专利名称：基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法
技术领域：
本发明属于超精密定位技术领域，涉及一种基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁 定定位方法。
背景技术：
精密定位装置作为一个闭环控制系统，通常由位移驱动和监测两个主要 单元组成。目前能实现纳米量级位移发生的驱动器件主要有压电管、压电陶瓷、 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems，微型机电系统)驱动器、超声驱动器、弹性体驱 动器和磁致伸缩器件等，其中压电陶瓷驱动器因具有高分辨率、高频响和发热低等优点，而 柔性铰链是一种新型的弹性导轨形式，具有无机械摩擦、无间隙、运动灵敏度高、加工简单 等优点，尤其适合纳米定位技术领域，则压电陶瓷与柔性铰链组合构成的超精密位移驱动 单元得到了广泛的应用。纳米量级位移监测单元主要有电容传感器、光栅传感器、激光干涉 仪等，其中激光干涉仪具有波长可溯源性、抗干扰能力强、位移分辨力高等特点，在纳米量 级的超精密定位系统中作为位移监测单元被广泛应用。激光干涉仪、压电陶瓷驱动器和柔性铰链构成的纳米级超精密定位系统，传统的 定位方法是以激光干涉仪测得的位移作为压电陶瓷驱动器的伺服控制参数实现闭环位置 控制，由于激光干涉仪普遍存在着周期性的非线性误差，该类方案的超精密定位系统很难 提高定位精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于外差式激光干涉仪的纳米 静态锁定定位方法。该方法是一种利用外差式激光干涉仪的参考信号和测量信号间的相位 差作为微位移发生驱动器的伺服控制参数实现闭环位置控制的一维静态锁定纳米定位方法。本发明方法的具体步骤是步骤(1)双频激光器输出频差为10 30MHZ的正交线偏振光，入射光学镜组，双 频激光器和光学镜组构成外差式激光干涉仪；步骤(2)外差式激光干涉仪作为微位移监测单元，实时监测微动工作台偏移锁定 位置所发生的位移，同时外差式激光干涉仪输出测量光；所述的微动工作台上设置有光学 镜组中的第二平面镜；步骤(3)双频激光器输出参考光经第一光电接收器后转化为第一电信号，第一电 信号输入到鉴相电路的一个输入端；外差式激光干涉仪输出测量光经第二光电接收器后转 化为第二电信号，第二电信号输入到鉴相电路的另一个输入端；步骤(4)鉴相电路对第一电信号和第二电信号进行鉴相后输出与相位差相对应 的模拟电压；步骤(5)鉴相电路输出的模拟电压输送至微位移发生驱动电源的控制端，作为控制电压控制微位移发生驱动电源；步骤(6)微位移发生驱动电源根据控制电压的大小，驱动微动工作台，使微动工 作台产生相应的位移，实现微动工作台的静态锁定定位。所述的光学镜组包括偏振分光棱镜、第一 1/4波片、第二 1/4波片、角锥棱镜、第一 平面镜、第二平面镜和光纤接收器。所述的微动工作台是由双极性可伸缩压电陶瓷和柔性铰链组合构成的超精密位 移驱动单元。所述的双频激光器与第一光电接收器通过光纤连接。所述的鉴相电路采用复杂可编程逻辑器件作为逻辑处理单元。所述的微位移发生驱动电源包括偏置电路、取样电路、误差放大电路和充放电回 路；偏置电路的输入端作为微位移发生驱动电源的控制端与鉴相电路输出连接，偏置电路 的输出端与误差放大电路的一个输入端连接，取样电路的输出端与误差放大电路的另一个 输入端连接；误差放大电路的输出端与充放电回路的输入端连接，充放电回路的输出端分 别与取样电路的输入端、微动工作台中的双极性可伸缩压压电陶瓷连接。本发明以激光干涉仪测得的相位差为位移驱动单元伺服控制参数的方式，省却一 个相位差转换为位移的环节，减少了误差项，使得系统装置简单易行，且大大提高了系统的 频率响应及定位精度。
图1为本发明的系统框图；图2为本发明中外差式激光干涉仪光路图；图3为本发明中鉴相电路原理框图；图4为本发明中微位移发生驱动电源电路框图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示。双频激光器1输出两频差为20MHZ的正交线偏振光，入射到光学镜 组2，构成外差式双频激光干涉仪。双频激光干涉仪作为微位移监测单元，实时监测微动工 作台3偏移锁定位置所发生的位移，同时双频激光干涉仪输出测量光，该测量光输入第二 光电接收器5后转化为第二电信号，双频激光器输出参考光经光纤传输输入第一光电接收 器4后转化为第一电信号。第一电信号输入到鉴相电路的一个输入端，第二电信号输入到 鉴相电路的另一个输入端。鉴相电路6对第一电信号和第二电信号进行鉴相后输出与相位 差相对应的模拟电压，此模拟电压输送至微位移发生驱动电源7的控制端，作为控制电压 控制微位移发生驱动电源，从而控制微动工作台的移动，实现闭环位置控制锁定定位。本发明提出的纳米静态锁定定位方法的一个显著特点是利用了基于多普勒效应 测长原理的外差式双频激光干涉仪。光路如图2所示。双频激光器1输出两频差为20MHZ 的正交线偏振光，传播方向都为激光器出射光束方向，但振动方向不同，其中光束一振动方 向垂直于图纸，光束二振动方向平行于图纸。沿着两光束的传播方向上放置一偏振分光棱 镜2-1，光束一和光束二同时入射到偏振分光棱镜2-1的分光面上，其中光束一沿着垂直于
4激光器出射光束方向向上反射出偏振分光棱镜2-1，依次入射到第一 1/4波片2-2和第一平 面镜2-3，在第一平面镜2-3处发生反射后再次输入第一 1/4波片2-2，然后变成振动方向 平行于图纸的光又入射到分光棱镜2-1的分光面处。同时光束二沿着与激光器出射光束一 致的方向依次入射到第二 1/4波片2-4和第二平面镜2-5，第二平面镜2-5安装在微动工 作台，随微动工作台产生位移Δ X，第二平面镜2-5处发生反射后再次入射至第二 1/4波片 2-4，然后变成振动方向垂直于图纸的光后再次入射到分光棱镜2-1的分光面处。此时对于 分光棱镜，原来的光束一由反射光变成了透射光，原来的光束二由透射光变成了反射光，两 光束同时入射到位于偏振分光棱镜下方的角锥棱镜2-7。角锥棱镜2-7的出射光束中光束 一再透射入第一 1/4波片2-2和第一平面镜2-3，光束二反射入第1/4波片2_4和第二平面 镜2-5，两光束分别反射回来后在分光棱镜2-1的分光面处会合，出射光束经转角棱镜2-6 后光的传播方向偏转90°，然后由光纤接收器2-8接收再由光纤传输输入第二光电接收器 5。基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法中，鉴相电路鉴别测量信号和参 考信号间的相位差精度显得尤为重要，直接影响定位精度。本发明中鉴相电路采用复杂可 编程逻辑器件作为逻辑处理单元的数字鉴相方法，电路框图如图3所示。双频激光器输出 参考光经第一光电接收器后转化成的第一电信号和激光干涉仪输出测量光经第二光电接 收器后转化成的第二电信号先经波形变换电路转换为方波信号，再输入数字鉴相器后将相 位差转换为相对应的模拟电压信号，数字鉴相器能鉴别相差的大小和方向。为了提高鉴相 精度，数字鉴相器输出信号进行三阶低通滤波后再进行差分放大。鉴相电路输出的模拟电压输送至微位移发生驱动电源的控制端，作为控制电压控 制微位移发生驱动电源。微位移发生驱动电源的控制电压范围为0 5V，驱动电压范围 为-630V +630V，输出位移范围为-6um +6um，最小位移分辨力为10nm。如图4所示，微 位移发生驱动电源包括偏置电路、取样电路、误差放大电路和充放电回路四部分。偏置电路 的输入端作为微位移发生驱动电源的控制端与鉴相电路输出连接，偏置电路的输出端与误 差放大电路的一个输入端连接，取样电路的输出端与误差放大电路的另一个输入端连接； 误差放大电路的输出端与充放电回路的输入端连接，充放电回路的输出端分别与取样电路 的输入端、微动工作台中的双极性可伸缩压压电陶瓷连接。其工作原理是鉴相电路输出的 控制电压，经偏置电路转换为满足实际需要的控制信号，该控制信号经前级放大后与取样 电路的取样值进行比较，得到的误差信号经放大后作为控制信号，控制充放电回路中开关 元件的通断，从而达到控制压电陶瓷的充放电，实现用O 5V的低电压控制-630 +630V 高电压的目的。微位移发生驱动电源根据控制电压的大小，驱动微动工作台，使微动工作台产生 相应的位移，实现微动工作台的静态锁定定位。
权利要求
基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤(1)双频激光器输出频差为10～30MHZ的正交线偏振光，入射光学镜组；双频激光器和光学镜组构成外差式激光干涉仪；步骤(2)外差式激光干涉仪作为微位移监测单元，实时监测微动工作台偏移锁定位置所发生的位移，同时外差式激光干涉仪输出测量光；所述的微动工作台上设置有光学镜组中的第二平面镜；步骤(3)双频激光器输出参考光经第一光电接收器后转化为第一电信号，第一电信号输入到鉴相电路的一个输入端；外差式激光干涉仪输出测量光经第二光电接收器后转化为第二电信号，第二电信号输入到鉴相电路的另一个输入端；步骤(4)鉴相电路对第一电信号和第二电信号进行鉴相后输出与相位差相对应的模拟电压；步骤(5)鉴相电路输出的模拟电压输送至微位移发生驱动电源的控制端，作为控制电压控制微位移发生驱动电源；步骤(6)微位移发生驱动电源根据控制电压的大小，驱动微动工作台，使微动工作台产生相应的位移，实现微动工作台的静态锁定定位。
2.根据权利要求1所述的基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法，其特征在 于所述的光学镜组包括偏振分光棱镜、第一 1/4波片、第二 1/4波片、第一平面镜、第二平 面镜、角锥棱镜、转角棱镜和光纤接收器。
3.根据权利要求1所述的基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法，其特征在 于所述的微动工作台是由双极性可伸缩压电陶瓷和柔性铰链组合构成的超精密位移驱动 单元。
4.根据权利要求1所述的基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法，其特征在 于所述的双频激光器与第一光电接收器通过光纤连接。
5.根据权利要求1所述的基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法，其特征在 于所述的鉴相电路采用复杂可编程逻辑器件作为逻辑处理单元。
6.根据权利要求1所述的基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法，其特征在 于所述的微位移发生驱动电源包括偏置电路、取样电路、误差放大电路和充放电回路；偏 置电路的输入端作为微位移发生驱动电源的控制端与鉴相电路输出连接，偏置电路的输出 端与误差放大电路的一个输入端连接，取样电路的输出端与误差放大电路的另一个输入端 连接；误差放大电路的输出端与充放电回路的输入端连接，充放电回路的输出端分别与取 样电路的输入端、微动工作台中的双极性可伸缩压压电陶瓷连接。
全文摘要
本发明涉及一种基于外差式激光干涉仪的纳米静态锁定定位方法。传统的定位方法精度不高。本发明中的双频激光器输出两频差为的正交线偏振光，入射到光学镜组，构成外差式双频激光干涉仪。双频激光干涉仪作为微位移监测单元，实时监测微动工作台偏移锁定位置所发生的位移，同时双频激光干涉仪输出测量光，双频激光器输出参考光，测量光和参考光经光电转换后进行鉴相电路，鉴相后输出与相位差相对应的模拟电压，作为控制电压驱动微动工作台的移动。本发明省却相位差转换为位移的环节，减少了误差项，使得系统装置简单易行，且大大提高了系统的频率响应及定位精度。
文档编号G05D3/12GK101968658SQ20101029545
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月27日 优先权日2010年9月27日
发明者侯德鑫, 叶树亮, 岩君芳, 李东升, 杨遂军, 邱建, 陈才 申请人:中国计量学院