一种纳米位移台六自由度校准装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于分光激光干涉的六自由度纳米位移台的校准装置，属于激光精密测距技术领域；所述装置包括支撑平台、分光测量装置系统及纳米位移台；这种设计，保证了纳米移动平台6自由度姿态的测量，解决了任意姿态纳米尺度位移测量难题，适用于X轴、Y轴、Z轴和旋转角度的纳米位移台同时变化的全姿态识别与超精密测量校准。
【专利说明】
一种纳米位移台六自由度校准装置
技术领域
[0001]本发明属于纳米位移台校准领域，具体涉及一种纳米位移台六自由度校准装置。
【背景技术】
[0002]目前，一般利用单轴干涉仪和多轴干涉仪两种方法进行测量来校准纳米位移台，但该两种测量方法均存在一定技术缺陷，具体缺陷如下:
[0003]利用单轴干涉仪测量校准纳米位移台。测量时，单轴干涉仪只能测量一轴方向的位移或者角度，如果要实现纳米位移台多自由度的测量就必须增加干涉仪和平面镜的数量，并且平面镜位置的正交性难以得到保证，增加了干涉仪和测量镜等的安装调试难度。无法实现纳米位移台多自由度信息的同时测量。
[0004]利用多轴干涉仪校准纳米位移台。测量时，多轴干涉仪可以实现某一个轴方向的位移和角度的同时测量，利用多个多轴干涉仪和平面镜进行纳米位移台的测量，可以实现纳米位移台六自由度的测量，但是由于光路布局等因素的影响，使得多轴干涉仪距离测量镜比较远，会存在很大的死光程误差。而且激光器发出的激光直接经过分光镜和反射镜后进入多轴轴干涉仪，由于测量位移以激光波长为基础，当空气的温度、压力、湿度等因素变化时，会改变激光在空气中的波长，从而使得测量结果不准。虽然可以进行波长补偿，但是无法完全补偿由于空气波动产生的影响。
[0005]综上所述，目前还没有一台能够实现量值直接溯源的，具有毫米级测量范围、纳米级测量准确度的，可以直接溯源到国际单位制中“米”的定义的测量仪器设备。
【发明内容】
[0006]为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种纳米位移台六自由度校准装置，通过该技术方案的设计制造出了能够实现量值直接溯源的，具有毫米级测量范围、纳米级测量准确度的，可以直接溯源到国际单位制中“米”的定义的测量仪器设备。
[0007]本发明所采用的技术方案为:一种纳米位移台六自由度校准装置，包括:支撑系统、激光系统和测量系统，所述支撑系统包括支撑平台和气浮平台，所述激光系统设置在所述支撑平台上，所述测量系统设置在所述气浮平台上，所述激光系统和所述测量系统电连接;所述测量系统包括固定支架、纳米位移台、测量镜和三维干涉仪，所述纳米位移台通过纳米位移调整板固定在所述气浮平台上，且所述纳米位移台位于所述固定支架的下方，所述测量镜通过测量镜底座设置在所述固定支架的上，所述三维干涉仪的X轴、Y轴和Z轴均两两正交的固定在所述固定支架上并分别与所述测量镜的三个反射面垂直。
[0008]本发明技术方案的进一步优化，所述激光系统和所述测量系统之间通过光纤连接。
[0009]本发明技术方案的进一步优化，所述固定支架为龙门结构的大理石支架，且所述固定支架上开设有方形孔，所述测量镜穿过所述方形孔与测量镜底座相连接。
[0010]本发明技术方案的进一步优化，所述支撑平台、所述气浮平台和所述固定支架均由大理石制成。
[0011]本发明技术方案的进一步优化，所述纳米位移调整板与所述气浮平台之间设置有第一调节装置，所述第一调节装置包括球窝支撑结构和两个调节螺杆，两个所述调节螺杆分别设置在所述球窝支撑结构的两侧。
[0012]本发明技术方案的进一步优化，所述纳米位移调整板的一侧设置有水平粗调螺母。
[0013]本发明技术方案的进一步优化，所述激光系统包括激光器、缩束镜、分光镜组、光纤耦合器和波长补偿仪，所述激光系统通过光纤耦合器与所述测量系统光纤连接。
[0014]本发明技术方案的进一步优化，所述激光器通过固定底座与所述支撑平台相连接，且所述固定底座与所述支撑平台之间设置有第二调节装置，所述第二调节装置为带有球头的螺纹杆;所述固定底座的两侧设置有把手。
[0015]本发明技术方案的进一步优化，还包括保护罩，所述保护罩设置在所述测量系统的外部。
[0016]本发明的有益效果为:通过在激光系统和测量系统上设置调节装置，能够实现纳米位移台在六个自由度上的校准;将激光系统和测量系统之间采用光纤传导，减小了光源发热带来的热误差;测量系统下方采用气浮平台支撑，能够使测量系统不受运动结构振动的影响；激光系统采用重量大，不易产生形变的大理石平台支撑，机械性能稳定可靠；固定支架采用类似龙门结构的座椅形设计，且采用大理石材料，既保证了机械性能的稳定可靠也减小了死光程误差；纳米位移调整板与气浮平台之间设置第一调整装置，方便进行三维调节，从而实现不同自由度的校准，同样测量镜通过球窝与磁铁进行定位与连接，减小了阿贝误差和余弦误差;采用激光干涉仪、参考反射镜和测量反射镜构成测量系统，可以将位移溯源到国际单位制中“米”的定义。
【附图说明】
[0017]图1是本发明纳米位移台六自由度校准装置的整体结构示意图；
[0018]图2是本发明测量系统的结构示意图；
[0019]图3是本发明激光系统的结构示意图。
[0020]图中:1、支撑系统；11、支撑平台；12、气浮平台；2、激光系统；21、固定底座;22、第二调节装置;23、激光器;24、光纤耦合器;25、波长补偿仪;26、缩束镜；27、把手；28、分光镜组;3、测量系统;31、固定支架;32、纳米位移调整板;33、纳米位移台；34、水平粗调螺母;35、球窝支撑结构;36、调节螺杆;37、测量镜底座;38、测量镜;4、光纤。
【具体实施方式】
[0021]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
[0022]如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种纳米位移台六自由度校准装置，包括:支撑系统、激光系统和测量系统，所述支撑系统包括支撑平台和气浮平台，所述激光系统设置在所述支撑平台上，所述测量系统设置在所述气浮平台上，所述激光系统和所述测量系统电连接;所述测量系统包括固定支架、纳米位移台、测量镜和三维干涉仪，所述纳米位移台通过纳米位移调整板固定在所述气浮平台上，且所述纳米位移台位于所述固定支架的下方，所述测量镜通过测量镜底座设置在所述固定支架的上，所述三维干涉仪的X轴、Y轴和Z轴均两两正交的固定在所述固定支架上并分别与所述测量镜的三个反射面垂直，所述激光系统包括激光器、缩束镜、分光镜组、光纤耦合器和波长补偿仪，所述激光系统通过光纤耦合器与所述测量系统光纤连接。
[0023]本技术方案优选的，X轴、Y轴和Z轴干涉仪采用ZYGO公司的ZMI系列干涉仪，；此处的ZYGO公司的ZMI系列干涉仪也可简便的更换为其他类型的干涉仪，实现不同类型样品的测量。采用ZMI4004采集测量板，可实现0.15nm的位移分辨率。
[0024]该纳米位移台六自由度校准装置主要用来同时测量纳米位移台6自由度，系统最大的测量范围为10 X 10 X 10mm。测量主板采用1024电子细分的ZMI4004采集测量板，可实现0.15nm的位移分辨率。
[0025]所述激光系统和所述测量系统之间通过光纤连接，能够减少在传导的过程中产生的热误差。所述固定支架为龙门结构的大理石支架，且所述固定支架上开设有方形孔，所述测量镜穿过所述方形孔与测量镜底座相连接。所述支撑平台、所述气浮平台和所述固定支架均由大理石制成。
[0026]所述纳米位移调整板与所述气浮平台之间设置有第一调节装置，所述第一调节装置包括球窝支撑结构和两个调节螺杆，两个所述调节螺杆分别设置在所述球窝支撑结构的两侧。
[0027]所述纳米位移调整板的一侧设置有水平粗调螺母，通过水平粗调螺母能够调节纳米位移调整板的水平位移，然后通过第一条街装置对纳米位移调整板进行上下方位的调
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[0028]所述激光器通过固定底座与所述支撑平台相连接，且所述固定底座与所述支撑平台之间设置有第二调节装置，所述第二调节装置为带有球头的螺纹杆;所述固定底座的两侧设置有把手。在螺纹杆底部用球窝承接柱承接，螺纹杆和大理石之间还用一个紧固螺母进行固定，防止螺纹杆打滑，调节这三个螺纹杆就可以对激光器进行高度，俯仰和横滚角的调整
[0029]还包括保护罩，所述保护罩设置在所述测量系统的外部。
[0030]本发明提供的一种纳米位移台六自由度校准装置，测量系统的具体结构及工作原理如下:从光纤中出来的激光直接进入X轴干涉仪、Y轴干涉仪和Z轴干涉仪，从激光干涉仪出来的激光经过测量镜反射后回到干涉仪，通过激光干涉仪测量激光频率前后的变化，即可根据相应的计算公式得到纳米位移台的位移变化值和角度变化值。其中纳米位移台下面安装有纳米位移台调整板，在纳米位移台调整板上面有各种不同规格的纳米位移台安装孔，可以安装不同规格尺寸的纳米位移台；在纳米位移台调整板下面有轴心球窝支撑结构，作为支撑支点的轴心球是一个直径大小为20mm的小钢球，球窝I嵌入在纳米位移台调整板中，球窝2嵌入在大理石基板中；在纳米位移台调整板上安装有2个二维角度调整结构，两个细牙螺杆用于调节2个轴的俯仰角度，细牙螺纹衬套安装在纳米位移台调整板中，通过调节2个细牙螺杆的高度达到俯仰调节的作用;在纳米位移台调整板左侧安装有左侧调整结构，其中螺丝杆固定于龙门式的侧壁上，圆片和圆片之间夹着弹簧，圆片的侧边顶在纳米位移台调整面的侧壁上，螺杆的尾部深入到调整面的里面;在纳米位移台调整板右侧安装有右侧调整结构，细牙螺丝顶住纳米位移台调整面，通过调节细牙螺丝来调整旋转角度。
[0031]以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1.一种纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于，包括:支撑系统(I)、激光系统(2)和测量系统(3)，所述支撑系统(I)包括支撑平台(11)和气浮平台(12)，所述激光系统(2)设置在所述支撑平台(11)上，所述测量系统(3)设置在所述气浮平台(12)上，所述激光系统(2)和所述测量系统(3)电连接； 所述测量系统(3)包括固定支架(31)、纳米位移台(33)、测量镜(38)和三维干涉仪，所述纳米位移台(33)通过纳米位移调整板(32)固定在所述气浮平台(12)上，且所述纳米位移台(33)位于所述固定支架(31)的下方，所述测量镜(38)通过测量镜底座(37)设置在所述固定支架(31)的上，所述三维干涉仪的X轴、Y轴和Z轴均两两正交的固定在所述固定支架(31)上并分别与所述测量镜(38)的三个反射面垂直。2.根据权利要求1所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:所述激光系统(2)和所述测量系统(3)之间通过光纤连接。3.根据权利要求1所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:所述固定支架(31)为龙门结构的大理石支架，且所述固定支架(31)上开设有方形孔，所述测量镜(38)穿过所述方形孔与测量镜底座(37)相连接。4.根据权利要求1所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:所述支撑平台(11)、所述气浮平台(12)和所述固定支架(31)均由大理石制成。5.根据权利要求1所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:所述纳米位移调整板(32)与所述气浮平台(12)之间设置有第一调节装置，所述第一调节装置包括球窝支撑结构(35)和两个调节螺杆(36)，两个所述调节螺杆(36)分别设置在所述球窝支撑结构(35)的两侧。6.根据权利要求5所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:所述纳米位移调整板(32)的一侧设置有水平粗调螺母(34)。7.根据权利要求1-5中任一项所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:所述激光系统(2)包括激光器(23)、缩束镜(26)、分光镜组(28)、光纤親合器(24)和波长补偿仪(25)，所述激光系统(2)通过光纤耦合器(24)与所述测量系统(3)光纤(4)连接。8.根据权利要求6所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:所述激光器(23)通过固定底座(21)与所述支撑平台相连接，且所述固定底座(21)与所述支撑平台(11)之间设置有第二调节装置(22)，所述第二调节装置(22)为带有球头的螺纹杆;所述固定底座(21)的两侧设置有把手(27)。9.根据权利要求6所述的纳米位移台六自由度校准装置，其特征在于:还包括保护罩，所述保护罩设置在所述测量系统(3)的外部。
【文档编号】G01B11/02GK106052570SQ201610657239
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月11日 公开号201610657239.5, CN 106052570 A, CN 106052570A, CN 201610657239, CN-A-106052570, CN106052570 A, CN106052570A, CN201610657239, CN201610657239.5
【发明人】施玉书, 高思田, 李庆贤, 王兴旺, 李伟, 李琪, 李适, 王鹤群, 皮磊, 张树, 郭鑫, 沈飞
【申请人】中国计量科学研究院