微纳操控平台三自由度的测量系统及其测量方法技术方案

本发明专利技术涉及微纳操控平台的激光检测技术领域，公开了一种微纳操控平台三自由度的测量系统，微纳操控平台包括平台底座和位移平台，该测量系统包括：位于第一轴线上的第一激光干涉仪和第二激光干涉仪，以及设在位移平台上构造成十字形的光学组件，该光学组件包括第一直角镜片部分和第二直角镜片部分；还包括图像传感器以及设置在经第一直角镜片部分反射后的出射光线的光路上的分光镜，经分光镜反射的分光光路与所述图像传感器的感光面垂直。本发明专利技术还提供了一种微纳操控平台三自由度的测量方法。本发明专利技术提供的测量系统及其测量方法能够实现空间三自由度的测量且测量精度高。

【技术实现步骤摘要】
微纳操控平台三自由度的测量系统及其测量方法
本专利技术涉及微纳操控平台的激光检测
，特别是涉及一种微纳操控平台三自由度的测量系统及其测量方法。
技术介绍
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的角位移。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在做非定中心的旋转运动即既有平移运动又有旋转运动时无法对平移运动和角位移进行解耦并同时测量。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的一个目的是提供一种微纳操控平台三自由度的测量系统，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。本专利技术的另一个目的是提供一种微纳操控平台三自由度的测量方法。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种微纳操控平台三自由度的测量系统，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，其特征在于，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；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；以及还包括图像传感器以及设置在经第一直角镜片部分反射后的出射光线的光路上的分光镜，经分光镜反射的分光光路与所述图像传感器的感光面垂直。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，其中，靠近第一激光干涉仪的两个玻璃片面向第一激光干涉仪的一面均涂覆有反光膜，靠近第二激光干涉仪的两个玻璃片面向第二激光干涉仪的一面均涂覆有反光膜。本专利技术还提供了一种微纳操控平台三自由度的测量方法，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、沿与第一轴线垂直的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：由图像传感器测得第一直角镜片部分的出射光线的移动距离X1，得出沿第二轴线的平移运动距离a1＝X1/2；S2：由第一激光干涉仪测得第一轴线上的第一方向光程差Y11；由第二激光干涉仪测得第一轴线上的第二方向光程差Y22；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:设在所述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：(三)有益效果本专利技术提供的微纳操控平台三自由度的测量系统通过图像传感器实现位移平台的第二轴线方向的位移测量，并通过第一轴线上的两个激光干涉仪实现第一轴线方向的位移测量，并间接计算得出微纳操控平台的旋转角度，从而实现空间三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。附图说明图1为根据本专利技术的一种微纳操控平台三自由度的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三自由度的测量系统的俯视图；图3为图1中的测量系统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(a)为位移平台运动前的结构示意图；(b)为分解后的位移平台沿X轴平移的示意图；(c)为分解后的位移平台沿Y轴平移的示意图；以及(d)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(b)中位移平台沿X轴平移前后入射光线和出射光线的示意图；图7为图5(c)中位移平台沿Y轴平移前后入射光线和出射光线的示意图；图8为图5(d)中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：图像传感器；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，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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专利技术的限制。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。在本专利技术的描述中，“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。在本专利技术中，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微纳操控平台三自由度的测量系统，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，其特征在于，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；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；以及还包括图像传感器以及设置在经第一直角镜片部分反射后的出射光线的光路上的分光镜，经分光镜反射的分光光路与所述图像传感器的感光面垂直。

【技术特征摘要】
1.一种微纳操控平台三自由度的测量系统，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，其特征在于，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；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；以及还包括图像传感器以及设置在经第一直角镜片部分反射后的出射光线的光路上的分光镜，经分光镜反射的分光光路与所述图像传感器的感光面垂直。2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，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，其中，靠近第一激光干涉仪的两个玻璃片面向第一激光干涉仪的一面均涂覆有反光膜，靠近第二激光干涉仪的两个玻璃片面向第二激光干涉仪的一面均涂覆有反光膜。3.一种微纳操控平台三自由度的测量...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蓓，刘雨，赵子琪，高枫，闫鹏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11