折射放大光學位移傳感器的製造方法
2023-10-29 19:28:17 2
折射放大光學位移傳感器的製造方法
【專利摘要】折射放大光學位移傳感器屬於光學位移測量【技術領域】。在現有技術中，微力彈性元件與動平面鏡由一根連杆連接，屬於接觸式測量，測量精度低。在本發明之折射放大光學位移傳感器中有雷射光源和PSD，折射放大三稜鏡位於雷射光源和PSD之間，雷射光源光軸與折射放大三稜鏡軸線空間垂直，雷射光源發出的測量光入射折射放大三稜鏡的入射角a大於等於70°、小於90°，PSD感光面與自折射放大三稜鏡出射的測量光垂直。由於被測位移D被折射放大三稜鏡放大若干倍，對PSD的解析度的要求因此明顯降低，具有普通解析度即可。由於在測量過程中，本發明之折射放大光學位移傳感器與被測微力彈性元件表面非接觸，不會發生因機械連接而導致的測量精度的下降。
【專利說明】折射放大光學位移傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種折射放大光學位移傳感器，將微小位移量通過光學折射放大獲得位移量值，實現微納米位移的高精度測量，同時，不要求所使用的光電傳感元件具有高解析度，因此，本發明之折射放大光學位移傳感器在實現高精度測量的同時具有低價位的特點，屬於光學位移測量【技術領域】。
技術背景
[0002]由於機械產品及零部件的微小型化，要求微機電系統(MEMS)尺寸微小，通過研究這些微型機構的機械性能、運動特性，能夠為製造優良的微機電系統提供依據。其中，了解微機電系統的摩擦磨損特性尤為重要，現有技術採用微力彈性元件檢測微摩擦力，先採用位移測量技術測量微力彈性元件的變形量，再根據微力彈性元件的變形量與微摩擦力的關係計算出微摩擦力。
[0003]所述位移測量技術就是把位移量轉換成與之有確定關係的其它可測量量。
[0004]現有能夠測量微納米位移的光學位移測量方法分為幹涉法和衍射法兩類，所使用的裝置為幹涉儀和衍射儀，不過這些裝置結構複雜、價格昂貴，且對測量環境要求苛刻。
[0005]另外，採用光電傳感元件也能夠實現微納米位移的測量。例如，一篇刊登在《光學與工程技術》第4卷第2期、題為「基於PSD的微小位移研究」的文章公開了一種有關微納米位移測量的方案。該方案所使用的測量裝置由雷射光源、定平面鏡、動平面鏡、PSD (位置敏感器件)等組成，該方案依據光槓桿原理，由一根連杆將微力彈性元件與動平面鏡連接起來，當發生彈性變形時微力彈性元件表面發生變形，引起動平面鏡角度變化，測量光在定平面鏡、動平面鏡之間多次反射，在PSD上光斑發生明顯位移，在這一過程中，測量裝置不僅將角度變化轉化為光斑在PSD上的位置變化，獲得位移量，而且進行了放大。由PSD檢測發生彈性變形前後，測量光光斑在PSD上的位置變化，由光斑位移量與角度的關係以及角度與微力彈性元件表面變形的關係，計算出微力彈性元件表面的變形量。儘管該測量裝置使用的並非是高解析度的PSD，而是普通解析度PSD，但是嗎，測量精度仍較高。不過，在該方案中，微力彈性元件與動平面鏡由一根連杆連接，可見，該測量方案屬於接觸式測量，而微力彈性元件結構精密，接觸式測量將會對微力彈性元件自身受力變形效果造成影響，會降低測量精度。
【發明內容】
[0006]為了進一步提高微力彈性元件變形的測量精度，同時使用普通解析度的PSD，我們發明了 一種折射放大光學位移傳感器。
[0007]在本發明之折射放大光學位移傳感器中有雷射光源I和PSD9，其特徵在於，如圖1、圖2所不，折射放大三稜鏡6位於雷射光源I和PSD9之間的反射光路上,雷射光源I光軸與折射放大三稜鏡6軸線空間垂直，雷射光源I發出的測量光入射折射放大三稜鏡6的入射角a大於等於70°、小於90° ,PSD9感光面與自折射放大三稜鏡6出射的測量光垂直。[0008]本發明其技術效果在於，雷射光源I發射的測量光照射到微力彈性元件表面5，被反射並以入射角a入射折射放大三稜鏡6的一個鏡面，由折射放大三稜鏡6折射後照射到PSD9的感光面，由此獲得一個位置信息。當微力彈性元件發生彈性變形後,微力彈性元件表面5發生位移D，如圖1所示，測量光被反射並以相同入射角a入射折射放大三稜鏡6的同一個鏡面，但是，入射點移動了一個距離L1，如圖2所示，由折射放大三稜鏡6折射後照射到PSD9的感光面，但是，照射點移動了一個距離h3，由此獲得另一個位置信息，由PSD9之後的信號處理單元獲得距離匕的值。在上述測量過程中，由於所述位移D的發生，導致反射的測量光相對於原光路平移了一個距離h1;該測量光被折射放大三稜鏡6的入射鏡面折射後相對於原光路平移了一個距離h2，當入射角a大於70°時，距離h2遠大於距離Ii1，如I12A1能夠達到43，如圖3所示，雖然測量光自折射放大三稜鏡6的出射鏡面折射後相對於原光路平移距離h3小於距離h2，但是，二者相差很小。另外，微力彈性元件表面5發生的位移D與所述距離Ii1存在對應關係，這樣的話就能夠由所獲得的距離h3的值換算得到量值極其微小的位移D的值，儘管位移D的值處在微納米量級，但是，由於該位移D被折射放大三稜鏡6放大若干倍，對PSD9的解析度的要求因此明顯降低，具有普通解析度即可。由於在測量過程中，本發明之折射放大光學位移傳感器與被測微力彈性元件表面5非接觸，不會發生因機械連接而導致的測量精度的下降。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明之折射放大光學位移傳感器總體結構示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖2是測量光通過本發明之折射放大光學位移傳感器中的折射放大三稜鏡的光路示意圖。圖3為測量光入射折射放大三稜鏡的入射角a與放大倍數Il2A1關係曲線圖。圖4為在折射放大三稜鏡內傳播的測量光入射折射放大三稜鏡出射鏡面的入射角c與縮小倍數h3/h2關係曲線圖。圖5是測量光入射折射放大三稜鏡光斑在一個方向上被拉伸、之後入射光斑矯正三稜鏡光斑在與之前被拉伸方向相垂直的方向上再次被拉伸從而得到矯正的情況示意圖。圖6是光斑形狀得到矯正後的測量光入射PSD的情況示意圖。
【具體實施方式】
[0010]在本發明之折射放大光學位移傳感器中有雷射光源I和PSD9,如圖1、圖2所75。在雷射光源I之後、折射放大三稜鏡6之前依次同軸安置針孔濾波器2、準直透鏡3、孔徑光闌4。由針孔濾波器2消除因空氣中的灰塵、雷射光源I內的光學元件以及測量光本身散射光對測量光的幹擾。準直透鏡3使得測量光相對於光路軸線具有預定角度，成為符合要求的準直光。由孔徑光闌4濾除雜散光並縮小測量光光束直徑。此時的測量光照射到微力彈性兀件表面5並被反射。折射放大三稜鏡6位於雷射光源I和PSD9之間，並且位於測量光的反射光路上。雷射光源I光軸與折射放大三稜鏡6軸線空間垂直，這一特徵表現在被微力彈性元件表面5反射後的測量光光軸與折射放大三稜鏡6軸線垂直但不相交。雷射光源I發出的測量光被微力彈性元件表面5反射後入射折射放大三稜鏡6的入射角a大於等於70°、小於90°。在折射放大三稜鏡6與PSD9之間的光路上依次安置有光斑矯正三稜鏡7、濾光片8。光斑矯正三稜鏡7的幾何參數、光學參數與折射放大三稜鏡6相同；光斑矯正三稜鏡7的軸線與折射放大三稜鏡6的軸線垂直；光斑矯正三稜鏡7與折射放大三稜鏡6的入射鏡面、出射鏡面相同。濾光片8與測量光相匹配，並濾除測量光中的大部分雜散光。PSD9感光面與自折射放大三稜鏡6出射的測量光垂直。
[0011 ] 雷射光源I發出的測量光經過針孔濾波器2濾波後入射準直透鏡3，經過準直後再由孔徑光闌4縮小光束直徑，此時的測量光照射到微力彈性元件表面5，反射後入射折射放大三稜鏡6，自折射放大三稜鏡6出射的測量光由光斑矯正三稜鏡7進行光斑形狀矯正，接近圓形，以符合PSD對入射光斑形狀的要求，由濾光片8濾除測量光中的大部分雜散光，最後投射到PSD9感光面上。
[0012]當微力彈性元件表面5發生位移D時，導致反射的測量光相對於原光路平移了一個距離Ii1，位移D轉化為反射測量光的平行距離Ii1，其關係為:
[0013]h1=2Dcos β ,
[0014]式中β為測量光入射微力彈性元件表面5的入射角。
[0015]當微力彈性元件表面5發生位移D時，被微力彈性元件表面5反射的測量光在折射放大三稜鏡6的入射鏡面上的入射點相對於原光路移動了一個距離L1,測量光被折射放大三稜鏡6的入射鏡面折射後相對於原光路平移了一個距離h2，則有以下關係:
[0016]h1=L1cosa
[0017]及h2=L1cosb
[0018]式中b為測量光通過折射放大三稜鏡6的入射面的折射角
[0019]折射放大三菱鏡6的折射率為n,則有關係式：
[0020]
【權利要求】
1.一種折射放大光學位移傳感器，包括雷射光源(I)和PSD (9),其特徵在於,折射放大三稜鏡(6)位於雷射光源(I)和PSD (9)之間的反射光路上，雷射光源(I)光軸與折射放大三稜鏡(6)軸線空間垂直，雷射光源(I)發出的測量光入射折射放大三稜鏡(6)的入射角a大於等於70°、小於90° ,PSD (9)感光面與自折射放大三稜鏡(6)出射的測量光垂直。
2.根據權利要求1所述的折射放大光學位移傳感器，其特徵在於，在雷射光源(I)之後、折射放大三稜鏡(6)之前依次同軸安置針孔濾波器(2)、準直透鏡(3)、孔徑光闌(4)。
3.根據權利要求1所述的折射放大光學位移傳感器，其特徵在於，在折射放大三稜鏡(6)與PSD (9)之間的光路上安置有光斑矯正三稜鏡(7);光斑矯正三稜鏡(7)的幾何參數、光學參數與折射放大三稜鏡(6)相同；光斑矯正三稜鏡(7)的軸線與折射放大三稜鏡(6)的軸線垂直；光斑矯正三稜鏡(7)與折射放大三稜鏡(6)的入射鏡面、出射鏡面相同。
4.根據權利要求3所述的折射放大光學位移傳感器,其特徵在於，折射放大三稜鏡(6)與光斑矯正三稜鏡(7)組成一個稜鏡放大系統，在本發明之折射放大光學位移傳感器中能夠配置η個這樣的稜鏡放大系統，能夠實現光學位移的Kn倍放大。
【文檔編號】G01B11/02GK103438805SQ201310361465
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】於佔江, 吳雅博, 於化東, 許金凱, 丁戧, 楊英歌 申請人:長春理工大學