專利名稱：定標或檢定用的納米級位移發(fā)生器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高精度微位移測量裝置，在長度計量領域中可作為一種定標或檢定裝置。
各種計量儀器在使用之前都需要經過定標或檢定，以實現(xiàn)量值統(tǒng)一和確保它們的測量精度。對于普通的長度計量儀器，通常是用已知的尺寸經高一級精度儀器檢定過的標準實物如量塊進行定標或檢定。但對于測量范圍在幾微米以內的高精度微位移傳感器來說，制作一種檢定或定標裝置是一件比較困難的工作，因為這樣一種裝置要求有納米級的精度。中國《計量學報》第十一卷第一期1990年1月刊登的《高精度微位移差拍激光干涉儀》中國計量科學院，徐毅、葉孝佑、李成陽、鄒玲丁、許婕、高峰等一文中介紹了這樣一種裝置的原理實驗。據(jù)文中所述，該裝置的核心部分由一臺法布里——珀羅激光干涉儀和一臺標準激光器組成，其工作原理為當上述法布里——珀羅干涉儀的腔長工作間隔發(fā)生變化時，若改變組成該激光干涉儀的激光器工作激光器的輸出光的頻率，使該激光干涉儀的輸出光強鎖定在最大值上，則該激光干涉儀的腔長變化與工作激光器的頻率變化有一簡單對應關系。通過使工作激光器輸出光與標準激光器輸出光的拍頻即可測出工作激光器的頻率變化。文獻給出該裝置的位移精度可達1nm。但是，該裝置需用兩臺激光器，一臺腔長可改變，使輸出光頻率改變，另一臺為標準激光器，因此費用較高。其次，為使工作激光器工作時不跳模，上述法布里——珀羅激光干涉儀的腔長較大約在150－200mm之間，加之需設置一套拍頻光路，欲使裝置小型化是困難的。
根據(jù)上述現(xiàn)有技術存在的缺點，本實用新型的目的是提供一種由CCD線陣圖象傳感器采集干涉圖象，利用二塊反射鏡二次改變光路方向的，使結構小型化的用于定標或檢定的納米級標準靜態(tài)位移發(fā)生器。
該實用新型可通過以下技術方案實施，將一CCD線陣圖象傳感器(7)置于一個法布里——珀羅干涉儀聚焦鏡的焦平面上，在法布里——珀羅干涉儀光路中插入反射鏡(9)和(12)，反射鏡(9)直接固定在位移機構(10)上，隨該位移機構同步產生位移。本實用新型的原理如附圖1所示。由氦－氖激光發(fā)出的平行光束(1)經透鏡(2)會聚，發(fā)散后經小孔光闌(3)，并起濾波作用射向法布里——珀羅平板(4)和(5)，出射的光線經聚焦鏡(6)在其焦平面上形成多光束干涉條紋，其形狀為一組同心圓。在聚焦鏡(6)的焦平面上放置一CCD線陣圖象傳感器(7)。當法布里－珀羅平板(4)和(5)之間的間隔發(fā)生位移時，上述同心圓的直徑即發(fā)生變化，通過CCD圖象傳感器(7)采集干涉圖象，其信號送入計算機圖中未表示，采用適當?shù)挠嬎惴椒纯傻玫阶顑纫粭l干涉環(huán)的直徑，利用公式△h＝ ，式中△h表示法布里——珀羅平板(4)和(5)之間間隔的變化，D1、D2分別表示最內一條干涉環(huán)且必須是同一干涉環(huán)的前后兩次直徑。A為一個與法布里——珀羅平板(4)與(5)間隔、聚焦鏡(6)焦距等有關的常數(shù)，它由以下方法確定。改變法布里——珀羅平板(4)和(5)的間隔，使干涉環(huán)中心一點的光強達最大值，測出最內一條干涉環(huán)的直徑D，則A＝ ，其中λ為激光波長。
本實用新型的優(yōu)點在于(1)在較高精度的前提下體積較小，費用較低，制造工藝及操作維修方便，(2)以CCD圖象傳感器采集干涉圖樣，計算機處理采樣數(shù)據(jù)，實時性強。


如下圖1為納米級標準靜態(tài)位移發(fā)生器原理圖。
圖2為納米級標準靜態(tài)位移發(fā)生器結構示意圖。
本實用新型的實施倒還可通過附圖進一步說明如下附圖2是本實用新型的結構示意圖。圖中(8)是氖－氦激光器(2)作為會聚透鏡的顯微物鏡，(3)為小孔光闌，(9)為全反射棱鏡，直接固定在位移機構(10)上，法布里——珀羅平板(4)固定在位移機構(10)的下部。位移機構(10)的作用在于產生納米級位移靈敏度的平行位移。在該結構中，法布里——珀羅平板(5)和聚焦透鏡為一雙膠合鏡(6)分別固定在平行度調節(jié)機構(11)上，該機構的作用是確保裝機時法布里——珀羅平板(4)和(5)的嚴格平行和間隔的調節(jié)。(12)為平面反射鏡。在該裝置中，(9)和(12)的作用是為減小裝置的體積，并使位移方向在通常使用時較為方便的上下方向。(13)為調焦機構，它可沿光路作軸向移動，將固定于其上的線陣CCD圖象傳感器(7)準確地調節(jié)到聚焦透鏡(6)的焦平面上。(13)為裝置底座。實際操作時，下面一塊法布里——珀羅平板(5)不動，由位移機構(10)帶動上面一塊法布里——珀羅平板(4)上下運動，從而改變兩塊法布里——珀羅平板(4)和(5)之間的間隔，而全反射棱鏡(9)也固定在位移機構(10)上，這樣可隨該機構同步運動，簡化裝置機械結構。雖然當反射棱鏡(9)上下位移時會對光路產生一定的影響，由于位移極小(小于2μm)，經實驗證明，這種影響可忽略不計。在該裝置中，兩法布里——珀羅平板(4)和(5)的間隔大為縮小小于0.5mm，這樣不但可以提高測量放大比，且可以有效降低儀器高度。由上述可知，反射鏡(9)和(12)改變了裝置的另部件沿一個方向布局，從而縮小了裝置長度。
權利要求1.一種定標或檢定用的納米級位移發(fā)生器，其特征為用一個CCD陣線圖象傳感器并使它置于法布里-珀羅干涉儀聚焦鏡的焦平面上進行位移量，在法布里-珀羅干涉儀光路中插入反射鏡(9)和(12)。
2.根據(jù)權利要求1所述的位移發(fā)生器，其特征為反射鏡(9)直接固定在位移機構(10)上，隨該位移機構同步位移。
專利摘要該裝置涉及一種高精度微位移測量裝置，在長度計量領域中可以作為一種定標或檢定裝置。它采用CCD線陣圖象傳感器，并使它置于法—珀干涉儀聚焦鏡的焦平面上進行位移測量，在法—珀干涉儀光路中插入二個反射鏡。該裝置在確保較高精度前提下具有體積小、制造工藝簡化、成本低、操作簡便等優(yōu)點。
文檔編號G01B9/00GK2097392SQ9122363
公開日1992年2月26日 申請日期1991年8月20日 優(yōu)先權日1991年8月20日
發(fā)明者李 柱, 李彬, 陳家璧, 劉沖 申請人:華中理工大學