高分辨率激光衍射测量仪的制作方法

文档序号:6084814
专利名称:高分辨率激光衍射测量仪的制作方法
技术领域
本发明属于激光衍射测量的技术领域。
一九七五年的《仪器与技术》(Appar tus and Technlgues)登载南非B.D.Rothberg Bitty的“激光对微应力装置定标的应用”中,提出用激光衍射装置测量系统,测量微小狭缝的应力变形,当狭缝宽度为250微米时,其测量分辨率只能达到一个微米左右,无法满足分辨率达百分之几微米的实际测量要求。
本发明的目的是为了提高激光衍射测量技术的分辨率和测量精度,发明人将光学空间滤波技术和电子学中的低噪声微分电路等技术引入了激光衍射测量的领域,使仪器分辨率达到了0.0018微米(待测狭缝公称尺寸为30微米)。
本发明的主要特征是在激光远场衍射光路中引入了光学空间滤波器,从而提高了仪器对被测工件尺寸微小变化的响应灵敏度,另外被测信号输入激光信号分析仪进行处理,利用低噪声微分电路精确地找出了远场衍射光第一零点的位置,排除了激光功率波动和电子器件温度漂移对测量结果的干扰。
下面结合实施例将本发明的技术特征叙述如下自单横模氦氖激光器(1)发出的激光,由分光板及全反射棱镜构成的分光器(2)分成强度相等的两束光,它们分别通过由电致伸缩陶瓷微位移器(3)、(4)驱动的刀口平尺(5)、(6)与待测工件两边缘组成两道狭缝,从而形成两束远场衍射光,在与这两道狭缝距离为L的平面上分别放有两个光学空间滤波器(7)、(8),两束远场衍射光通过这两个滤波器后,分别由探测器(9)、(10)接收。由(9)接收到的信号送入激光信号分析仪(11)的A通道,由(10)接收到的信号送入激光信号分析仪(11)的B通道,经激光信号分析仪进行处理后即可得出工件尺寸。刀口平尺(5)、(6)可以放在工件的边缘处与工件边缘形成狭缝ω1和ω2,也可放在工件的上方或下方,使其投影与工件边缘形成狭缝。
从A通道和B通道输入的激光信号,分别由两个前置放大器放大后进入两个低噪声微分电路,图②中两个虚线框内的电路是这两个低噪声微分电路,电路中RC的乘积应满足2tg-1(2×628RC)/(1-0.33(628RC)2) = (n)/2电致伸缩微位移器扫描时或多或少带有非线性,而影响最大的非线性项是平方项,另外采用“分离间隙法”测量时工件与刀口平尺的分离距离和工件尺寸有关,因此,在计算工件尺寸的衍射公式中,出现工件尺寸变化量的平方项,为了消除非线性误差,保证直观准确地测出工件尺寸,我们在基准电压源和V-F变换器之间引入了非线性补偿电路。(图④中虚线框中部分)。该电路在仪器定标调整时应满足如下要求当刀口平尺与工件边缘对准且电致伸缩微位移器扫描符合线性时,线路中两运算放大器反相端的输入点应严格对准两个1.5K电位器的中点;当刀口平尺在工件上方或下方,而其投影与工件边缘对准或电致伸缩微位移器扫描带有非线性时,这两点应分别接在两个1.5K电位器上的某一点,此时仪器测量误差最小。图②中的Usr应为一个持续时间100微秒,幅度为5V,重复频率为每秒一次的方波脉冲,该脉冲前沿对应t=0的时刻。(即信号源(12)的输出电压V=100V的时刻)。图②中的Ro1、Ro2、Co1、Co2的数值按巴特沃斯滤波器的截止频率为200HZ的要求而定。另外图②-④中各运算放大器的去耦滤波电路电阻为47Ω,电容为220μ,JD1和JD2为基准电压源,WY1、WY2……WY11为集成三端稳压器。
本发明中的空间滤波器(7)、(8)分别为由一对刀口平尺组成的宽度为d的狭缝,d的数值必须小于或等于远场衍射光第一零点到远场衍射光零级条纹中心的距离的5%。测量过程中由电致伸缩陶瓷微位移器(3)、(4)进行扫描,两束远场衍射光的第一零点分别自动扫过构成空间滤波器(7)、(8)的两道狭缝,当它们分别与两道狭缝中心重合时仪器完成对工件尺寸的测量。刀口平尺(5)、(6)分别安装在电致伸缩陶瓷微位移器(3)、(4)上面,这两个器件由信号源(12)驱动,当待测工件尺寸变化范围小于35微米时,电致伸缩陶瓷微位移器采用WTDS-IB型,驱动源的输出电压应满足V=100+
V的单位为伏特,t的单位为秒,t的最大值不超过0.2秒。如需测得更快,可增加公式中t的系数并减小t值,但两者的乘积不能改变。另外可选用长度更大的微位移器或将几个微位移器串联使用,来增加仪器的量程。安装刀口平尺寸(5)、(6)时,整个扫描过程只让衍射光第一零点通过(7)、(8)的中心,而不让其它零点通过,并保证在整个扫描过程中(5)、(6)都不与工件边缘接触。该系统中激光与待测工件的距离可任意确定,距离L也可任意确定。为了能把工件按尺寸顺序分档,还设计了计数译码电路;其功能是将代表工件尺寸的计数脉冲进行分频和译码,将工件尺寸分成十六档,并推动输出接口电路给出分档信号。
本发明的优点是(一)提高仪器的分辨率,当被测尺寸为30微米时,仪器分辨率为0.0018微米,此数值是氦氖激光器输出激光波长的1/350。(二)仪器具有良好的抗干扰性能,实验表明当输入信号因光强波动等因素变化2.5倍时,测量值变化不超过2.5%。(三)允许刀口平尺与被测工件分离而测其投影与工件边缘构成的间隙尺寸。另外仪器可在一定范围内补偿工件的定位误差,还可对工件自动按尺寸分档。


图①是仪器光路布局及各部件联接②~图④是激光信号分析仪电路原理〔图中各电路连接点用英文字母表示,不带“,”的字母表示发出点,带“,”的字母表示到达点〕其中图②是前置放大、低噪声微分和信号整形电路图③是电源电路,可调定时电路和输出接口电路图④是基准电压电路、非线性补偿、V-F变换及计数译码电路本发明的一个实施例是测量SF型压电陶瓷的尺寸变化。压电陶瓷是待测工件,其外形尺寸为φ14mm×20mm,它的一个端面与仪器的底座刚性联结,另一个端面为自由端,在此端面上安装一个刀口平尺,该平尺与图①中的刀口平尺(5)构成了一道宽为30微米的狭缝。当两个电极加上电压时,它的长度方向尺寸发生变化,结果自由端带动安装在其上的刀口平尺移动。实验表明,只要它的长度尺寸变化0.0018微米,(对应外加直流电压变化1.3V)仪器就可分辨。
权利要求
1.一种高分辨率激光衍射测量仪器。仪器中激光器(1)发出的激光由分光板及全反射棱镜构成的分光器(2)分成强度相等的两束光,其特征是这两束光分别通过由电致伸缩陶瓷微位移器(3)、(4)驱动的刀口平尺(5)、(6)与待测工件两边缘组成的两道狭缝,从而形成两束远场衍射光。在与这两道狭缝距离为L和平面上分别放有两个光学空间滤波器(7)、(8),两束远场衍射光通过这两个滤波器后,分别由探测器(9)、(10)接收,并分别通过激光信号分析仪(11)的通道A和通道B送入该分析仪,实现对工件进行测量和按尺寸分类的功能。
2.根据权利要求1所述的高分辨率激光衍射测量仪器,其特征是激光信号分析仪(11)中的标准电压源和V-F变换器之间,接入了非线性补偿电路,在该分析仪前置放大器的输出端接入了一种低噪声微分电路,在V-F变换器的输出端接入了计数译码电路。
3.根据权利要求1所述的高分辨率激光衍射测量仪器,其特征是光学空间滤波器(7)、(8)分别为由一对刀口平尺组成的狭缝,该狭缝的宽度必须小于或等于远场衍射光第一零点到远场衍射光零级条纹中心的距离的5%,在测量过程中两束远场衍射光的第一零点分别自动扫过两道狭缝,当它们分别与两道狭缝中心重合时,仪器完成对工件尺寸的测量。
全文摘要
本发明是关于激光衍射精密尺寸的测量仪器。在这种仪器的远场衍射光路中,安装了光学空间滤波器,远场衍射光通过滤波器后被送入激光信号分析仪,分析仪中包括低噪声微分、非线性补偿和计数译码等电路。由于仪器中应用了这些部件,使仪器的绝对分辨率达到了0.0018微米,可对被测工件按尺寸顺序自动分类,并给出相应的分类信号,此外仪器的测量精度不受激光功率波动等干扰的影响,可解决生产线上精密工件的测量和分选。
文档编号G01B11/02GK1048263SQ9010359
公开日1991年1月2日 申请日期1990年5月22日 优先权日1990年5月22日
发明者李明, 张学山 申请人:天津港湾工程研究所
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