专利名称：拼接光栅位移偏差监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光栅，特别是一种对应用于高功率激光系统中的拼接光栅位移偏差 监测系统。
背景技术：
在激光核聚变项目中，为获得几十fs (飞秒)或者几个ps (皮秒)的短脉冲高
功率激光输出，需要使用大面积的光栅来对激光脉冲进行压縮，由于技术原因，直 接制作大口径衍射光栅既困难又不经济，目前， 一种替代的方法是采用光栅拼接手 段来获得大口径的衍射光栅，所谓光栅拼接，是将几块具有相同参数的子光栅，通 过精密的空间位置调整，使其相互间的位相差足够小或者同位相，从而相当于一块 完整的光栅。
要实现大面积的光栅拼接，关键在于实现各子光栅间极高的共面精度与光栅拼
缝间隔的稳定性，要求各子光栅间的共面精度应保持在几十个nm量级以内，光栅 之间的拼缝间隔小于子光栅刻线宽度的1/10，即几十个nm范围内。我们目前采用 的光栅拼接装置包括精调装置平台9和粗调装置平台IO两部分，先进行粗调，锁定 后的偏差在精调装置平台9的有效调节范围之内，再由精调装置平台9作进一步调 整，精调装置平台9是以柔性铰链作为运动副，压电陶瓷作为驱动器的微位移平台 构成。
以两块光栅拼接为例，其光栅拼接装置结构示意图如图l所示第一子光栅G1 安装在粗调装置平台10上，作为基准光栅，精调装置平台9由上下两层平台构成， 下层平台91具有两维平动及一维转动调节，上层平台92安装在下层平台上，包含 两维转动调节，第二子光栅G2安装在上层平台92上，第一子光栅G1、第二子光栅 G2之间的共面精度偏差为S，拼缝间隔为L。
根据光栅拼接中的调整精度要求，拼接装置除了要具有亚微米级的运动分辨率 之外，还必须具有很高的稳定性，即在拼接过程中将光栅调节至理想位置(光栅共 面精度偏差为S。，拼缝间隔为iL。)后，保持其位移变化在允许的范围(小于20nm)
内，因此拼接装置应该具有较大的刚性，以减弱外界干扰的影响。但是实验结果表明，由于压电陶瓷驱动器本身具有的迟滞、蠕变等特性，精调装置平台2的在水平 和垂直方向上的位移输出偏差会随着时间的变化而缓慢变化，最终都只能达到微米 量级，无法满足光栅拼接的定位的稳定性要求，从而严重影响激光脉冲的空间特性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有子光栅相对位置随时间变化的问题，提供一种
拼接光栅位移偏差监测系统，要求该系统能够保障所述的拼接光栅的长时间定位稳
定性优于15mn，并且具有测量性能稳定、成本低、结构简单、操作方便等特点。 本发明的技术解决方案是
一种拼接光栅位移偏差监测系统，包括供安装拼接光栅的光栅拼接装置，该光 栅拼接装置由粗调装置平台和精调装置平台组成，所述的粗调装置平台具有锁定结 构，所述的精调装置平台由底层平台和上层平台构成，该精调装置平台安装有压电 陶瓷驱动器，该压电陶瓷驱动器由水平压电陶瓷驱动器和竖直压电陶瓷驱动器组成， 水平压电陶瓷驱动器驱动该精调装置平台相对于所述的粗调装置平台的水平位移，
所述的竖直压电陶瓷驱动器驱动该精调装置平台的上层平台垂直位移，其特征在于
第一电容式数字微位移传感器的两极板相对地分别安装在所述粗调装置平台和 精调装置的底层平台水平方向的位置，第二电容式数字微位移传感器的两极板相对
地分别安装在所述精调装置的底层平台和上层平台的垂直方向的位置；
所述的第一电容式数字微位移传感器和第二电容式数字微位移传感器的输出端
接信号采样电路的输入端，该信号采样电路的输出端接单片机控制器的输入端，该
单片机控制器的输出端经串口通讯电路接PC机，该PC机的输出端经D/A转换器与
所述的压电陶瓷驱动器的控制端相连。
所述的拼接光栅由第一子光栅和第二子光栅构成，所述的第一子光栅安装在所
述的粗调装置平台的水平面上，当粗调装置平台锁定后作为基准光栅，第二子光栅
子安装在所述的精调装置平台的上层平台的水平面上。 所述的信号采样电路为电容数字转换器。
由于压电陶瓷驱动器本身具有的迟滞、蠕变等特性，精调装置平台在水平与垂 直方向的位移输出不能保持稳定，而是随着时间变化，位移偏差不断增大，此时光 栅拼缝间隔L与第一电容式数字微位移传感器的极板间距产生同样变化量，而共面 精度偏差S则与第二电容式数字微位移传感器的极板间距产生同样变化量，因此需 要分别测量第一电容式数字微位移传感器和第二电容式数字微位移传感器的极板间距变化量，即可同时求得拼接光栅的拼缝间隔L与共面精度偏差S的变化量。
信号采样电路在线检测第一电容式数字微位移传感器的两极板间的电容值，该 电容值作为光栅位移偏差检测系统的反馈值，由单片机控制器对电容值进行算术平 均，最后的算术平均值M即为最后得到的反馈电容值，通过串口电路传到PC机， 由PC机对反馈电容值进行处理，将其转化为实际的位移偏差，并求得压电陶瓷驱 动器所需要的驱动电压，经由D/A转换后将驱动电压施加在所述的压电陶瓷驱动器
上，驱动精调装置平台改变位移，从而调节并稳定两个子光栅的拼缝间隔为理想的" 状态，满足子光栅的定位稳定性要求。
第二电容式数字微位移传感器的工作原理和第一电容式数字微位移传感器类 似，不再详述。
本发明具有如下优点
1、 调节控制稳定性好，本发明使拼接子光栅的共面精度偏差S小于15nm，光 栅拼缝间隔丄长时间稳定性优于15nm;
2、 成本低廉，测量精度高，可靠性好；
3、 电路结构简单、操作方便，需要的空间小。
图1为光栅拼接装置平台的结构示意图。
图2为本发明电容传感式拼接光栅位移偏差监测系统的结构示意图。
图3为本发明压电陶瓷驱动器8安装结构示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。
请参阅图2，图2为本发明拼接光栅位移偏差监测系统的结构示意图，由图可见， 本发明拼接光栅位移偏差监测系统，包括-
由粗调装置平台10和精调装置平台9组成调整平台，所述的粗调装置平台10 具有锁定结构，所述的精调装置平台9由底层平台91和上层平台92构成，该精调 装置平台9安装有水平压电陶瓷驱动器81和竖直压电陶瓷驱动器82、 83，由水平 压电陶瓷驱动器81和竖直压电陶瓷驱动器82、 83组成压电陶瓷驱动器8，水平压 电陶瓷驱动器81驱动该精调装置平台9相对于所述的粗调装置平台10的水平位移运动，所述的竖直压电陶瓷驱动器82、 83驱动该精调装置平台9的上层平台92垂 直位移运动；
第一子光栅Gl安装在所述的粗调装置平台10的水平面上，当粗调装置锁定后 作为基准光栅，第二子光栅子G2安装在所述的精调装置平台9的上层平台92的水 平面上，所述的第一子光栅G1和第二子光栅G2构成拼接光栅；；
第一电容式数字微位移传感器1的第一极板11和第二极板12相对地分别安装 在所述粗调装置平台10和精调装置9的底层平台91水平方向的位置，则第一电容 式数字微位移传感器1的第一极板11和第二极板12之间的间距变化量与所述第一 子光栅Gl和第二子光栅G2之间的拼缝间隔L变化量始终保持一致；第二电容式数 字微位移传感器2的第一极板21和第二级板22相对地分别安装在所述精调装置9 的底层平台91和上层平台92的垂直方向的位置，则所述的第二电容式数字微位移 传感器2的第一极板21和第二级板22之间的间距变化量与所述第一子光栅Gl和 第二子光栅G2的共面精度偏差S变化量始终保持一致；
所述的第一电容式数字微位移传感器1和第二电容式数字微位移传感器2的输 出端接信号采样电路3的输入端，该信号采样电路3的输出端接单片机控制器4的 输入端，该单片机控制器4的输出端经串口通讯电路5接PC机6，该PC机6的输 出端经D/A转换器7与所述的压电陶瓷驱动器8的控制端相连。
所述的第一电容式数字微位移传感器1的第一极板11、第二极板12之间的实
时间距设为广，初始间距定义为丄、，则该第一电容式数字微位移传感器l的两极
板之间的间距变化量A!'和所述拼接光栅的拼缝间隔变化量AL相等。
所述的第二电容式数字微位移传感器2的第一极板21固定在所述的精调装置 平台9的底层平台91上，与所述基准光栅Gl的垂直位置相对应，第二电容式数字 微位移传感器2的第二极板22安装在所述的精调装置平台9的上层平台92上，构 成可动极板，与所述第二子光栅G2的垂直位置相对应，所述的第二电容式数字微
位移传感器2的第一极板21和第二极板22之间的实时间距设为W ，初始间距定义
为S、，则该第二电容式数字微位移传感器2的两极板的间距变化量A^和所述拼
接光栅的共面精度偏差变化量M相等。
由于压电陶瓷固有的迟滞、蠕变等特性，将会使第二子光栅G2在一段时间后偏离初始预设位置，我们需要测量第一电容式数字微位移传感器l的两极板之间的 间距变化量AL、即为拼接光栅拼缝丄的变化量Ai;测量第二电容式数字微位移传
感器2的两极板之间的间距变化量A^ ，即为拼接光栅的共面精度偏差S的变化量M。
传统的信号采样电路采用分立元件，由于元器件特性的不确定性，分立元件所 构成的采样电路通常灵敏度和精度都难以保证，电路结构复杂，稳定性差，很难达 到较高的测量精度。
本发明的信号采样电路3选用ADI公司发布的AD7746型电容数字转换器(CDC)， AD7746以单芯片实现了以前需要大量分立元件支持的传统模拟电压数字转换器才能 达到的精度水平，并且相比传统的多芯片解决方案大大降低了成本，解决了从电容 到数字直接转换的复杂而困难的信号处理难题,非常适合于微小电容量的测量。
所述的AD7746型电容数字转换器具有与内部集成电路间总线(Inter IC Bus， 简称为I20兼容的串行接口和两个外接电容通道，即第一通道和第二通道，它们 分别在线检测第一电容式数字微位移传感器1和第二电容式数字微位移传感器2的 两极板间的电容值，该电容值作为光栅位移偏差检测系统的反馈值，通过与fc兼 容的串行接口传到单片机控制器4 (要求单片机控制器具有fC接口，本发明选用 PIC18F252单片机)中，单片机控制器4在对采集到的电容值的处理过程中，采用 去粗大误差和算术平均值算法，最后的算术平均值M即为最后得到的反馈电容值， 通过串口通讯电路5 (串口电路有很多通用的芯片，本实施例选用MAXIM公司的 MAX3232芯片)传到PC机6，由PC机6对反馈电容值进行处理，将其转化为实 际的位移偏差，并求得压电陶瓷驱动器8的水平压电陶瓷驱动器81和竖直压电陶 瓷驱动器82、 83所需要的驱动电压，经由16位D/A转换器7转换后将驱动电压加 在压电陶瓷驱动器8的水平压电陶瓷驱动器81和竖直压电陶瓷驱动器82、 83上， 水平压电陶瓷驱动器81用于调整光栅拼缝间隔丄，竖直压电陶瓷驱动器82、 83用 于调整光栅共面精度偏差S ，从而调节并稳定两个子光栅的拼缝间隔丄与共面精度 偏差S在理想状态，满足子光栅的定位稳定性要求。
所述的PC机6采用LAB VIEW软件编程。
本发明的工作过程如下
在所述的第一子光栅Gl和第二子光栅G2构成拼接光栅调整到所需的光栅共面精度偏差为So，拼缝间隔为丄。后，驱动本发明系统开始工作，
所述的信号采样电路3的AD7746型电容数字转换器采集第一电容式数字微位 移传感器1和第二电容式数字微位移传感器2的极板间距变化的电容值，输入所述 的单片机控制器4;
该单片机控制器4采用去粗大误差和算术平均值算法，最后的算术平均值M 即为最后得到的反馈电容值，通过所述的串口通讯电路5输入所述的PC机6;
所述的PC机6首先对从串口通讯电路5输入的反映第一电容式数字微位移传 感器1和第二电容式数字微位移传感器2的极板间距变化的电容值进行运算处理， 分别求得第一电容式数字微位移传感器1和第二电容式数字微位移传感器2的极板
间的实时间距i/与W ，并分别与第一电容式数字微位移传感器1和第二电容式数 字微位移传感器2的极板初始间距i:、和W。进行比较，分别求得两者之间的偏差 AZ^和A^，该偏差即为拼接光栅的拼缝间隔变化量AL和共面精度偏差变化量M;
接着对偏差A^和A^进行运算，求得所述的压电陶瓷驱动器8的水平压电陶瓷驱
动器81和竖直压电陶瓷驱动器82、 83的所需要的驱动电压，并对所述的压电陶瓷 驱动器8的水平压电陶瓷驱动器81和竖直压电陶瓷驱动器82、 83施加相应的驱动 电压，实现对精调装置平台9的位移进行调整控制，使拼接光栅的拼缝间隔丄与共 面精度偏差S恢复到初始状态丄。和S。，以此循环自动监控，保障所述的拼接光栅位
移偏差量的长时间定位稳定性。
实验结果证明，本发明拼接光栅位移偏差监测系统能够保证拼接子光栅的共面
精度偏差S小于15nm，光栅拼缝间隔i长时间稳定性优于15nm，完全满足光栅拼
接的调整精度要求，并且具有监控性能稳定、成本低、结构简单、操作方便等特点。
权利要求
1、一种拼接光栅位移偏差监测系统，包括供安装拼接光栅的光栅拼接装置，该光栅拼接装置由粗调装置平台和精调装置平台组成，所述的粗调装置平台具有锁定结构，所述的精调装置平台由底层平台和上层平台构成，该精调装置平台安装有压电陶瓷驱动器，该压电陶瓷驱动器由水平压电陶瓷驱动器和竖直压电陶瓷驱动器组成，水平压电陶瓷驱动器驱动该精调装置平台相对于所述的粗调装置平台的水平位移，所述的竖直压电陶瓷驱动器驱动该精调装置平台的上层平台垂直位移，其特征在于第一电容式数字微位移传感器的两极板相对地分别安装在所述粗调装置平台和精调装置的底层平台水平方向的位置，第二电容式数字微位移传感器的两极板相对地分别安装在所述精调装置的底层平台和上层平台的垂直方向的位置；所述的第一电容式数字微位移传感器和第二电容式数字微位移传感器的输出端接信号采样电路的输入端，该信号采样电路的输出端接单片机控制器的输入端，该单片机控制器的输出端经串口通讯电路接PC机，该PC机的输出端经D/A转换器与所述的压电陶瓷驱动器的控制端相连。
2、 根据权利要求1所述的拼接光栅位移偏差监测系统，其特征在于所述的拼接 光栅由第一子光栅和第二子光栅构成，所述的第一子光栅安装在所述的粗调装置平 台的水平面上，当粗调装置平台锁定后作为基准光栅，第二子光栅子安装在所述的 精调装置平台的上层平台的水平面上。
3、 根据权利要求1所述的拼接光栅位移偏差监测系统，其特征在于所述的信号 采样电路为电容数字转换器。
全文摘要
一种拼接光栅位移偏差监测系统，包括安装所述拼接光栅的光栅拼接装置，该光栅拼接装置的精调装置平台安装有压电陶瓷驱动器，第一电容式数字微位移传感器的两极板相对地分别安装在所述粗调装置平台和精调装置的底层平台水平方向的位置，第二电容式数字微位移传感器的两级板相对地分别安装在所述精调装置的底层平台和上层平台的垂直方向的位置；所述的第一电容式数字微位移传感器和第二电容式数字微位移传感器的输出端接信号采样电路的输入端，该信号采样电路的输出端接单片机控制器的输入端，该单片机控制器的输出端经串口通讯电路接PC机，该PC机的输出端经D/A转换器与所述的压电陶瓷驱动器的控制端相连。
文档编号G02B7/00GK101419319SQ20081020338
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者师树恒, 朱健强, 勇 王, 斌 王 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所