折射放大光學(xué)位移傳感器的制造方法
【專利摘要】折射放大光學(xué)位移傳感器屬于光學(xué)位移測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。在現(xiàn)有技術(shù)中，微力彈性元件與動(dòng)平面鏡由一根連桿連接，屬于接觸式測(cè)量，測(cè)量精度低。在本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器中有激光光源和PSD，折射放大三棱鏡位于激光光源和PSD之間，激光光源光軸與折射放大三棱鏡軸線空間垂直，激光光源發(fā)出的測(cè)量光入射折射放大三棱鏡的入射角a大于等于70°、小于90°，PSD感光面與自折射放大三棱鏡出射的測(cè)量光垂直。由于被測(cè)位移D被折射放大三棱鏡放大若干倍，對(duì)PSD的分辨率的要求因此明顯降低，具有普通分辨率即可。由于在測(cè)量過程中，本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器與被測(cè)微力彈性元件表面非接觸，不會(huì)發(fā)生因機(jī)械連接而導(dǎo)致的測(cè)量精度的下降。
【專利說明】折射放大光學(xué)位移傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種折射放大光學(xué)位移傳感器，將微小位移量通過光學(xué)折射放大獲得位移量值，實(shí)現(xiàn)微納米位移的高精度測(cè)量，同時(shí)，不要求所使用的光電傳感元件具有高分辨率，因此，本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器在實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量的同時(shí)具有低價(jià)位的特點(diǎn)，屬于光學(xué)位移測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]由于機(jī)械產(chǎn)品及零部件的微小型化，要求微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)尺寸微小，通過研究這些微型機(jī)構(gòu)的機(jī)械性能、運(yùn)動(dòng)特性，能夠?yàn)橹圃靸?yōu)良的微機(jī)電系統(tǒng)提供依據(jù)。其中，了解微機(jī)電系統(tǒng)的摩擦磨損特性尤為重要，現(xiàn)有技術(shù)采用微力彈性元件檢測(cè)微摩擦力，先采用位移測(cè)量技術(shù)測(cè)量微力彈性元件的變形量，再根據(jù)微力彈性元件的變形量與微摩擦力的關(guān)系計(jì)算出微摩擦力。
[0003]所述位移測(cè)量技術(shù)就是把位移量轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的其它可測(cè)量量。
[0004]現(xiàn)有能夠測(cè)量微納米位移的光學(xué)位移測(cè)量方法分為干涉法和衍射法兩類，所使用的裝置為干涉儀和衍射儀，不過這些裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，且對(duì)測(cè)量環(huán)境要求苛刻。
[0005]另外，采用光電傳感元件也能夠?qū)崿F(xiàn)微納米位移的測(cè)量。例如，一篇刊登在《光學(xué)與工程技術(shù)》第4卷第2期、題為“基于PSD的微小位移研究”的文章公開了一種有關(guān)微納米位移測(cè)量的方案。該方案所使用的測(cè)量裝置由激光光源、定平面鏡、動(dòng)平面鏡、PSD (位置敏感器件)等組成，該方案依據(jù)光杠桿原理，由一根連桿將微力彈性元件與動(dòng)平面鏡連接起來，當(dāng)發(fā)生彈性變形時(shí)微力彈性元件表面發(fā)生變形，引起動(dòng)平面鏡角度變化，測(cè)量光在定平面鏡、動(dòng)平面鏡之間多次反射，在PSD上光斑發(fā)生明顯位移，在這一過程中，測(cè)量裝置不僅將角度變化轉(zhuǎn)化為光斑在PSD上的位置變化，獲得位移量，而且進(jìn)行了放大。由PSD檢測(cè)發(fā)生彈性變形前后，測(cè)量光光斑在PSD上的位置變化，由光斑位移量與角度的關(guān)系以及角度與微力彈性元件表面變形的關(guān)系，計(jì)算出微力彈性元件表面的變形量。盡管該測(cè)量裝置使用的并非是高分辨率的PSD，而是普通分辨率PSD，但是嗎，測(cè)量精度仍較高。不過，在該方案中，微力彈性元件與動(dòng)平面鏡由一根連桿連接，可見，該測(cè)量方案屬于接觸式測(cè)量，而微力彈性元件結(jié)構(gòu)精密，接觸式測(cè)量將會(huì)對(duì)微力彈性元件自身受力變形效果造成影響，會(huì)降低測(cè)量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了進(jìn)一步提高微力彈性元件變形的測(cè)量精度，同時(shí)使用普通分辨率的PSD，我們發(fā)明了 一種折射放大光學(xué)位移傳感器。
[0007]在本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器中有激光光源I和PSD9，其特征在于，如圖1、圖2所不，折射放大三棱鏡6位于激光光源I和PSD9之間的反射光路上,激光光源I光軸與折射放大三棱鏡6軸線空間垂直，激光光源I發(fā)出的測(cè)量光入射折射放大三棱鏡6的入射角a大于等于70°、小于90° ,PSD9感光面與自折射放大三棱鏡6出射的測(cè)量光垂直。[0008]本發(fā)明其技術(shù)效果在于，激光光源I發(fā)射的測(cè)量光照射到微力彈性元件表面5，被反射并以入射角a入射折射放大三棱鏡6的一個(gè)鏡面，由折射放大三棱鏡6折射后照射到PSD9的感光面，由此獲得一個(gè)位置信息。當(dāng)微力彈性元件發(fā)生彈性變形后,微力彈性元件表面5發(fā)生位移D，如圖1所示，測(cè)量光被反射并以相同入射角a入射折射放大三棱鏡6的同一個(gè)鏡面，但是，入射點(diǎn)移動(dòng)了一個(gè)距離L1，如圖2所示，由折射放大三棱鏡6折射后照射到PSD9的感光面，但是，照射點(diǎn)移動(dòng)了一個(gè)距離h3，由此獲得另一個(gè)位置信息，由PSD9之后的信號(hào)處理單元獲得距離匕的值。在上述測(cè)量過程中，由于所述位移D的發(fā)生，導(dǎo)致反射的測(cè)量光相對(duì)于原光路平移了一個(gè)距離h1;該測(cè)量光被折射放大三棱鏡6的入射鏡面折射后相對(duì)于原光路平移了一個(gè)距離h2，當(dāng)入射角a大于70°時(shí)，距離h2遠(yuǎn)大于距離Ii1，如I12A1能夠達(dá)到43，如圖3所示，雖然測(cè)量光自折射放大三棱鏡6的出射鏡面折射后相對(duì)于原光路平移距離h3小于距離h2，但是，二者相差很小。另外，微力彈性元件表面5發(fā)生的位移D與所述距離Ii1存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，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，盡管位移D的值處在微納米量級(jí)，但是，由于該位移D被折射放大三棱鏡6放大若干倍，對(duì)PSD9的分辨率的要求因此明顯降低，具有普通分辨率即可。由于在測(cè)量過程中，本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器與被測(cè)微力彈性元件表面5非接觸，不會(huì)發(fā)生因機(jī)械連接而導(dǎo)致的測(cè)量精度的下降。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器總體結(jié)構(gòu)示意圖，該圖兼作為摘要附圖。圖2是測(cè)量光通過本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器中的折射放大三棱鏡的光路示意圖。圖3為測(cè)量光入射折射放大三棱鏡的入射角a與放大倍數(shù)Il2A1關(guān)系曲線圖。圖4為在折射放大三棱鏡內(nèi)傳播的測(cè)量光入射折射放大三棱鏡出射鏡面的入射角c與縮小倍數(shù)h3/h2關(guān)系曲線圖。圖5是測(cè)量光入射折射放大三棱鏡光斑在一個(gè)方向上被拉伸、之后入射光斑矯正三棱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后的測(cè)量光入射PSD的情況示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]在本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器中有激光光源I和PSD9,如圖1、圖2所75。在激光光源I之后、折射放大三棱鏡6之前依次同軸安置針孔濾波器2、準(zhǔn)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、激光光源I內(nèi)的光學(xué)元件以及測(cè)量光本身散射光對(duì)測(cè)量光的干擾。準(zhǔn)直透鏡3使得測(cè)量光相對(duì)于光路軸線具有預(yù)定角度，成為符合要求的準(zhǔn)直光。由孔徑光闌4濾除雜散光并縮小測(cè)量光光束直徑。此時(shí)的測(cè)量光照射到微力彈性兀件表面5并被反射。折射放大三棱鏡6位于激光光源I和PSD9之間，并且位于測(cè)量光的反射光路上。激光光源I光軸與折射放大三棱鏡6軸線空間垂直，這一特征表現(xiàn)在被微力彈性元件表面5反射后的測(cè)量光光軸與折射放大三棱鏡6軸線垂直但不相交。激光光源I發(fā)出的測(cè)量光被微力彈性元件表面5反射后入射折射放大三棱鏡6的入射角a大于等于70°、小于90°。在折射放大三棱鏡6與PSD9之間的光路上依次安置有光斑矯正三棱鏡7、濾光片8。光斑矯正三棱鏡7的幾何參數(shù)、光學(xué)參數(shù)與折射放大三棱鏡6相同；光斑矯正三棱鏡7的軸線與折射放大三棱鏡6的軸線垂直；光斑矯正三棱鏡7與折射放大三棱鏡6的入射鏡面、出射鏡面相同。濾光片8與測(cè)量光相匹配，并濾除測(cè)量光中的大部分雜散光。PSD9感光面與自折射放大三棱鏡6出射的測(cè)量光垂直。
[0011 ] 激光光源I發(fā)出的測(cè)量光經(jīng)過針孔濾波器2濾波后入射準(zhǔn)直透鏡3，經(jīng)過準(zhǔn)直后再由孔徑光闌4縮小光束直徑，此時(shí)的測(cè)量光照射到微力彈性元件表面5，反射后入射折射放大三棱鏡6，自折射放大三棱鏡6出射的測(cè)量光由光斑矯正三棱鏡7進(jìn)行光斑形狀矯正，接近圓形，以符合PSD對(duì)入射光斑形狀的要求，由濾光片8濾除測(cè)量光中的大部分雜散光，最后投射到PSD9感光面上。
[0012]當(dāng)微力彈性元件表面5發(fā)生位移D時(shí)，導(dǎo)致反射的測(cè)量光相對(duì)于原光路平移了一個(gè)距離Ii1，位移D轉(zhuǎn)化為反射測(cè)量光的平行距離Ii1，其關(guān)系為:
[0013]h1=2Dcos β ,
[0014]式中β為測(cè)量光入射微力彈性元件表面5的入射角。
[0015]當(dāng)微力彈性元件表面5發(fā)生位移D時(shí)，被微力彈性元件表面5反射的測(cè)量光在折射放大三棱鏡6的入射鏡面上的入射點(diǎn)相對(duì)于原光路移動(dòng)了一個(gè)距離L1,測(cè)量光被折射放大三棱鏡6的入射鏡面折射后相對(duì)于原光路平移了一個(gè)距離h2，則有以下關(guān)系:
[0016]h1=L1cosa
[0017]及h2=L1cosb
[0018]式中b為測(cè)量光通過折射放大三棱鏡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(guān)系式：
[0020]
【權(quán)利要求】
1.一種折射放大光學(xué)位移傳感器，包括激光光源(I)和PSD (9),其特征在于,折射放大三棱鏡(6)位于激光光源(I)和PSD (9)之間的反射光路上，激光光源(I)光軸與折射放大三棱鏡(6)軸線空間垂直，激光光源(I)發(fā)出的測(cè)量光入射折射放大三棱鏡(6)的入射角a大于等于70°、小于90° ,PSD (9)感光面與自折射放大三棱鏡(6)出射的測(cè)量光垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射放大光學(xué)位移傳感器，其特征在于，在激光光源(I)之后、折射放大三棱鏡(6)之前依次同軸安置針孔濾波器(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、孔徑光闌(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的折射放大光學(xué)位移傳感器，其特征在于，在折射放大三棱鏡(6)與PSD (9)之間的光路上安置有光斑矯正三棱鏡(7);光斑矯正三棱鏡(7)的幾何參數(shù)、光學(xué)參數(shù)與折射放大三棱鏡(6)相同；光斑矯正三棱鏡(7)的軸線與折射放大三棱鏡(6)的軸線垂直；光斑矯正三棱鏡(7)與折射放大三棱鏡(6)的入射鏡面、出射鏡面相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的折射放大光學(xué)位移傳感器,其特征在于，折射放大三棱鏡(6)與光斑矯正三棱鏡(7)組成一個(gè)棱鏡放大系統(tǒng)，在本發(fā)明之折射放大光學(xué)位移傳感器中能夠配置η個(gè)這樣的棱鏡放大系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)位移的Kn倍放大。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103438805SQ201310361465
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】于占江, 吳雅博, 于化東, 許金凱, 丁戧, 楊英歌 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)