[發明專利]一種用F-P標準具測量二維微位移的裝置與方法

有效

• 申請號: 201710469151.5
• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107144224B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 朱鶴年;沈小燕;李東升;蔡晉輝;孫志鵬
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 林超

本發明公開了一種用F?P標準具測量二維微位移的裝置與方法。包括光源、柔性光纖和面陣成像器件，光源與柔性光纖連接，柔性光纖輸出端前方布置面陣成像器件，柔性光纖和面陣成像器件之間設置有準光組合部件，通過準光組合部件將柔性光纖出射的光束處理成共軸同圓心的一系列同心圓并成像到面陣成像器件上，準光組合部件包括濾光片、F?P標準具和物鏡；計算每個圓環分別沿坐標軸方向的圓心坐標，確定每個圓環的圓心坐標，由面陣成像器件移動前后的圓心坐標相減獲得二維微位移值。本發明測量裝置簡單緊湊且造價較低，方法微位移重復性標準差可達20nm以下，準確度高。

技術領域

本發明屬于技術領域，具體涉及了一種用F-P標準具測量二維微位移的裝置與方法。

背景技術

目前測量微位移的方法有多種。電容測微儀法的電容C反比于微位移x,即C∝1/x，電容測量標準差S_C一定時微位移標準差S_x近似為S_x∝x²S_C，使電容測微儀的測量范圍小。電感測微儀的位移有效分辨率一般比電容測微儀要大一個數量級。光柵細分測量法的有效分辨率以及位移接近0時的重復性標準差都比電容測微儀法大1～2個數量級。

激光干涉法測微位移原理上準確度高，測量不確定度為U_x≈c₀+c₁x，測量不確定度小，式中c₀表示常量項，c₁表示比例項，常量項c₀與干涉條紋細分或信號相位細分的重復性標準差正相關，比例項c₁與波長λ＝λ₀/n的不確定度有關，λ₀表示真空波長，n表示空氣折射率，c₁與與波長的相對不確定度呈單調關系，式中帶下標的U表示下標所示物理量的不確定度。原理上c₀可達0.1nm量級甚至更小，U_λ/λ也能控制在2×10^-7以下。

但是實際系統中常常存在多種不確定度分量因素的影響，例如有：阿貝誤差的影響，光路中不可避免的閑程(或譯為死程)誤差的影響，溫度、氣壓等多種影響量的不確定度分量，以及干涉條紋細分或信號相位細分的線性度影響。上述多種因素的綜合影響常常使幾毫米范圍的微位移擴展不確定度難于減小到100nm以下。二維測量需要激光頻率穩定的兩組干涉測量光路及信號處理部件，使系統復雜且造價高。

發明內容

為了解決背景技術中存在的問題，本發明目的在于提供了一種用F-P標準具測量二維微位移的裝置與方法。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一、一種用F-P標準具測量二維微位移的裝置：

裝置包括光源、柔性光纖和面陣成像器件，光源與柔性光纖連接，柔性光纖輸出端前方布置面陣成像器件，柔性光纖和面陣成像器件之間設置有準光組合部件，通過準光組合部件將柔性光纖出射的光束處理成共軸同圓心的一系列同心圓并成像到面陣成像器件上。

所述的準光組合部件包括依次在柔性光纖輸出端前方布置的濾光片、F-P標準具和物鏡，一種或多種單色光的光源經過柔性光纖射入準光組合部件，準光組合部件產生的輸出光束為一系列匯聚的共軸圓錐光束到面陣成像器件，并作為測量的基準光束，共軸圓錐光束的中心軸為準光組合部件的光軸。

所述的面陣成像器件(以下簡稱為面陣器件或面陣)的接收表面與準光組合部件的光軸垂直，并與物鏡的焦平面重合。

所述的F-P標準具內部兩塊鏡面板的間隔距離為d。

所述的物鏡為中焦距或短焦距的物鏡。中焦距或短焦距是指焦距f在20～150mm范圍內，焦距偏短會降低面陣使用率，過長會增大圓心坐標標準差。

所述的面陣成像器件的一個邊與水平方向(圖中的X”軸方向)成45度角。