rs;
[0008] 所述透射光TPgl/4玻片后，再經(jīng)第二角錐棱鏡反射到第一平面反射鏡，然后在第 一平面反射鏡的反射作用下，按原光路再次經(jīng)1/4玻片;兩次經(jīng)過(guò)1/4玻片，光束偏振方向改 變90度變成反射光Rl，返回偏振分光棱鏡，由偏振分光棱鏡反射到第一角錐棱鏡;經(jīng)第一角 錐棱鏡反射到偏振分光棱鏡，經(jīng)偏振分光棱鏡反射到1/4玻片，入射至第三角錐棱鏡，然后 被反射到第二平面反射鏡;在第二平面反射鏡作用下，按原光路再次經(jīng)1/4玻片返回，光束 偏振方向再次改變90度變成透射光T2，透射過(guò)偏振分光棱鏡，投射到偏振片上；
[0009] 所述反射光Rs射入第四角錐棱鏡后，被反射回偏振分光棱鏡，進(jìn)而被偏振分光棱 鏡投射到偏振片上，與所述透射光T2經(jīng)過(guò)偏振后發(fā)生干涉；
[0010]兩干涉光的光程差與安裝第二、第三角錐棱鏡的運(yùn)動(dòng)部件上下位置有關(guān)，隨運(yùn)動(dòng) 部件相對(duì)于偏振分光棱鏡或1/4玻片的距離變化而變化，從而引起干涉條紋數(shù)量變化，結(jié)合 已知的激光波長(zhǎng)，即求出微小的位移變化。
[0011] 進(jìn)一步的，所述納米位移計(jì)量傳感器的偏振片的上方還設(shè)有光電探測(cè)器，便于干 涉光條紋信號(hào)接收。
[0012] 進(jìn)一步的，所述納米位移計(jì)量傳感器的偏振片是線(xiàn)偏振型，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振方向?qū)?現(xiàn)兩束光的相干程度。
[0013] 進(jìn)一步的，本發(fā)明基于所述納米位移計(jì)量傳感器，提出一種納米位移檢測(cè)儀，包括 依次電信號(hào)連接的納米位移計(jì)量傳感器、差分電路、放大整形電路、辨向細(xì)分電路、A/D轉(zhuǎn)換 電路和計(jì)算機(jī)；
[0014] 其中，所述納米位移計(jì)量傳感器輸出的干涉光條紋信號(hào)經(jīng)差分電路轉(zhuǎn)換為相位差 為90度的正余弦信號(hào)，一路送入放大整形電路，變成數(shù)字方波輸至辨向細(xì)分電路進(jìn)行四細(xì) 分計(jì)數(shù)，該計(jì)數(shù)電路對(duì)超過(guò)1/4周期的條紋移動(dòng)進(jìn)行計(jì)數(shù);另一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)不足1/4周期的條紋移動(dòng)進(jìn)行細(xì)分處理;兩路信號(hào)的計(jì)數(shù)值送入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行同步 相加處理，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出位移值。
[0015] 本發(fā)明提出的技術(shù)方案，采用了偏振分光棱鏡和1/4玻片組合，保證了干涉條紋的 強(qiáng)度，具有測(cè)量范圍大，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，并且相比于單路光束系統(tǒng)在某種程度上可減 小非直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)所造成的誤差。由于采用了差動(dòng)式的結(jié)構(gòu)，直接在采用光學(xué)倍頻布局，實(shí)現(xiàn)光 學(xué)8細(xì)分，提高了靈敏度，同時(shí)可使得結(jié)構(gòu)緊湊、減少溫度、空氣及機(jī)械干擾的影響，保證了 測(cè)量的高精度要求。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1光學(xué)倍頻的納米位移計(jì)量傳感器的結(jié)構(gòu)圖；
[0017] 圖2基于納米位移計(jì)量傳感器的納米微位移檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)圖；
[0018] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：
[0019] 1-激光器、2-偏振分光棱鏡、3-第一角錐棱鏡、4-底座、5-第一平面反射鏡、6-第二 角錐棱鏡、7-第三角錐棱鏡、8-第二平面反射鏡、9-1/4玻片、10-第四角錐棱鏡、11-偏振片。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021] 如圖1示，本實(shí)施提供的光學(xué)倍頻的納米位移計(jì)量傳感器，包括激光器1、偏振分光 棱鏡2、1/4玻片9、第一平面反射鏡5、第二平面反射鏡8,第一角錐棱鏡3、第二角錐棱鏡6、第 三角錐棱鏡7、第四角錐棱鏡10，偏振片11和底座4。
[0022]偏振分光棱鏡2將激光器輸出激光分為正交的兩路線(xiàn)偏振光，一路為透射光Tp，一 路為反射光Rs;
[0023]透射光TPgl/4玻片9后，然后經(jīng)第二角錐棱鏡6反射到第一平面反射鏡5,然后在 第一平面反射鏡5的反射作用下，按原光路再次經(jīng)1/4玻片9返回，兩次