微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及微纳操控平台的激光检测技术领域，特别是涉及一种微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统及其测量方法。

背景技术：

随着微纳操控技术的发展及应用，多自由度尤其是实现旋转自由度的微纳操控平台日益得到关注，而角位移和线位移的精密测量是影响其发展的重要因素。

激光干涉仪因分辨率高、非接触、受环境影响小、反应灵敏等优点广泛应用于各种精密测量系统中。激光干涉仪是根据参考光束和测量光束之间的干涉来进行位移测量，若两道光束光程差没有变化时，探测器会在相长性和相消性干涉的两极之间找到稳定的信号；若光程差有变化时，探测器会在每一次光程变化时，在相长性和相消性干涉的两极之间找到变化信号，这些变化会被计算并用来测量两个光程之间的差异变化。目前存在的激光干涉仪往往只能测单独的平移运动或单独测量角度，无法同时测量角度和平移，当有光程差变化时，激光干涉仪无法判断此变化是由平移运动产生的还是由微纳操控平台旋转产生的，因此导致微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统无法对其角位移进行测量。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的一个目的是提供一种微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统，该测量系统能够在微纳操控平台做非定中心的旋转运动即既有平移运动又有旋转运动时对平移运动和角位移进行解耦并同时测量，且测量精度高、结构简单。

本发明的另一个目的是提供一种微纳操控平台位移及旋转角的测量方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统，所述微纳操控平台包括平台底座以及位于所述平台底座上的位移平台，其中，包括：

位于第一轴线上的第一激光干涉仪和第二激光干涉仪，第一激光干涉仪的发射孔的中心轴线与第二激光干涉仪的发射孔的中心轴线共线，位于与第一轴线垂直的第二轴线上的第三激光干涉仪，该第三激光干涉仪与第一激光干涉仪、第二激光干涉仪位于同一水平面内，且第三激光干涉仪的发射孔的中心轴线与第一激光干涉仪的发射孔的中心轴线垂直；以及

设在位移平台上构造成十字形的光学组件，该光学组件包括与第一激光干涉仪对应的第一直角镜片部分，该第一直角镜片部分包括第一直角镜面和第二直角镜面，且第一激光干涉仪发射的入射光线与该入射光线经第一直角镜片部分的第一直角镜面和第二直角镜面反射后的出射光线平行，光学组件还包括与第二激光干涉仪对应的第二直角镜片部分，该第二直角镜片部分包括第一直角镜面和第二直角镜面，且第二激光干涉仪发射的入射光线与该入射光线经第二直角镜片部分的第一直角镜面和第二直角镜面反射后的出射光线平行；光学组件还包括与第三激光干涉仪对应的第三直角镜片部分，该第三直角镜片部分包括第一直角镜面和第二直角镜面，且第三激光干涉仪发射的入射光线与该入射光线经第三直角镜片部分的第一直角镜面和第二直角镜面反射后的出射光线平行。

其中，光学组件包括设置在位移平台上的光学组件底座，在光学组件底座上设置有构造成十字形的四个卡槽，在每个卡槽中均设置有玻璃片，其中，靠近第一激光干涉仪的两个玻璃片形成第一直角镜片部分，靠近第二激光干涉仪的两个玻璃片形成第二直角镜片部分，靠近第三激光干涉仪的两个玻璃片形成第三直角镜片部分，且靠近第三激光干涉仪的两个玻璃片的两面均涂覆有反光膜，远离第三激光干涉仪且靠近第一激光干涉仪的玻璃片面向第一激光干涉仪的一面涂覆有反光膜，远离第三激光干涉仪且靠近第二激光干涉仪的玻璃片面向第二激光干涉仪的一面涂覆有反光膜。

本发明还提供了一种微纳操控平台位移及旋转角的测量方法，其包括：

s1：将位移平台的运动分解成沿第一轴线的平移运动、第二轴线的平移运动和绕平台中心点的旋转运动，设位移平台沿第二轴线的平移距离为a1，沿第一轴线的平移距离为a2，以及绕平台中心点的旋转角度为θ；

s2：由第一激光干涉仪测得第一轴线上的第一光程差y11；由第二激光干涉仪测得第一轴线上的第二光程差y22；由第三激光干涉仪测得第二轴线上的光程差x11；

s3：通过以下公式计算得出第一激光干涉仪因位移平台沿第一轴线平移运动接收到的光程差y1、第一激光干涉仪因位移平台绕平台中心点旋转运动接收到的光程差y2和沿第一轴线的平移距离a2；

y11＝y1+y2，

y22＝-y1+y2，

y1＝2a2；

s4:设在绕平台中心点的旋转运动中，位移平台旋转前第一直角镜片部分的第一直角镜面的第一反射点与位移平台旋转后第一直角镜片部分的第一直角镜面的第一反射点之间的距离为m，位移平台旋转前第一直角镜片部分的第二直角镜面的第二反射点与位移平台旋转后第一直角镜片部分的第二直角镜面的第二反射点之间的距离为n，则令α＝m/n，并已知l0为位移平台未运动前第一直角镜片部分的入射光线与出射光线之间的距离，则通过下式计算得出位移平台的旋转角度θ：

s5：通过下式计算得出位移平台沿第二轴线上的平移距离a1：

x11＝x1+x2，

x1＝2a1，

式中，x1为第三激光干涉仪因位移平台沿第一轴线平移运动接收到的光程差；x2为第三激光干涉仪因位移平台绕平台中心点旋转运动接收到的光程差，x2＝y2。

(三)有益效果

本发明提供的微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统通过第一轴线上的两个激光干涉仪能够实现第一轴线方向的位移测量，并能够间接计算得出微纳操控平台的旋转角度，通过与第一轴线垂直的第二轴线上的第三激光干涉仪，实现第二轴线方向的位移测量，因此该测量系统能够实现第一轴线、第二轴线两个方向的位移以及旋转角度三个自由度的测量，很好地克服了现有检测器件的局限性，满足空间多自由度直线位移与角位移的实时测量反馈。此外，该测量系统结构简单、测量精度高。

附图说明

图1为根据本发明的一种微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统的结构示意图；

图2为图1中的一种微纳操控平台位移及旋转角的精密测量系统的俯视图；

图3为图1中的光学组件的一个优选实施例的结构示意图；

图4为图1中的位移平台运动前后的示意图；

图5为图4中的位移平台的运动分解示意图，其中图5左上为位移平台运动前的结构示意图；图5右上为分解后的位移平台沿x轴平移的示意图；图5右下为分解后的位移平台沿y轴平移的示意图；以及图5左下为分解后的位移平台绕位移平台中心点旋转的示意图；

图6为图5右上所示位移平台沿x轴平移前后入射光线和出射光线的示意图；

图7为图5右下所示位移平台沿y轴平移前后入射光线和出射光线的示意图；

图8为图5左下所示位移平台绕平台中心点旋转前后的入射光线和出射光线的示意图。

图中，1：第一激光干涉仪；2：第二激光干涉仪；3：第三激光干涉仪；4：位移平台；5：平台底座；6：光学组件；601：光学组件底座；602：玻璃片；603：固定支架；604：活动支架；605：螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”、“x轴”“y轴”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1和图2示出了根据本发明的一种微纳操控平台位移及旋转角的测量系统的一个优选实施例。如图1所示，微纳操控平台包括平台底座5以及位于平台底座5上的位移平台4，该测量系统包括：位于第一轴线(即，y轴)上的第一激光干涉仪1和第二激光干涉仪2，第一激光干涉仪1的发射孔的中心轴线与第二激光干涉仪2的发射孔的中心轴线共线。该测量系统还包括位于与第一轴线垂直的第二轴线(即，x轴)上的第三激光干涉仪3，该第三激光干涉仪3与第一激光干涉仪1、第二激光干涉仪2位于同一水平面内，且第三激光干涉仪3的发射孔的中心轴线与第一激光干涉仪1的发射孔的中心轴线垂直。该测量系统还包括设在位移平台4上构造成十字形的光学组件6，该光学组件6包括与第一激光干涉仪1对应的第一直角镜片部分，该第一直角镜片部分包括第一直角镜面和第二直角镜面，且第一激光干涉仪1发射的入射光线与该入射光线经第一直角镜片部分的第一直角镜面和第二直角镜面反射后的出射光线平行。在该实施例中，第一激光干涉仪1发射的入射光线入射到第一直角镜片部分的第一直角镜面的初始入射角为45°。光学组件还包括与第二激光干涉仪2对应的第二直角镜片部分，该第二直角镜片部分包括第一直角镜面和第二直角镜面，且第二激光干涉仪2发射的入射光线与该入射光线经第二直角镜片部分的第一直角镜面和第二直角镜面反射后的出射光线平行在该实施例中，第二激光干涉仪2发射的入射光线入射到第二直角镜片部分的第一直角镜面的初始入射角为45°。光学组件还包括与第三激光干涉仪3对应的第三直角镜片部分，该第三直角镜片部分包括第一直角镜面和第二直角镜面，且第三激光干涉仪3发射的入射光线与该入射光线经第三直角镜片部分的第一直角镜面和第二直角镜面反射后的出射光线平行。在该实施例中，第二激光干涉仪3发射的入射光线入射到第三直角镜片部分的第一直角镜面的初始入射角为45°。

本发明提供的微纳操控平台位移及旋转角的测量系统通过y轴上的两个激光干涉仪能够实现y方向的位移测量，并能够间接计算得出微纳操控平台的旋转角度(具体计算方法将在下面描述)，通过x轴线上的第三激光干涉仪，实现x方向的位移测量，使得该测量系统能够实现空间多自由度的位移和角度测量，很好地克服了现有检测器件的局限性，满足空间多自由度直线位移与角位移的实时测量反馈。此外，该测量系统结构简单、测量精度高。

具体地，如图3所示，该光学组件6包括设置在位移平台1上的光学组件底座601，在光学组件底座601上设置有构造成十字形的四个卡槽，在每个卡槽中均设置有玻璃片602，其中，靠近第三激光干涉仪3的两个玻璃片602的两面都涂覆有反光膜，远离第三激光干涉仪3且靠近第一激光干涉仪1的玻璃片602面向第一激光干涉仪1的一面涂覆有反光膜，远离第三激光干涉仪3且靠近第二激光干涉仪2的玻璃片602面向第二激光干涉仪2的一面涂覆有反光膜。其中，靠近第一激光干涉仪1的两个玻璃片构造成第一直角镜片部分，靠近第二激光干涉仪2的两个玻璃片构造成第二直角镜片部分，靠近第三激光干涉仪13的两个玻璃片构造成第三直角镜片部分。

优选地，光学组件还包括位于光学组件底座601上的两个固定支架603和两个能够在x方向移动的活动支架604，其中一个固定支架603分别贴靠在靠近第一激光干涉仪1的两个玻璃片上，另外一个固定支架603分别贴靠在靠近第二激光干涉仪2的两个玻璃片上，其中一个活动支架604分别抵接在靠近第三激光干涉仪3的两个玻璃片上，另外一个活动支架604分别抵接在远离第三激光干涉仪3的两个玻璃片上，固定支架603和活动支架604的横截面都呈等腰直角形状。在活动支架604的外端设置有螺栓605，在光学组件底座601上设置有与螺栓605配合的螺纹孔，当拧螺栓头部时，螺栓杆部抵接在活动支架604上，以使活动支架604沿x方向滑动，从而将相应的玻璃片固定于相应的活动支架603和固定支架604之间。

本发明还公开了一种微纳操控平台位移及旋转角的测量方法，其包括以下步骤:

s1：将微纳操控平台的运动(如图5所示)分解成位移平台4沿x轴的平移运动(如图6所示)，沿y轴的平移运动(如图7所示)和绕平台中心点的旋转运动(如图8所示)，设位移平台4沿x轴的平移距离为a1，沿y轴的平移距离为a2以及绕平台中心点的旋转角度为θ；

s2：由第一激光干涉仪1测得y轴的第一光程差y11；由第二激光干涉仪2测得y轴的第二光程差y22；由第三激光干涉仪3测得x轴的光程差x11；

s3：通过以下公式计算得出第一激光干涉仪1因位移平台4沿第一轴线平移运动接收到的光程差y1、第一激光干涉仪1因位移平台绕平台中心点旋转运动接收到的光程差y2和沿y轴的平移距离a2(如图8所示)；

y11＝y1+y2，

y22＝-y1+y2，

y1＝2a2；

s4:设在绕平台中心点的旋转运动中，如图8所示，位移平台4旋转前第一直角镜片部分的第一反射点b与位移平台4旋转后第一直角镜片部分的第一反射点e之间的距离为m，位移平台4旋转前第一直角镜片部分的第二反射点c与位移平台4旋转后第一直角镜片部分的第二反射点f之间的距离为n，则令α＝m/n，并已知l0为位移平台4未运动前第一直角镜片部分的入射光线ab与出射光线cd之间的距离(如图7所示)，则通过下式计算得出位移平台4的旋转角度θ：

在图7中，l0为位移平台4未移动时，第一直角镜片部分的入射光线ab与出射光线cd之间的距离；l1为位移平台4沿x轴平移运动后，第一直角镜片部分的入射光线ae与出射光线fg之间的距离；a1为位移平台4沿x轴平移的距离，l1-l0＝dg＝2×a1，故通过测量出射光线移动的距离可以获得微纳操控平台沿x轴的位移。

当位移平台4沿y轴运动时，x方向的光程差的变化为0，即沿y轴运动时，第一激光干涉仪1和第二激光干涉仪2输出无变化。

当位移平台4a沿y轴运动时，第一激光干涉仪1因位移平台4a沿y轴平移运动接收到的光程差y1、第一激光干涉仪1因位移平台绕平台中心点旋转运动接收到的光程差y2和沿y轴的平移距离a2(如图8所示)，则y1、y2和a2满足下列公式；

y11＝y1+y2，

y22＝-y1+y2，

y1＝2a2；

位移平台4b绕平台中心点的旋转运动前后，当入射光线ab的方向和位置不变时，出射光线cd的方向和位置也不发生变化。

在图8中，过k点作水平直线kn，过f作gf的延长线和过k点的水平线交于点n。

(1)设位移平台4旋转的角度为θ，当旋转角θ为0°时，入射光线为ab，出射光线为cd，入射光线的入射角为45°，出射光线cd的出射角也为45°，因此eb//cg。

(2)当旋转角θ不为0°时，入射光线为ae，出射光线为fg，入射光线的入射角为45°+θ，此时∠kef＝45°-θ,在直角δekf中，∠kef＝45°-θ，∠ekf＝90°，可得∠efk＝45°+θ。

图8中，∠fkn＝45°-θ,∠ghm＝∠efk＝45°+θ,∠kfn＝∠gfm＝45°+θ。所以∠knf＝180°-∠fkn-∠kfn＝90°。gf的延长线fn//eb平行，所以gf//eb。

ab到cd的距离为bc＝l1。fg到eb的距离为eg，∠gef＝90°-∠bek-∠kef＝2θ,且eg和gf垂直，所以eg＝ef×cos2θ，其中

ef＝ek/cos(45°-θ)，

bk＝bc×cos45°，

可得eg＝l1。

所以cd和fg平行且cd到ab的距离和fg到ab的距离相等,故直线cd和直线fg重合。

位移平台4做旋转运动后的光程差为：y2＝ef+fc-eb-bc。由几何知识可知，△eob≈△cof(即图中带阴影的两个三角形相似)，设相似比为

∠gef＝2×θ；

由以上条件可获得如下方程：

在δfjk中，∠bek＝45°-θ，∠ekb＝θ，由正弦定理知：

方程式(1)和(2)联合求解可获得微纳操控平台的旋转角度θ。

优选地，该测量方法还包括步骤：

s5：通过下式计算得出位移平台沿第二轴线的平移运动距离a1：

x11＝x1+x2，

x1＝2a1，

式中，x1为第三激光干涉仪3因位移平台沿第二轴线平移运动接收到的光程差；x2为第三激光干涉仪3因位移平台绕平台中心点旋转运动接收到的光程差，x2＝y2。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。