一種用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置的製作方法
2023-05-12 10:33:54
本實用新型涉及一種用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置或幹涉測量頭，尤其涉及使用一種緊湊的幹涉測量光路及相關器件，來製造一種小型幹涉測量頭；更具體地，該幹涉測量裝置可以將施加在衍射光柵上的一維位移，轉換為包含有位移信息的幹涉條紋影像及其對應的電信號。
背景技術：
隨著先進位造技術的快速發展，各種微納位移測量技術和設備層出不窮。在納米級解析度的位移測量領域中，衍射光柵幹涉測量技術得到廣泛的應用。該技術把被測一維位移施加在衍射光柵上，藉助於幹涉測量光路和光電轉換，衍射光柵的一維位移被轉化為周期變化的電信號，通過對電信號的相關處理或計算即可得到衍射光柵的實際位移量。
衍射光柵的幹涉測量光路或者幹涉測量裝置，目前主要分為兩大類：一類是利用非偏振光，另一類是利用偏振光。基於非偏振光的幹涉測量裝置，是採用非偏振光的光路來產生雷射幹涉，輸出的雷射幹涉條紋照射在四象限光電探測器陣列上，通過調整幹涉條紋的疏密程度，或者調整陣列探頭在空間的布局角度來獲得兩路或四路相位差為90°的正弦電信號；另一類基於偏振光的幹涉測量裝置，是利用偏振光、偏振光路及波片相位延遲技術來獲得相位差依次為90°的幹涉條紋，通過使用四個獨立的光電探頭獲得四路相位差為90°的正弦電信號。最後，兩類幹涉測量裝置都要使用硬體細分電路或軟體細分技術對含有位移信息的電信號進行細分，來得到納米級解析度的位移測量結果。
但是，目前基於非偏振光及基於偏振光的衍射光柵幹涉測量裝置在結構上都過於複雜和龐大，影響了其實用性。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於克服上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置過於複雜和龐大的不足，提供一種採用雙層光路的非偏振型幹涉測量裝置，來實現位移的精密測量，並減少幹涉測量頭的結構尺寸。
本實用新型的技術方案是：一種用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置，採用上、下兩層光路結構和差分放大電路，上層光路上設置有雷射器、濾波鏡片及第1反光稜鏡，在下層光路上設置有第2反光稜鏡、衍射光柵、第1反光鏡、第2反光鏡、立方體分光鏡、放大透鏡及光電探頭陣列，所述雷射器射出準直單色雷射束經過濾波鏡片後形成單頻雷射束，被第1反光稜鏡反射後傳給第2反光稜鏡，第2反光稜鏡把接收到的雷射束水平反射給衍射光柵，並保持對衍射光柵表面的垂直入射，衍射光柵輸出的+1級衍射光和－1級衍射光經第1反光鏡和第2反光鏡反射後在立方體分光鏡中會合，發生幹涉後輸出，經過放大透鏡的放大照射在光電探頭陣列上，光電探頭陣列的四象限探測器A、B、C及D輸出四路光電轉換信號，提供給所述差分放大電路處理，輸出用於表示衍射光柵線性位移量的兩路位移信號。
在上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置中，所述衍射光柵的入射雷射束垂直於衍射光柵的表面。
在上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置中，所述第1反光稜鏡和第2反光稜鏡均採用直角稜鏡。
在上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置中，所述立方體分光鏡採用非偏振型立方體分光鏡或者普通立方體分光鏡。
在上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置中，所述光電探頭陣列採用一種IC型微小光電探頭陣列，且該陣列至少包含一組四象限探測器A、B、C及D。
在上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置中，所述雷射器(1)射出的單色雷射束是紅外雷射、紅雷射、綠雷射、藍雷射或紫雷射。
在上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置中，所述衍射光柵的線性位移，來自一維平面衍射光柵或二維平面衍射光柵產生的線性位移。
在上述用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置中，所述衍射光柵的線性位移，來自柱面衍射光柵及球面衍射光柵迴轉而產生的等效線性位移。
實施本實用新型提供的用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置，採用上、下雙層光路來放置器件，具體地，將雷射器、濾波鏡片及第1反光稜鏡放置在上層光路上，將第2反光稜鏡、衍射光柵、第1反光鏡、第2反光鏡、立方體分光鏡、放大透鏡及光電探頭陣列放置在下層光路上，上層光路的雷射器射出準直單色雷射束經過濾波鏡片後形成單頻雷射束，被第1反光稜鏡反射後向下輸出。下層光路的第2反光稜鏡把接收到的向下雷射束水平反射給衍射光柵，並保持對衍射光柵表面的垂直入射。衍射光柵輸出的+1級衍射光和－1級衍射光經第1反光鏡及第2反光鏡反射後，在立方體分光鏡中會合併發生幹涉輸出，再經過放大透鏡的放大照射在光電探頭陣列上。光電探頭陣列的四象限探測器輸出四路光電轉換信號，經差分放大電路的處理即可輸出兩路位移電信號，來表示衍射光柵的線性位移量。這種雙層光路的搭建方案，減少了雷射器至衍射光柵表面的入射雷射束的光臂長度，縮短了上層光路的長度與結構尺寸。另外，還可使雷射器與下層光路的幹涉測量部分產生分離，使雷射器產生的熱源不會對下層光路的幹涉測量產生影響。另一方面，本實用新型中採用的光電探頭陣列是一種IC型微小光電探頭陣列，這種IC型微小光電探頭陣列，是在很小的面積上布置了許多個光電探頭單元或像元，各個光電探頭單元的中心距離極小，具有探測高密度的幹涉條紋的能力。由於將其布置在下層光路的幹涉輸出位置，不僅可避免使用大倍數的放大透鏡，減少透鏡的結構尺寸，還可減少透鏡至光電探頭陣列的像距。實際上，這就減少了立方體分光鏡中心至光電探頭陣列的幹涉光臂長度，縮短了下層光路的長度與結構尺寸。為縮小體積，發揮了積極作用。
附圖說明
圖1是本實用新型用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置實施例的結構示意圖。
圖2是本實用新型用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置實施例的上層結構示意圖。
圖3是本實用新型用於衍射光柵位移測量系統的幹涉測量裝置實施例的下層結構示意圖。
圖1～圖3中標號統一說明如下：1是雷射器，2是濾波鏡片，3是第1反光鏡，4是第1反光稜鏡，5是第2反光稜鏡，6是衍射光柵，7是第2反光鏡，8是立方體分光稜鏡，9是放大物鏡，10是含有四象限像元：A、B、C、D的光電探頭陣列，11是差分放大電路，12是支架，13是雷射束。
具體實施方式
為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面結合附圖，對本實用新型具體實施例進行說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
本實用新型針對衍射光柵幹涉位移測量系統中幹涉測量頭的實際技術問題，提出了一種幹涉測量裝置，以實現位移的高精度測量。該裝置的光路採用雙層結構，以便在狹小空間內有效布局，縮小結構尺寸，提高實用性。
當採用圖1的幹涉測量裝置來實施位移測量時，被測一維位移首先驅動衍射光柵6沿圖1中的箭頭方向運動，雷射器1發出的雷射束經濾波鏡片2、第1反光稜鏡4和第2反光稜鏡5後，垂直入射衍射光柵6的表面並產生衍射光。±1級兩束衍射光經第1反光鏡3和第2反光鏡7反射後，在立方體分光鏡8中會合幹涉，再經放大物鏡9放大後照射到含有四象限像元的光電探頭陣列10。對四象限光電探頭陣列10中兩個相鄰像元，如A、B及C、D輸出的信號使用差分放大電路進行信號調理，即可輸出兩路位移電信號。通過硬體或軟體細分技術，可得到整周期信號部分及非整周期信號部分所對應的位移信息，即被測位移值。
具體地，第一步，先搭建幹涉測量裝置的上層結構或上層模塊。如圖2所示，選一支輸出波長為405nm且內部帶有準直鏡的藍光雷射器1，放置在支架12的尾孔內，濾波鏡片2放置在支架12的前孔內。選一對參數相同的等腰直角稜鏡4和5擔當反光稜鏡，先把第1個直角稜鏡4固定在支架12的上表面上。這樣，支架12的上表面就形成了幹涉測量裝置的上層光路，藍光雷射器1輸出的雷射束經濾波鏡片2及直角稜鏡4後向下輸出。將另一個直角稜鏡5固定在支架12的側面上，向下的雷射束會變為水平雷射束13，輸送給下層光路的衍射光柵6。
具體地，第二步，再搭建該幹涉測量裝置的下層結構或下層模塊。如圖3所示，選一塊工作波長為藍光405nm、2400線/mm的衍射光柵6來擔任一維運動零件。通過支架12將上層模塊固定在下層光路的平板上，並保持輸出的雷射束13垂直入射衍射光柵6的表面。由光柵公式sinθ＝kλ/d可知，2400線/mm的衍射光柵當藍光垂直輸入時，其±1級衍射角為：θ1＝θ2＝76.4°。使用兩個二維可調鏡架驅動第1反光鏡3和第2反光鏡7，並根據±1級衍射角為76.4°的參數來設置兩個二維可調鏡架在下層平板上的初始位置，即可將衍射光柵6的±1級兩束衍射光調到一塊非偏振或普通立方體分光鏡8中。兩束衍射光在立方體分光鏡8內會合幹涉後，會輸出具有一定疏密度的幹涉條紋影像。
具體地，第三步，調整幹涉條紋的疏密度及物鏡的放大倍數，使其在光電探頭陣列10的輸出信號具有正交性。選用一塊IC型微小光電探頭陣列進行光電轉換，該器件的主要特徵是四象限傳感單元中單個像元面積不超過100μm×100μm。如圖3所示，調整第1反光鏡3和第2反光鏡7的驅動鏡架，配合調整放大物鏡9的像距及光電探頭陣列10的空間角度，可獲得正交的初始位移信號。後續的差分放大電路11對信號進行調理，即可得到能夠驅動細分電路的正交位移信號，從而實現對衍射光柵6位移的精密測量。
需要說明的是，本實用新型的使用場合不局限於圖1所示的一維位移測量系統，也可以應用在二維、三維或多維測量系統中。
還需要說明的是，本實用新型的雷射器1輸出雷射束不局限於藍雷射，也可以是紅外雷射、紅雷射、綠雷射及紫雷射等。
還需要說明的是，本實用新型的衍射光柵6的線性位移，不局限於一維平面衍射光柵產生的線性位移，也可以是二維平面衍射光柵產生的線性位移。
還需要說明的是，本實用新型的衍射光柵6的線性位移，不局限於平面類型衍射光柵產生的線性位移，也可以是柱面類型衍射光柵及球面類型衍射光柵迴轉而產生的等效線性位移。
本實用新型以上實施例及其說明均為示例性而非限制性，本實用新型保護範圍由權利要求所限定。