本發(fā)明涉及微納操控平臺的激光檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種微納操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)及其測量方法。

背景技術(shù)：

隨著微納操控技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，多自由度尤其是實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)自由度的微納操控平臺日益得到關(guān)注，而角位移和線位移的精密測量是影響其發(fā)展的重要因素。

激光干涉儀因分辨率高、非接觸、受環(huán)境影響小、反應(yīng)靈敏等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于各種精密測量系統(tǒng)中。激光干涉儀是根據(jù)參考光束和測量光束之間的干涉來進行位移測量，若兩道光束光程差沒有變化時，探測器會在相長性和相消性干涉的兩極之間找到穩(wěn)定的信號；若光程差有變化時，探測器會在每一次光程變化時，在相長性和相消性干涉的兩極之間找到變化信號，這些變化會被計算并用來測量兩個光程之間的差異變化。目前存在的激光干涉儀往往只能測單獨的平移運動或單獨的角位移。當有光程差變化時，激光干涉儀無法判斷此變化是由平移運動產(chǎn)生的還是由微納操控平臺旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，因此導(dǎo)致微納操控平臺在做非定中心的旋轉(zhuǎn)運動即既有平移運動又有旋轉(zhuǎn)運動時無法對平移運動和角位移進行解耦并同時測量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的一個目的是提供一種微納操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)能夠在微納操控平臺做非定中心的旋轉(zhuǎn)運動即既有平移運動又有旋轉(zhuǎn)運動時對平移運動和角位移進行解耦并同時測量，且測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種微納操控平臺三自由度的測量方法。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種微納操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)，所述微納操控平臺包括平臺底座以及位于所述平臺底座上的位移平臺，其特征在于，包括：

位于第一軸線上的第一激光干涉儀和第二激光干涉儀，第一激光干涉儀的發(fā)射孔的中心軸線與第二激光干涉儀的發(fā)射孔的中心軸線共線；以及

設(shè)在位移平臺上構(gòu)造成十字形的光學(xué)組件，該光學(xué)組件包括與第一激光干涉儀對應(yīng)的第一直角鏡片部分，該第一直角鏡片部分包括第一直角鏡面和第二直角鏡面，且第一激光干涉儀發(fā)射的入射光線與該入射光線經(jīng)第一直角鏡片部分的第一直角鏡面和第二直角鏡面反射后的出射光線平行，光學(xué)組件還包括與第二激光干涉儀對應(yīng)的第二直角鏡片部分，該第二直角鏡片部分包括第一直角鏡面和第二直角鏡面，且第二激光干涉儀發(fā)射的入射光線與該入射光線經(jīng)第二直角鏡片部分的第一直角鏡面和第二直角鏡面反射后的出射光線平行；以及

還包括圖像傳感器以及設(shè)置在經(jīng)第一直角鏡片部分反射后的出射光線的光路上的分光鏡，經(jīng)分光鏡反射的分光光路與所述圖像傳感器的感光面垂直。

其中，光學(xué)組件包括設(shè)置在位移平臺上的光學(xué)組件底座，在光學(xué)組件底座上設(shè)置有構(gòu)造成十字形的四個卡槽，在每個卡槽中均設(shè)置有玻璃片，其中，靠近第一激光干涉儀的兩個玻璃片形成第一直角鏡片部分，靠近第二激光干涉儀的兩個玻璃片形成第二直角鏡片部分，其中，靠近第一激光干涉儀的兩個玻璃片面向第一激光干涉儀的一面均涂覆有反光膜，靠近第二激光干涉儀的兩個玻璃片面向第二激光干涉儀的一面均涂覆有反光膜。

本發(fā)明還提供了一種微納操控平臺三自由度的測量方法，其包括：

s1：將位移平臺的運動分解成沿第一軸線的平移運動、沿與第一軸線垂直的第二軸線的平移運動和繞平臺中心點的旋轉(zhuǎn)運動，設(shè)位移平臺沿第二軸線的平移距離為a1，沿第一軸線的平移距離為a2，以及繞平臺中心點的旋轉(zhuǎn)角度為θ；

s2：由圖像傳感器測得第一直角鏡片部分的出射光線的移動距離x1，得出沿第二軸線的平移運動距離a1＝x1/2；

s2：由第一激光干涉儀測得第一軸線上的第一方向光程差y11；由第二激光干涉儀測得第一軸線上的第二方向光程差y22；通過以下公式計算得出第一激光干涉儀因位移平臺沿第一軸線平移運動接收到的光程差y1、第一激光干涉儀因位移平臺繞平臺中心點旋轉(zhuǎn)運動接收到的光程差y2和沿第一軸線的平移距離a2；

y11＝y(tǒng)1+y2，

y22＝-y1+y2，

y1＝2a2；

s4:設(shè)在所述繞平臺中心點的旋轉(zhuǎn)運動中，位移平臺旋轉(zhuǎn)前第一直角鏡片部分的第一直角鏡面的第一反射點與位移平臺旋轉(zhuǎn)后第一直角鏡片部分的第一直角鏡面的第一反射點之間的距離為m，位移平臺旋轉(zhuǎn)前第一直角鏡片部分的第二直角鏡面的第二反射點與位移平臺旋轉(zhuǎn)后第一直角鏡片部分的第二直角鏡面的第二反射點之間的距離為n，則令α＝m/n，并已知l0為位移平臺未運動前第一直角鏡片部分的入射光線與出射光線之間的距離，則通過下式計算得出位移平臺的旋轉(zhuǎn)角度θ：

(三)有益效果

本發(fā)明提供的微納操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)通過圖像傳感器實現(xiàn)位移平臺的第二軸線方向的位移測量，并通過第一軸線上的兩個激光干涉儀實現(xiàn)第一軸線方向的位移測量，并間接計算得出微納操控平臺的旋轉(zhuǎn)角度，從而實現(xiàn)空間三自由度的位移和角度測量，很好地克服了現(xiàn)有檢測器件的局限性，滿足空間多自由度直線位移與角位移的實時測量反饋。此外，該測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高。

附圖說明

圖1為根據(jù)本發(fā)明的一種微納操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中的一種微納操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)的俯視圖；

圖3為圖1中的測量系統(tǒng)的光學(xué)組件的一個優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為圖1中的位移平臺運動前后的示意圖；

圖5為圖4中的位移平臺的運動分解示意圖，其中(a)為位移平臺運動前的結(jié)構(gòu)示意圖；(b)為分解后的位移平臺沿x軸平移的示意圖；(c)為分解后的位移平臺沿y軸平移的示意圖；以及(d)為分解后的位移平臺繞位移平臺中心點旋轉(zhuǎn)的示意圖；

圖6為圖5(b)中位移平臺沿x軸平移前后入射光線和出射光線的示意圖；

圖7為圖5(c)中位移平臺沿y軸平移前后入射光線和出射光線的示意圖；

圖8為圖5(d)中位移平臺繞平臺中心點旋轉(zhuǎn)前后的入射光線和出射光線的示意圖。

圖中，1：第一激光干涉儀；2：第二激光干涉儀；3：圖像傳感器；4：位移平臺；5：平臺底座；6：光學(xué)組件；601：光學(xué)組件底座；602：玻璃片；603：固定支架；604：活動支架；605：螺栓。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”、“x軸”“y軸”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

此外，術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接或彼此可通訊；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通或兩個元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

圖1和圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種微納操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)的一個優(yōu)選實施例。如圖1所示，微納操控平臺包括平臺底座5以及位于平臺底座5上的位移平臺4，該測量系統(tǒng)包括：位于第一軸線(y軸)上的第一激光干涉儀1和第二激光干涉儀2，第一激光干涉儀1的發(fā)射孔的中心軸線與第二激光干涉儀2的發(fā)射孔的中心軸線共線；以及設(shè)在位移平臺4上構(gòu)造成十字形的光學(xué)組件6，該光學(xué)組件6包括與第一激光干涉儀1對應(yīng)的第一直角鏡片部分，該第一直角鏡片部分包括第一直角鏡面和第二直角鏡面，且第一激光干涉儀1發(fā)射的入射光線與該入射光線經(jīng)第一直角鏡片部分的第一直角鏡面和第二直角鏡面反射后的出射光線平行，在該實施例中，第一激光干涉儀1發(fā)射的入射光線入射到第一直角鏡片部分的第一直角鏡面的初始入射角為45°。光學(xué)組件還包括與第二激光干涉儀2對應(yīng)的第二直角鏡片部分，該第二直角鏡片部分包括第一直角鏡面和第二直角鏡面，且第二激光干涉儀發(fā)射的入射光線與該入射光線經(jīng)第二直角鏡片部分的第一直角鏡面和第二直角鏡面反射后的出射光線平行。在該實施例中，第二激光干涉儀2發(fā)射的入射光線入射到第二直角鏡片部分的第一直角鏡面的初始入射角為45°。

此外，該測量系統(tǒng)還包括圖像傳感器3以及設(shè)置在經(jīng)第一直角鏡片部分反射后的出射光線的光路上的分光鏡7，經(jīng)分光鏡7反射的分光光路與圖像傳感器3的感光面垂直。

本發(fā)明提供的微納米操控平臺三自由度的測量系統(tǒng)通過圖像傳感器3和分光鏡7能夠?qū)崿F(xiàn)與y軸垂直的第二軸線(x軸)方向上的位移測量，通過y軸上的兩個激光干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)y方向的位移測量，并能夠間接計算得出微納操控平臺的旋轉(zhuǎn)角度(具體計算方法將在下面描述)，從而實現(xiàn)空間三自由度的位移和角度測量，很好地克服了現(xiàn)有檢測器件的局限性，滿足空間多自由度直線位移與角位移的實時測量反饋。此外，該測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高。

具體地，如圖3所示，該光學(xué)組件6包括設(shè)置在位移平臺1上的光學(xué)組件底座601，在光學(xué)組件底座601上設(shè)置有構(gòu)造成十字形的四個卡槽，在每個卡槽中均設(shè)置有玻璃片602，其中，光學(xué)組件6中靠近第一激光干涉儀1的兩個玻璃片602(第一玻璃片和第二玻璃片)面向第一激光干涉儀1的一面均涂覆有反光膜，靠近第二激光干涉儀2的兩個玻璃片602(第三玻璃片和第四玻璃片)面向第二激光干涉儀2的一面均涂覆有反光膜。

優(yōu)選地，光學(xué)組件還包括位于光學(xué)組件底座601上的兩個固定支架603和兩個能夠在x軸方向移動的活動支架604，其中一個固定支架603分別貼靠在靠近第一激光干涉儀1的兩個玻璃片(第一玻璃片和第二玻璃片)上，另外一個固定支架603分別貼靠在靠近第二激光干涉儀2的兩個玻璃片(第三玻璃片和第四玻璃片)上，其中一個活動支架604分別抵接在第二玻璃片和第三玻璃片上，另外一個活動支架604分別抵接在第一玻璃片和第四玻璃片上，固定支架603和活動支架604的橫截面都呈等腰直角形狀。在活動支架604的外端設(shè)置有螺栓605，在光學(xué)組件底座601上設(shè)置有與螺栓605配合的螺紋孔，當擰螺栓頭部時，螺栓桿部抵接在活動支架604上，以使活動支架604沿x方向滑動，從而將相應(yīng)的玻璃片固定于相應(yīng)的活動支架603和固定支架604之間。

在該實施例中，第一激光干涉儀1、第二激光干涉儀2分別與平臺底座5支撐連接。

本發(fā)明還公開了一種微納操控平臺三自由度的測量方法，其包括以下步驟:

s1：將微納操控平臺的運動(如圖4所示)分解成位移平臺4沿x軸的平移運動(如圖5(b)所示)，沿y軸的平移運動(如圖5(c)所示)和繞平臺中心點的旋轉(zhuǎn)運動(如圖5(d)所示)，設(shè)位移平臺4沿x軸的平移距離為a1，沿y軸的平移距離為a2以及繞平臺中心點的旋轉(zhuǎn)角度為θ；

s2：由圖像傳感器測得第一直角鏡片部分的出射光線的移動距離x1，得出x軸的平移運動距離a1＝x1/2；

具體地，如圖6所示，l0為位移平臺4未移動時，第一直角鏡片部分的入射光線ab與出射光線cd之間的距離；l1為位移平臺4沿x軸平移運動后，第一直角鏡片部分的入射光線ae與出射光線fg之間的距離x1；a1為位移平臺4沿x軸平移的距離，l1-l0＝dg＝2×a1，故通過測量出射光線移動的距離可以獲得微納操控平臺沿x軸的位移a1＝x1/2。

當位移平臺4沿x軸運動時，y方向的光程差的變化為0，即沿x軸運動時，第一激光干涉儀1和第二激光干涉儀2輸出無變化。

s3：由第一激光干涉儀1測得y軸的第一光程差y11；由第二激光干涉儀2測得y軸的第二光程差y22，通過以下公式計算得出第一激光干涉儀1因位移平臺4沿y軸平移運動接收到的光程差y1、第一激光干涉儀1因位移平臺繞平臺中心點旋轉(zhuǎn)運動接收到的光程差y2和沿y軸的平移距離a2(如圖7所示)；

y11＝y(tǒng)1+y2，

y22＝-y1+y2，

y1＝2a2；

s4:設(shè)在所述繞平臺中心點的旋轉(zhuǎn)運動中，如圖8所示，位移平臺4旋轉(zhuǎn)前第一直角鏡片部分的第一反射點b與位移平臺4旋轉(zhuǎn)后第一直角鏡片部分的第一反射點e之間的距離為m，位移平臺4旋轉(zhuǎn)前第一直角鏡片部分的第二反射點c與位移平臺4旋轉(zhuǎn)后第一直角鏡片部分的第二反射點f之間的距離為n，則令α＝m/n，并已知l0為位移平臺4未運動前第一直角鏡片部分的入射光線ab與出射光線cd之間的距離(如圖7所示)，則通過下式計算得出位移平臺4的旋轉(zhuǎn)角度θ：

當位移平臺4a沿y軸運動時，第一激光干涉儀1因位移平臺4a沿y軸平移運動接收到的光程差y1、第一激光干涉儀1因位移平臺繞平臺中心點旋轉(zhuǎn)運動接收到的光程差y2和沿y軸的平移距離a2(如圖8所示)，則y1、y2和a2滿足下列公式；

y11＝y(tǒng)1+y2，

y22＝-y1+y2，

y1＝2a2；

位移平臺4b繞平臺中心點的旋轉(zhuǎn)運動前后，當入射光線ab的方向和位置不變時，出射光線cd的方向和位置也不發(fā)生變化。

在圖8中，過k點作水平直線kn，過f作gf的延長線和過k點的水平線交于點n。

(1)設(shè)位移平臺4旋轉(zhuǎn)的角度為θ，當旋轉(zhuǎn)角θ為0°時，入射光線為ab，出射光線為cd，入射光線的入射角為45°，出射光線cd的出射角也為45°，因此eb//cg。

(2)當旋轉(zhuǎn)角θ不為0°時，入射光線為ae，出射光線為fg，入射光線的入射角為45°+θ，此時∠kef＝45°-θ,在直角δekf中，∠kef＝45°-θ，∠ekf＝90°，可得∠efk＝45°+θ。

圖8中，∠fkn＝45°-θ,∠ghm＝∠efk＝45°+θ,∠kfn＝∠gfm＝45°+θ。所以∠knf＝180°-∠fkn-∠kfn＝90°。gf的延長線fn//eb平行，所以gf//eb。

ab到cd的距離為bc＝l1。fg到eb的距離為eg，∠gef＝90°-∠bek-∠kef＝2θ,且eg和gf垂直，所以eg＝ef×cos2θ，其中

ef＝ek/cos(45°-θ)，

bk＝bc×cos45°，

可得eg＝l1。

所以cd和fg平行且cd到ab的距離和fg到ab的距離相等,故直線cd和直線fg重合。

位移平臺4做旋轉(zhuǎn)運動后的光程差為：y2＝ef+fc-eb-bc。由幾何知識可知，△eob≈△cof(即圖中帶陰影的兩個三角形相似)，設(shè)相似比為

∠gef＝2×θ；

由以上條件可獲得如下方程：

在δfjk中，∠bek＝45°-θ，∠ekb＝θ，由正弦定理知：

方程式(1)和(2)聯(lián)合求解可獲得微納操控平臺的旋轉(zhuǎn)角度θ。

以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。