一種納米位移臺六自由度校準裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于分光激光干涉的六自由度納米位移臺的校準裝置，屬于激光精密測距技術領域；所述裝置包括支撐平臺、分光測量裝置系統(tǒng)及納米位移臺；這種設計，保證了納米移動平臺6自由度姿態(tài)的測量，解決了任意姿態(tài)納米尺度位移測量難題，適用于X軸、Y軸、Z軸和旋轉(zhuǎn)角度的納米位移臺同時變化的全姿態(tài)識別與超精密測量校準。
【專利說明】
一種納米位移臺六自由度校準裝置
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于納米位移臺校準領域，具體涉及一種納米位移臺六自由度校準裝置。
【背景技術】
[0002]目前，一般利用單軸干涉儀和多軸干涉儀兩種方法進行測量來校準納米位移臺，但該兩種測量方法均存在一定技術缺陷，具體缺陷如下:
[0003]利用單軸干涉儀測量校準納米位移臺。測量時，單軸干涉儀只能測量一軸方向的位移或者角度，如果要實現(xiàn)納米位移臺多自由度的測量就必須增加干涉儀和平面鏡的數(shù)量，并且平面鏡位置的正交性難以得到保證，增加了干涉儀和測量鏡等的安裝調(diào)試難度。無法實現(xiàn)納米位移臺多自由度信息的同時測量。
[0004]利用多軸干涉儀校準納米位移臺。測量時，多軸干涉儀可以實現(xiàn)某一個軸方向的位移和角度的同時測量，利用多個多軸干涉儀和平面鏡進行納米位移臺的測量，可以實現(xiàn)納米位移臺六自由度的測量，但是由于光路布局等因素的影響，使得多軸干涉儀距離測量鏡比較遠，會存在很大的死光程誤差。而且激光器發(fā)出的激光直接經(jīng)過分光鏡和反射鏡后進入多軸軸干涉儀，由于測量位移以激光波長為基礎，當空氣的溫度、壓力、濕度等因素變化時，會改變激光在空氣中的波長，從而使得測量結果不準。雖然可以進行波長補償，但是無法完全補償由于空氣波動產(chǎn)生的影響。
[0005]綜上所述，目前還沒有一臺能夠?qū)崿F(xiàn)量值直接溯源的，具有毫米級測量范圍、納米級測量準確度的，可以直接溯源到國際單位制中“米”的定義的測量儀器設備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種納米位移臺六自由度校準裝置，通過該技術方案的設計制造出了能夠?qū)崿F(xiàn)量值直接溯源的，具有毫米級測量范圍、納米級測量準確度的，可以直接溯源到國際單位制中“米”的定義的測量儀器設備。
[0007]本發(fā)明所采用的技術方案為:一種納米位移臺六自由度校準裝置，包括:支撐系統(tǒng)、激光系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，所述支撐系統(tǒng)包括支撐平臺和氣浮平臺，所述激光系統(tǒng)設置在所述支撐平臺上，所述測量系統(tǒng)設置在所述氣浮平臺上，所述激光系統(tǒng)和所述測量系統(tǒng)電連接;所述測量系統(tǒng)包括固定支架、納米位移臺、測量鏡和三維干涉儀，所述納米位移臺通過納米位移調(diào)整板固定在所述氣浮平臺上，且所述納米位移臺位于所述固定支架的下方，所述測量鏡通過測量鏡底座設置在所述固定支架的上，所述三維干涉儀的X軸、Y軸和Z軸均兩兩正交的固定在所述固定支架上并分別與所述測量鏡的三個反射面垂直。
[0008]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，所述激光系統(tǒng)和所述測量系統(tǒng)之間通過光纖連接。
[0009]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，所述固定支架為龍門結構的大理石支架，且所述固定支架上開設有方形孔，所述測量鏡穿過所述方形孔與測量鏡底座相連接。
[0010]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，所述支撐平臺、所述氣浮平臺和所述固定支架均由大理石制成。
[0011]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，所述納米位移調(diào)整板與所述氣浮平臺之間設置有第一調(diào)節(jié)裝置，所述第一調(diào)節(jié)裝置包括球窩支撐結構和兩個調(diào)節(jié)螺桿，兩個所述調(diào)節(jié)螺桿分別設置在所述球窩支撐結構的兩側(cè)。
[0012]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，所述納米位移調(diào)整板的一側(cè)設置有水平粗調(diào)螺母。
[0013]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，所述激光系統(tǒng)包括激光器、縮束鏡、分光鏡組、光纖耦合器和波長補償儀，所述激光系統(tǒng)通過光纖耦合器與所述測量系統(tǒng)光纖連接。
[0014]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，所述激光器通過固定底座與所述支撐平臺相連接，且所述固定底座與所述支撐平臺之間設置有第二調(diào)節(jié)裝置，所述第二調(diào)節(jié)裝置為帶有球頭的螺紋桿;所述固定底座的兩側(cè)設置有把手。
[0015]本發(fā)明技術方案的進一步優(yōu)化，還包括保護罩，所述保護罩設置在所述測量系統(tǒng)的外部。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:通過在激光系統(tǒng)和測量系統(tǒng)上設置調(diào)節(jié)裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)納米位移臺在六個自由度上的校準;將激光系統(tǒng)和測量系統(tǒng)之間采用光纖傳導，減小了光源發(fā)熱帶來的熱誤差;測量系統(tǒng)下方采用氣浮平臺支撐，能夠使測量系統(tǒng)不受運動結構振動的影響；激光系統(tǒng)采用重量大，不易產(chǎn)生形變的大理石平臺支撐，機械性能穩(wěn)定可靠；固定支架采用類似龍門結構的座椅形設計，且采用大理石材料，既保證了機械性能的穩(wěn)定可靠也減小了死光程誤差；納米位移調(diào)整板與氣浮平臺之間設置第一調(diào)整裝置，方便進行三維調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)不同自由度的校準，同樣測量鏡通過球窩與磁鐵進行定位與連接，減小了阿貝誤差和余弦誤差;采用激光干涉儀、參考反射鏡和測量反射鏡構成測量系統(tǒng)，可以將位移溯源到國際單位制中“米”的定義。
【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明納米位移臺六自由度校準裝置的整體結構示意圖；
[0018]圖2是本發(fā)明測量系統(tǒng)的結構示意圖；
[0019]圖3是本發(fā)明激光系統(tǒng)的結構示意圖。
[0020]圖中:1、支撐系統(tǒng)；11、支撐平臺；12、氣浮平臺；2、激光系統(tǒng)；21、固定底座;22、第二調(diào)節(jié)裝置;23、激光器;24、光纖耦合器;25、波長補償儀;26、縮束鏡；27、把手；28、分光鏡組;3、測量系統(tǒng);31、固定支架;32、納米位移調(diào)整板;33、納米位移臺；34、水平粗調(diào)螺母;35、球窩支撐結構;36、調(diào)節(jié)螺桿;37、測量鏡底座;38、測量鏡;4、光纖。
【具體實施方式】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將對本發(fā)明的技術方案進行詳細的描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所得到的所有其它實施方式，都屬于本發(fā)明所保護的范圍。
[0022]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供了一種納米位移臺六自由度校準裝置，包括:支撐系統(tǒng)、激光系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，所述支撐系統(tǒng)包括支撐平臺和氣浮平臺，所述激光系統(tǒng)設置在所述支撐平臺上，所述測量系統(tǒng)設置在所述氣浮平臺上，所述激光系統(tǒng)和所述測量系統(tǒng)電連接;所述測量系統(tǒng)包括固定支架、納米位移臺、測量鏡和三維干涉儀，所述納米位移臺通過納米位移調(diào)整板固定在所述氣浮平臺上，且所述納米位移臺位于所述固定支架的下方，所述測量鏡通過測量鏡底座設置在所述固定支架的上，所述三維干涉儀的X軸、Y軸和Z軸均兩兩正交的固定在所述固定支架上并分別與所述測量鏡的三個反射面垂直，所述激光系統(tǒng)包括激光器、縮束鏡、分光鏡組、光纖耦合器和波長補償儀，所述激光系統(tǒng)通過光纖耦合器與所述測量系統(tǒng)光纖連接。
[0023]本技術方案優(yōu)選的，X軸、Y軸和Z軸干涉儀采用ZYGO公司的ZMI系列干涉儀，；此處的ZYGO公司的ZMI系列干涉儀也可簡便的更換為其他類型的干涉儀，實現(xiàn)不同類型樣品的測量。采用ZMI4004采集測量板，可實現(xiàn)0.15nm的位移分辨率。
[0024]該納米位移臺六自由度校準裝置主要用來同時測量納米位移臺6自由度，系統(tǒng)最大的測量范圍為10 X 10 X 10mm。測量主板采用1024電子細分的ZMI4004采集測量板，可實現(xiàn)0.15nm的位移分辨率。
[0025]所述激光系統(tǒng)和所述測量系統(tǒng)之間通過光纖連接，能夠減少在傳導的過程中產(chǎn)生的熱誤差。所述固定支架為龍門結構的大理石支架，且所述固定支架上開設有方形孔，所述測量鏡穿過所述方形孔與測量鏡底座相連接。所述支撐平臺、所述氣浮平臺和所述固定支架均由大理石制成。
[0026]所述納米位移調(diào)整板與所述氣浮平臺之間設置有第一調(diào)節(jié)裝置，所述第一調(diào)節(jié)裝置包括球窩支撐結構和兩個調(diào)節(jié)螺桿，兩個所述調(diào)節(jié)螺桿分別設置在所述球窩支撐結構的兩側(cè)。
[0027]所述納米位移調(diào)整板的一側(cè)設置有水平粗調(diào)螺母，通過水平粗調(diào)螺母能夠調(diào)節(jié)納米位移調(diào)整板的水平位移，然后通過第一條街裝置對納米位移調(diào)整板進行上下方位的調(diào)
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[0028]所述激光器通過固定底座與所述支撐平臺相連接，且所述固定底座與所述支撐平臺之間設置有第二調(diào)節(jié)裝置，所述第二調(diào)節(jié)裝置為帶有球頭的螺紋桿;所述固定底座的兩側(cè)設置有把手。在螺紋桿底部用球窩承接柱承接，螺紋桿和大理石之間還用一個緊固螺母進行固定，防止螺紋桿打滑，調(diào)節(jié)這三個螺紋桿就可以對激光器進行高度，俯仰和橫滾角的調(diào)整
[0029]還包括保護罩，所述保護罩設置在所述測量系統(tǒng)的外部。
[0030]本發(fā)明提供的一種納米位移臺六自由度校準裝置，測量系統(tǒng)的具體結構及工作原理如下:從光纖中出來的激光直接進入X軸干涉儀、Y軸干涉儀和Z軸干涉儀，從激光干涉儀出來的激光經(jīng)過測量鏡反射后回到干涉儀，通過激光干涉儀測量激光頻率前后的變化，即可根據(jù)相應的計算公式得到納米位移臺的位移變化值和角度變化值。其中納米位移臺下面安裝有納米位移臺調(diào)整板，在納米位移臺調(diào)整板上面有各種不同規(guī)格的納米位移臺安裝孔，可以安裝不同規(guī)格尺寸的納米位移臺；在納米位移臺調(diào)整板下面有軸心球窩支撐結構，作為支撐支點的軸心球是一個直徑大小為20mm的小鋼球，球窩I嵌入在納米位移臺調(diào)整板中，球窩2嵌入在大理石基板中；在納米位移臺調(diào)整板上安裝有2個二維角度調(diào)整結構，兩個細牙螺桿用于調(diào)節(jié)2個軸的俯仰角度，細牙螺紋襯套安裝在納米位移臺調(diào)整板中，通過調(diào)節(jié)2個細牙螺桿的高度達到俯仰調(diào)節(jié)的作用;在納米位移臺調(diào)整板左側(cè)安裝有左側(cè)調(diào)整結構，其中螺絲桿固定于龍門式的側(cè)壁上，圓片和圓片之間夾著彈簧，圓片的側(cè)邊頂在納米位移臺調(diào)整面的側(cè)壁上，螺桿的尾部深入到調(diào)整面的里面;在納米位移臺調(diào)整板右側(cè)安裝有右側(cè)調(diào)整結構，細牙螺絲頂住納米位移臺調(diào)整面，通過調(diào)節(jié)細牙螺絲來調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度。
[0031]以上所述，僅為本發(fā)明的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應所述以權利要求的保護范圍為準。
【主權項】
1.一種納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于，包括:支撐系統(tǒng)(I)、激光系統(tǒng)(2)和測量系統(tǒng)(3)，所述支撐系統(tǒng)(I)包括支撐平臺(11)和氣浮平臺(12)，所述激光系統(tǒng)(2)設置在所述支撐平臺(11)上，所述測量系統(tǒng)(3)設置在所述氣浮平臺(12)上，所述激光系統(tǒng)(2)和所述測量系統(tǒng)(3)電連接； 所述測量系統(tǒng)(3)包括固定支架(31)、納米位移臺(33)、測量鏡(38)和三維干涉儀，所述納米位移臺(33)通過納米位移調(diào)整板(32)固定在所述氣浮平臺(12)上，且所述納米位移臺(33)位于所述固定支架(31)的下方，所述測量鏡(38)通過測量鏡底座(37)設置在所述固定支架(31)的上，所述三維干涉儀的X軸、Y軸和Z軸均兩兩正交的固定在所述固定支架(31)上并分別與所述測量鏡(38)的三個反射面垂直。2.根據(jù)權利要求1所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:所述激光系統(tǒng)(2)和所述測量系統(tǒng)(3)之間通過光纖連接。3.根據(jù)權利要求1所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:所述固定支架(31)為龍門結構的大理石支架，且所述固定支架(31)上開設有方形孔，所述測量鏡(38)穿過所述方形孔與測量鏡底座(37)相連接。4.根據(jù)權利要求1所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:所述支撐平臺(11)、所述氣浮平臺(12)和所述固定支架(31)均由大理石制成。5.根據(jù)權利要求1所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:所述納米位移調(diào)整板(32)與所述氣浮平臺(12)之間設置有第一調(diào)節(jié)裝置，所述第一調(diào)節(jié)裝置包括球窩支撐結構(35)和兩個調(diào)節(jié)螺桿(36)，兩個所述調(diào)節(jié)螺桿(36)分別設置在所述球窩支撐結構(35)的兩側(cè)。6.根據(jù)權利要求5所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:所述納米位移調(diào)整板(32)的一側(cè)設置有水平粗調(diào)螺母(34)。7.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:所述激光系統(tǒng)(2)包括激光器(23)、縮束鏡(26)、分光鏡組(28)、光纖親合器(24)和波長補償儀(25)，所述激光系統(tǒng)(2)通過光纖耦合器(24)與所述測量系統(tǒng)(3)光纖(4)連接。8.根據(jù)權利要求6所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:所述激光器(23)通過固定底座(21)與所述支撐平臺相連接，且所述固定底座(21)與所述支撐平臺(11)之間設置有第二調(diào)節(jié)裝置(22)，所述第二調(diào)節(jié)裝置(22)為帶有球頭的螺紋桿;所述固定底座(21)的兩側(cè)設置有把手(27)。9.根據(jù)權利要求6所述的納米位移臺六自由度校準裝置，其特征在于:還包括保護罩，所述保護罩設置在所述測量系統(tǒng)(3)的外部。
【文檔編號】G01B11/02GK106052570SQ201610657239
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月11日 公開號201610657239.5, CN 106052570 A, CN 106052570A, CN 201610657239, CN-A-106052570, CN106052570 A, CN106052570A, CN201610657239, CN201610657239.5
【發(fā)明人】施玉書, 高思田, 李慶賢, 王興旺, 李偉, 李琪, 李適, 王鶴群, 皮磊, 張樹, 郭鑫, 沈飛
【申請人】中國計量科學研究院