一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统，具体是一种基于云纹载波干涉和泰曼-格林干涉的三维可靠性测量仪器。包括激光器平台、三维光测平台和六方向自由度载物台，可完成MEMS微梁等微结构的面内-离面形变与位移，以及静态三维形貌测试等。其中云纹干涉系统集制栅、测量于一体，位移场全反镜具有360°自由旋转功能，故只需一组全反镜便可实现面内任意方向的形变与位移测量，使整套装置结构大大优化，同时整套仪器功能模块化，增加了系统的可移动性与携带性。系统配有压电陶瓷相移装置，可使测量精度达到纳米量级。同时又有测量精度高与智能化等特点。能实现MEMS器件材料参数确定、构件形变和位移与静动态形貌变化等可靠性测试。
【专利说明】一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统
【技术领域】
[0001]本发明属于光测力学、工程材料、工程力学【技术领域】，特别涉及一种微机电系统的光学三维形变和位移测试的干涉测量系统，该发明可实现MEMS等微结构的三维形貌测试以及静动态特性的测试。
技术背景
[0002]MEMS是指集微型执行驱动器、微型结构的传感器、信号处理与控制电路等部件于一体的，同时具有采集、处理与发送信息或指令信息，而且能够按照获取的信息自主的或者根据外部指令采取行动的微机电器件，其中微执行驱动器是实现MEMS运动的关键部件，所以MEMS的动态机械特性的测试对其设计、制造和可靠性都有重要的意义。但是MEMS微驱动器往往非常细小，常规接触式测量方法无法实现，因而要求采用基于光学的非接触式测量方法。又由于MEMS微驱动器的最大振动挠度往往处于微米级，所以要求相应的测量分辨率达到微米级甚至纳米级。
[0003]目前可达纳米级精度的测量方法有:云纹干涉法、ESPI法、全息干涉法、白光干涉法、扫描隧道显微镜法等，其中云纹干涉法是比较主流的试验方法。但是目前的测量方法和设备大多是在实验室隔震平台上临时搭建的散装结构或结构复杂笨重、不便于移动且功能单一，难以解决现场工程问题。
[0004]中国专利号200410000005.0[多功能三维位移激光干涉测量系统，戴福隆，谢惠民，方岱宇，尚海霞，刘战伟，2004]提出了一种多功能三位移激光干涉测量系统。该系统在传统二维云纹干涉仪的基础上增加了一个泰曼-格林干涉光路，该系统虽然实现了三维测量，但是在测量面内位移时，只能针对竖直平面内固定的水平会铅垂方向位移场，无法完成一般方位位移场的测量，例如u-v长的45°夹角方向等。同时该系统结构复杂，元器件有40多个且位置分散，不利于移动携带。
[0005]中国专利号200910115552.6 [ 一种移动式云纹干涉仪，李禾，张少钦，邓颖，王应明，2009]提出了一种移动式云纹干涉仪，该系统是在传统二维云纹干涉仪的基础上增加了一个u-v场分离装置，并实现±90°旋转功能，可解决被测试件正交光栅非竖直、非水平方向的位移场测量，但是该系统只能实现面内位移场的测量，无法实现三维全场测量。MEMS微驱动器的微梁在纵横弯曲作用下的挠度为离面位移，所以此系统对于MEMS微梁的测试具有很大的局限性。
【发明内容】
[0006]本发明提供的是一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统，不但能实现离面位移实时测量，还可以实现面内位移的全景测量，集制栅、测试与一体，且结构紧凑，使用方便，可解决工程现场问题。
[0007]本发明的技术方案如下:
[0008]一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统，包括激光器平台、三维光测平台和六方向自由度载物台。其特征在于激光器平台包括用于将激光器发出的光变成线偏振光的偏振片，光纤耦合器；测量激光通过激光耦合器经过一个全反镜、扩束准直镜后进入面内-离面测量分光装置，测量面内位移时，两组面内位移控制快门开启，同时离面位移控制快门关闭，步进电机通过传输带控制转盘旋转，其中转盘上有两个对称的进光孔，并装有与进光孔 对应的一组固定全反射镜，可形成一堆对称入射的±1级入射光。通过旋转转盘便可实现对铅垂面内任意方向的位移场测量。测量离面位移时，两组面内位移控制快门关闭，同时离面位移控制快门开启，W场入射光路经一分光棱镜后分为两束光,其中一束光直接透过该分棱镜到一个全反镜上，反射后再经该分光棱镜到达图像采集摄像系统，另一束光经该分光棱镜后到达试件，经试件表面的光栅反射后穿过分光棱镜到达图像采集系统。
[0009]本发明所述的一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统可实现试件表面的光栅制作，打开面内位移控制快门，关闭离面位移快门，对试件表面的光刻胶进行曝光，便可实现简单的制栅功能，通过旋转转盘，实现面内任意方向的正交光栅。
[0010]本发明所述的激光器平台在所述的激光器平台中的激光器、偏振片和光纤耦合器被封装在一个暗盒子中，暗盒通过紧固螺钉固定在工作台上。
[0011]面内-离面分光装置通过可伸缩支杆和可旋转底座安装在工作台上，面内-离面分光装置的转盘上上有两个进光孔和一个通光孔，并装有与进光空一一对应的全反镜与控制快门，步进电机通过传输带同步控制转盘绕通光孔轴心360°自由旋转，故只需一组全反镜片便可实现传统的固定的u-v场分离装置功能，且能对铅垂平面内任意两个正交方向的位移场进行测试，其中通光口末端通过可伸缩支杆和可旋转磁性底座固定在工作台上，起整个面内-离面分光装置支承架作用。
[0012]面内和离面分光装置上的射入试件的一组全反镜分别装有压电陶瓷相移器。测量离面位移光路中的全反镜背面装有压电陶瓷相移器。
[0013]激光器平台和三维光测平台分别被封装在一个暗盒和暗箱内，增加系统稳定性的同时，限制了杂散光的射入，实现了在正常光照下的测试，完全可以脱离传统的暗室操作。同时也增加了系统的移动性和可携带性。
[0014]本系统的成像设备采用专业的105mm微距镜头，图像采集装置采用专业的单反摄像机。
[0015]本发明和现有技术相比，通过旋转转盘便可实现面内位移测量，只需一组全反镜片便可实现传统(两组)固定的u-v场分离装置，使系统结构大大优化，且能够对铅垂平面内任意两个正交方向的位移场进行测试。本系统可实现制栅、测量一体化的功能，通过快门控制实现面内-离面位移的测量，大大简化了操作步骤，且测量精度可达纳米级，此外激光器平台和三维光测平台分别封装在一个暗盒和暗箱内，使整个系统可移动性和携带性较传统装置都有了较高的提升。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是激光器平台示意图；
[0017]图2是三维光测平台离面位移光路图；
[0018]图3是三维光测平台面内位移光路图；[0019]图4是面内-离面分光装置左视图；
[0020]图5是面内-离面分光装置右视图；
[0021]图6是面内-离面分离装置装配在防震工作台上；
[0022]图7是干涉测量系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合图1-7对本发明做进一步阐述:
[0024]如图1、图2、图3所示，本发明所述的一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统，系统主要由激光器平台(I )，三维测试平台(II)和六方向自由度载物台(III)构成。以上平台全部安装在同一工作台上。激光器平台和三维测试平台被分别封装在一个暗盒和暗箱内。CCD摄像机和计算机控制系统放置在三维光测平台的下方；六方向自由度载物台放置在三维光测平台的右侧。其中三维光测平台(II )的光测中心与试件处在同一水平面上。
[0025]本发明所述的激光器平台包括用于将激光器发出的光变成线偏振光的偏振片
(2)，光纤耦合器(3);测量激光通过激光耦合器(4)经过一个全反镜(5)、扩束准直镜(6)后进入面内-离面测量分光装置(7)。测量面内位移时，试件(17)表面需贴有正交全息光栅，两组面内位移控制快门(7-8)和(7-9)开启，同时离面位移控制快门(7-7)关闭，步进电机(7-14)通过传输带(7-15)分别带有两组全反镜(7-3)、(7-4)和(7_5)、(7-6)的转盘(7-8)旋转，使u场或V场光路通过全反镜组(7-3)和(7-4)的反射入射到试件(17)表面；测量离面位移时，两组面内位移控制快门(7-8)和(7-9)关闭，同时离面位移控制快门(7-7)开启，w场入射光路经一分光棱镜后分为两束光,其中一束光经过双面全反镜组(8)和全反镜组(9)、(10)反射后直接透过该分棱镜(11)到一个全反镜(12)上，反射后再经该分光棱镜(11)到达图像采集摄像系统(14)和(15)，另一束光经该分光棱镜(11)后到达试件(17)，经试件表面的光栅反射后穿过分光棱镜(12)到达图像采集系统(14)和(15)。
[0026]本发明所述的激光器平台(I )在所述的激光器平台中的激光器(I)、偏振片(2)和光纤耦合器(3)被封装在一个暗盒子(I )中，暗盒(I )通过紧固螺钉固定在工作台上。
[0027]激光器平台(I )通过光纤和激光耦合器(4)实现与三维光测平台的链接，激光通过激光耦合器(4)后，经过全反镜(5)、扩束准直镜(6)扩束准直后到达面内-离面分光装置(7)。面内-离面分光装置(7)通过可伸缩支杆(7-19)支撑通光孔(7-10)并通过可旋转磁性底座(7-20)固定在工作台(18)上，步进电机(7-14)通过传送带(7-15)使面内-离面分光装置上的转盘(7-18)来实现全反镜组(7-3)和(7-4)围绕通光孔(7-17)轴360°自由旋转，其中转盘上有两个对称分布的第一面内通光孔(7-10)和第一面内通光孔(7-11)，其中央离轴部位的全反镜支撑台(7-16)上装有两组对称的45°固定全反镜(7-5)和(7-6),与第一面内通光孔(7-10)和第一面内通光孔(7-11) 对应，与全反镜(7-3)和全反镜(7-4) 相对形成入射光场。通过旋转转盘(7-18)可实现360°任意方向入射光场射在试件(17)上的正交光栅，从而实现面内位移的全景测量。
[0028]本发明所述的一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统的工作过程如下:[0029]首先按照图7所示系统结构示意图放置好各构件位置，关闭离面位移快门(7-7)，打开第一面内控制快门(7-8)和第二面内控制快门(7-9)，分出的两对入射光能够对称入射至试件(17)表面的正交光栅，形成波前干涉条纹，同时该干涉条纹能够通过分光棱镜(11)入射到成像镜头(14)上，通过调整压电陶瓷相移器(7-1)、压电陶瓷相移器(7-2)与成像镜头(14)使CCD摄像机(15)和计算机(16)能够采集到清晰的图像。
[0030]测量面内位移时，此时试件表面需贴有全息正交光栅，关闭离面位移快门(7-7)，打开面内位移快门(7-8)和(7-9)。激光经过偏振镜(2)后经过光纤耦合器耦合进入光纤(3)，通过激光耦合器(4)后入射到全反射镜(5)上，经过扩束准直镜(6)扩束后进入面内-离面分离装置(7)。测量u场时，调节步进电机(7-14)使全反镜(7-3)和全反镜(7-4)的连线处于水平面上，此时对称±1级入射光射入试件(17)表面的正交光栅并发生干涉，同时干涉条纹经过分光棱镜(11)后反射进入成像透镜(14)，最后在CCD摄像机(15)内成像；测量V场时，调节步进电机(7-14)使全反镜(7-3)和全反镜(7-4)的连线处于铅垂平面上，此时对称±1级入射光射入试件(17)表面的正交光栅并发生干涉，同时干涉条纹经过分光棱镜(11)后反射进入成像透镜(14)，最后在CXD摄像机(15)内成像；若要实现u-v场45°方向的位移场，则只需同步调节步进电机(7-14)使全反镜(7-3)和全反镜(7-4)的连线与水平面成45°即可。
[0031]测量离面位移时，开启离面位移快门(7-7)，关闭面内位移快门(7-8)和(7-9)，光路通过通光孔(7-9)入射到双面反射镜(8)，经过全反镜(9)全反镜(10)进入到分光棱镜
(11)后分为两束光，其中一束光直接透过分光棱镜(11)入射到一个全反镜(12)，反射后再经分光棱镜(11)、成像镜头(14)后到达CCD摄像机(15);另一束光经分光棱镜(11)反射后到达试件(17)，在试件表面反射后穿过分光棱镜(11)、成像镜头(14)后到达CXD摄像机
(15)。
[0032]本发明还分别在三维光测平台(II )中的全反镜(7-3)、全反镜(7-4)以及全反镜
(12)配置了压电陶瓷移相器(7-1)、压电陶瓷移相器(7-2)和压电陶瓷移相器(13)。其中u场和V场的干涉条纹可通过装有控制板卡的计算机(16)调节移相器(7-1)和(7-2)的输入电压来控制，w场的干涉条纹可通过装有控制板卡的计算机(16)调节移相器(13)的输入电压来控制。
[0033]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案的范围内。
【权利要求】
1.一种用于微结构三维形变和位移测试的干涉测量系统，其特征在于:包括激光器平台、三维光测平台、六方向自由度载物台、CCD摄像机和计算机控制系统，激光器平台封装在一个暗盒内，三维测试平台封装在一个暗箱内；六方向自由度载物台放置在三维光测平台的右侧，CCD摄像机和计算机控制系统放置在三维光测平台的下方，三维光测平台的光测中心与试件位于同一水平面上。
2.如权利要求1所述干涉测量系统，其特征在于:所述激光器平台(I)包括用于将激光器(I)发出的光变成线偏振光的偏振片(2)，光纤耦合器(3);测量激光通过激光耦合器(4)经过全反镜(5)、扩束准直镜(6)扩束准直后进入面内-离面分光装置(7)，其中测量面内位移时，面内位移控制快门(7-8)和面内位移控制快门(7-9)打开，离面控制快门(7-7)关闭，步进电机(7-14)通过传输带(7-15)控制装有全反镜(7_3)、全反镜(7_4)、全反镜(7-5)、全反镜(7-6)的转盘(7-18)使分光束对称入射至试件(17)表面的正交光栅；测量离面位移时，快门面内位移控制(7-8)和面内位移控制快门(7-9)关闭，离面控制快门(7-7)开启，光路通过通光孔(7-9)入射到双面反射镜(8)，经过全反镜(9)全反镜(10)进入到分光棱镜(11)后分为两束光，一束光直接透过分光棱镜(11)入射到一个全反镜(12),反射后再经分光棱镜(11)、成像镜头(14)后到达CCD摄像机(15);另一束光经分光棱镜(11)反射后到达试件(17)，在试件表面反射后穿过分光棱镜(11)、成像镜头(14)后到达CCD摄像机(15)。
3.按照权利要求2所述的干涉测量系统，其特征在于:所述的激光器平台(I)中的激光器(I)、偏振片(2)和光纤耦合器(3)封装在一个暗盒子中，此暗盒通过紧固螺钉固定在防震工作台上。
4.如权利要求1所述的干涉测量系统，其特征在于:所述激光器平台(I)包括激光器、偏振片和光纤稱合器，偏振片和光纤稱合器将激光器发出的光变成线偏振光；所述三维光测平台包括激光耦合器(4)·、第一全反镜(5)、扩束准直镜(6)、面内-离面分光装置(7)、双面反射镜(8)、第二全反镜(9)、第三全反镜(10)、分光棱镜(11)、第四全反镜(12)和成像镜头(14)，激光耦合器(4)设置在第一全反镜(5)正上方，第一全反镜(5)右侧设置扩束准直镜出)，扩束准直镜(6)右侧设置面内-离面分光装置(7)，面内-离面分光装置(7)右侧设置双面反射镜(8)，双面反射镜(8)右侧设置分光棱镜(11)，双面反射镜(8)的正上方设置第二全反镜(9)，双面反射镜(8)的正下方设置成像镜头(14)，分光棱镜(11)正上方设置第三全反镜(10)，第三全反镜(10)正下方设置第四全反镜(12);所述六方向自由度载物台上设置试件(17)，试件(17)置于分光棱镜(11)的右侧；所述成像镜头(14)下方设置有CXD摄像机(15)，CXD摄像机(15)上连接有计算机(16)。
5.如权利要求2所述的干涉测量系统，其特征在于:所述分光装置(7)包括压电陶瓷相移器(7-1)、压电陶瓷相移器(7-2)、全反镜(7-3)、全反镜(7-4)、全反镜(7-5)、全反镜(7-6)、离面控制快门(7-7)、第一面内控制快门(7-8)、第二面内控制快门(7-9)、第一面内通光孔(7-10)、第二面内通光孔(7-11)、第一面内连接杆(7-12)、第一面内连接杆(7-13)、步进电机(7-14)、传送带(7-15)、全反镜支撑台(7-16)、通光孔(7-17)、转盘(7-18)、可伸缩支杆(7-19)、磁性底座(7-20);其中，压电陶瓷相移器(7-1)、压电陶瓷相移器(7-2)分别安装在全反镜(7-3)、全反镜(7-4)的背面，全反镜(7-3)、全反镜(7-4)分别通过第一面内连接杆(7-12)、第一面内连接杆(7-13)对称安装在转盘(7-18)的右侧，全反镜(7-5)、全反镜(7-6)的反射面分别和全反镜(7-3)、全反镜(7-4)的反射面对应，全反镜(7-5)、全反镜(7-6)背面对称安装在全反镜支撑台(7-16)上，即全反镜(7-3)和全反镜(7-5)构成一组反射光路，全反镜(7-4)和全反镜(7-6)构成一组反射光路，离面控制快门(7-7)位于转盘(7-18)的左侧，与通光孔(7-17)对应，用来控制通光孔(7-17)的入射光路；第一面内控制快门(7-8)、第二面内控制快门(7-9)分别位于转盘(7-18)的左侧成对称分布，与第一面内通光孔(7-10)、第二面内通光孔(7-11)对应，其中，第一面内通光孔(7-10)、第二面内通光孔(7-11)分别与全反镜(7-5)、全反镜(7-6)对应，即第一面内通光孔(7-10)、第二面内通光孔(7-11)的中央离轴部位的全反镜支撑台上(16)分别装有两组对称的45°固定全反镜(7-5)和(7-6)，其中第一面内控制快门(7-8)、第二面内控制快门(7-9)用来控制第一面内通光孔(7-10)、第二面内通光孔(7-11)的入射光路；步进电机(7-14)位于全反镜支撑台(7-16)的一侧，通过传送带(7-15)来控制转盘(7-18)的旋转，转盘(7_18)呈“风车”结构，通过可伸缩支杆(7-19)、磁性底座(7-20)安装于防震实验平台上。
6.按照权利要求1所述的干涉测量系统，其特征在于:在所述三维光测平台(II)中的面内-离面分光装置(7)通过装有控制板卡的计算机(16)智能控制离面控制快门(7-7)、第一面内控制快门(7-8)和第二面内控制快门(7-9)，测量面内形变时，第一面内控制快门(7-8)和第二面内控制快门(7-9)开启，离面位移控制快门(7-7)关闭；测量离面位移时，第一面内控制快门(7-8)和第二面内控制快门(7-9)关闭，离面位移控制快门(7-7)开启。
7.按照权利要求1所述的干涉测量系统，其特征在于:在所述三维光测平台(II)中的面内-离面分光装置(7)上的全反镜(7-3)和(7-4)分别装有压电陶瓷相移器(7-1)和(7-2);测量离面位移光路中的全反镜(12)背面装有压电陶瓷相移器(13)，这三个压电移相器均通过装有控制板卡的计算机(16)智能控制。
8.按照权利要求1所述的干涉测量系统，其特征在于:在所述三维光测平台(II)中的面内-离面分光装置(7)上的转盘(7-18)通过步进电机(7-14)、传送带(7-15)使其绕通光孔(7-17)轴心360°自由旋转，故只需一组全反镜片(7-3)和(7_4)便可实现传统的固定u-v场分离装置功能。
9.按照权利要求1、2、3或4所述的干涉测量系统，其特征在于:在所述的激光器平台(I )、三维光测平台(II )与六方向自由度载物台均安装在一个工作台上；三维光测平台(II )与激光器平台(I )通过激光耦合器(4)连接，且整个三维光测平台(II )被封装在一个暗箱中；CCD摄像机(15)和计算机(16)放置在三维光测平台(II )的下方；六方向自由度载物台(III)放置在三维光测平台(II )的右侧；其中三维光测平台(II )的光测中心与试件(17)处在同一水平线上。
10.按照权利要求1所述的干涉测量系统，其特征在于:所述的三维光测平台(II)中的成像镜头(14)采用专业微距成像镜头，CCD摄像机(15)采用专业摄影机；所述的三维光测平台(II )中的所有元器件均采 用多自由度调整旋转底座和可伸缩支杆固定在防震工作台上。
【文档编号】G01B11/16GK103822587SQ201410064678
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月25日 优先权日:2014年2月25日
【发明者】田文超, 赵来强 申请人:西安电子科技大学