一种用F-P标准具测量二维微位移的装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用F‑P标准具测量二维微位移的装置与方法。包括光源、柔性光纤和面阵成像器件，光源与柔性光纤连接，柔性光纤输出端前方布置面阵成像器件，柔性光纤和面阵成像器件之间设置有准光组合部件，通过准光组合部件将柔性光纤出射的光束处理成共轴同圆心的一系列同心圆并成像到面阵成像器件上，准光组合部件包括滤光片、F‑P标准具和物镜；计算每个圆环分别沿坐标轴方向的圆心坐标，确定每个圆环的圆心坐标，由面阵成像器件移动前后的圆心坐标相减获得二维微位移值。本发明专利技术测量装置简单紧凑且造价较低，方法微位移重复性标准差可达20nm以下，准确度高。

A F P etalon measurement device and method for two-dimensional micro displacement

The invention discloses a method for using F P etalon measurement device and method for two-dimensional micro displacement. Including the light source, and a flexible optical fiber array imaging device, light source is connected with a flexible optical fiber, flexible optical fiber output front layout array imaging device is arranged between the flexible combination of quasi optical components and optical fiber array imaging device, through the combination of quasi optical components will be flexible fiber output beam of light into a series of concentric coaxial concentric circles and imaging array imaging devices, quasi optical filters, F components including P etalon and lens; calculating coordinates of each ring respectively along the axis direction, determine the coordinates of the center of each ring, the array imaging device moving around the center coordinates to obtain two-dimensional micro displacement value subtraction. The measuring device of the invention has the advantages of simple and compact structure and low cost, and the standard repeatability of the repeatability of the micro displacement can reach below 20nm, and the accuracy is high.

【技术实现步骤摘要】
一种用F-P标准具测量二维微位移的装置与方法
本专利技术属于
，具体涉及了一种用F-P标准具测量二维微位移的装置与方法。
技术介绍
目前测量微位移的方法有多种。电容测微仪法的电容C反比于微位移x,即C∝1/x，电容测量标准差SC一定时微位移标准差Sx近似为Sx∝x2SC，使电容测微仪的测量范围小。电感测微仪的位移有效分辨率一般比电容测微仪要大一个数量级。光栅细分测量法的有效分辨率以及位移接近0时的重复性标准差都比电容测微仪法大1～2个数量级。激光干涉法测微位移原理上准确度高，测量不确定度为Ux≈c0+c1x，测量不确定度小，式中c0表示常量项，c1表示比例项，常量项c0与干涉条纹细分或信号相位细分的重复性标准差正相关，比例项c1与波长λ＝λ0/n的不确定度有关，λ0表示真空波长，n表示空气折射率，c1与与波长的相对不确定度呈单调关系，式中带下标的U表示下标所示物理量的不确定度。原理上c0可达0.1nm量级甚至更小，Uλ/λ也能控制在2×10-7以下。但是实际系统中常常存在多种不确定度分量因素的影响，例如有：阿贝误差的影响，光路中不可避免的闲程(或译为死程)误差的影响，温度、气压等多种影响量的不确定度分量，以及干涉条纹细分或信号相位细分的线性度影响。上述多种因素的综合影响常常使几毫米范围的微位移扩展不确定度难于减小到100nm以下。二维测量需要激光频率稳定的两组干涉测量光路及信号处理部件，使系统复杂且造价高。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术目的在于提供了一种用F-P标准具测量二维微位移的装置与方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一、一种用F-P标准具测量二维微位移的装置：装置包括光源、柔性光纤和面阵成像器件，光源与柔性光纤连接，柔性光纤输出端前方布置面阵成像器件，柔性光纤和面阵成像器件之间设置有准光组合部件，通过准光组合部件将柔性光纤出射的光束处理成共轴同圆心的一系列同心圆并成像到面阵成像器件上。所述的准光组合部件包括依次在柔性光纤输出端前方布置的滤光片、F-P标准具和物镜，一种或多种单色光的光源经过柔性光纤射入准光组合部件，准光组合部件产生的输出光束为一系列汇聚的共轴圆锥光束到面阵成像器件，并作为测量的基准光束，共轴圆锥光束的中心轴为准光组合部件的光轴。所述的面阵成像器件(以下简称为面阵器件或面阵)的接收表面与准光组合部件的光轴垂直，并与物镜的焦平面重合。所述的F-P标准具内部两块镜面板的间隔距离为d。所述的物镜为中焦距或短焦距的物镜。中焦距或短焦距是指焦距f在20～150mm范围内，焦距偏短会降低面阵使用率，过长会增大圆心坐标标准差。所述的面阵成像器件的一个边与水平方向(图中的X”轴方向)成45度角。所述面阵成像器件的表面形成一系列同心圆环8，圆环直径的平方与圆环序号之间成近似直线关系。当面阵成像器件相对于准光组合部件的光轴产生垂直于光轴的相对位移时，同心圆环8的圆心位置将发生改变，同心圆环8的圆心位置坐标的改变量就是面阵成像器件相对于准光组合部件光轴的位移量。本专利技术装置和方法测量的即是这个位移量。二、一种用F-P标准具测量二维微位移的方法：采用上述装置，然后采用以下步骤：1)构建分别平行于面阵成像器件面阵矩形的相邻两条边方向的x轴和y轴，再构建与面阵成像器件面阵矩形的相邻两条边方向成45度角的x"轴和y"轴，x"轴和y"轴分别位于水平面和铅垂面；2)对于面阵成像器件形成的一系列同心圆的每个圆环中，采用以下方式找到x轴方向和y轴方向的近似圆心坐标值，由两个轴方向的近似圆心坐标值确定近似圆心点Θ，接着过点Θ作两条分别平行于x"轴和y"轴的平行线作为近似直径；所述步骤2)具体为对于x轴方向或者y轴方向，找出第i个圆环上沿所在轴方向坐标值最大与最小的点作为光电信号极值点，两个光电信号极值点的坐标值取平均后取整数作为所在轴方向的近似圆心坐标值。3)对面阵成像器件中的面阵像元进行内插细分与信号平滑化处理，内插细分与信号平滑化后的虚拟小像元的光电信号依据内插细分与信号平滑化前的相近像元的光电信号值计算，以内插细分与信号平滑化后获得的虚拟小像元的光电信号来计算后续步骤的光电信号；所述步骤3)具体采用申请号为201710374595.0，申请日为2017.5.24，专利技术名称为《一种面阵用虚拟像元内插细分与信号平滑化的方法》的专利技术专利申请文件中的
技术实现思路
处的技术方案。4)在每条近似直径两侧的每侧±Nw范围内建立N"条平行线，相邻平行线的间隔为w表示面阵成像器件中相邻像元间间隔的平均值，N是正整数，每条平行线上相邻两个虚小拟像元之间的间隔为平行于x"轴或者y"轴方向各有(2N"+1)条平行线，并且(2N"+1)条平行线与每个圆环相交共形成(8N"+4)个小线段；每条线段两端光电信号小，中间有一信号峰值，对应坐标值为峰位坐标。5)对于(8N"+4)个线段的每个线段，采用申请日为申请号为201510217472.7的专利申请说明书或者PCT国际申请号为PCT/CN2016/078164的专利申请说明书中的对光电信号峰值坐标值的求取方法，求出每个线段上的光电信号峰位坐标及峰位坐标标准差，每条平行线上的两个峰位坐标的平均值作为该平行线上的一个圆心坐标的估计值。6)计算每个圆环分别沿x"轴和y"轴方向的圆心坐标，作为每个圆环的圆心坐标；7)在面阵成像器件移动前后，重复上述步骤1)～6)计算各个圆环的圆心坐标。找出单个圆环的(8N"+4)个线段上的峰位坐标标准差平均值接近极小值的某个圆环，以该圆环圆心在面阵成像器件移动前后的二维微位移值作为最终测量得到的面阵成像器件移动的二维微位移值。由于各个圆环上(8N"+4)个线段的光电信号峰值的平均值不同，光电信号分布的半高宽(FWHM)也不同，使各圆环上峰位标准差的平均值也有显著差别。选取峰位坐标的标准差的平均值近似为极小值的一个圆环，将该圆环圆心的二维微位移值作为最终测量得到的面阵成像器件(7)移动的二维微位移值。所述步骤2)具体为：对于x轴方向或者y轴方向，对于上文所述的系列同心圆环中的从内往外数的第i个圆环，找出第i个圆环上沿所在轴方向光电信号为极大值且坐标值最大的点，再找出该圆环上光电信号为极大值且坐标值最小的点，将这两个光电信号极大值点的坐标值以平均像元间距为相对单位取平均后再取整数，作为所在轴方向的近似圆心坐标的值。所述步骤6)沿x"轴或者y"轴方向的圆心坐标具体采用以下方式获得：取每条平行线上两峰位坐标的平均值作为圆心估计值，再将同一方向的(2N"+1)个圆心估计值再取平均作为该方向的圆心坐标。所述步骤6)中圆环沿x"轴和y"轴方向的圆心坐标计算方式相同，以y"轴方向为例来说明，具体为：6.1)平行于y"轴的第j条平行线与第i个圆环在x"轴上下方各相交产生一个小线段，由步骤5)获得上方小线段的峰位坐标为y"+ij及其标准差为由步骤5)获得下方小线段的峰位坐标为y"-ij及其标准差为6.2)采用以下公式计算第i个圆环的第j条平行线沿y"轴方向圆心坐标y"0ij及其标准差y"0ij＝(y"+ij+y"-ij)/2其中，i表示圆环的序数，j表示平行线的序数；6.3)采用以下公式对第i个圆与所有(2N"+1)条平行线相交后计算获得的圆心坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用F‑P标准具测量二维微位移的装置，其特征在于：包括光源(1)、柔性光纤(2)和面阵成像器件(7)，光源(1)与柔性光纤(2)连接，柔性光纤(2)输出端前方布置面阵成像器件(7)，柔性光纤(2)和面阵成像器件(7)之间设置有准光组合部件(6)，通过准光组合部件(6)将柔性光纤(2)出射的光束处理成共轴同圆心的一系列同心圆(8)并成像到面阵成像器件(7)上。

【技术特征摘要】
1.一种用F-P标准具测量二维微位移的装置，其特征在于：包括光源(1)、柔性光纤(2)和面阵成像器件(7)，光源(1)与柔性光纤(2)连接，柔性光纤(2)输出端前方布置面阵成像器件(7)，柔性光纤(2)和面阵成像器件(7)之间设置有准光组合部件(6)，通过准光组合部件(6)将柔性光纤(2)出射的光束处理成共轴同圆心的一系列同心圆(8)并成像到面阵成像器件(7)上。2.根据权利要求1所述的一种用F-P标准具测量二维微位移的装置，其特征在于：所述的准光组合部件(6)包括依次在柔性光纤(2)输出端前方布置的滤光片(3)、F-P标准具(4)和物镜(5)，一种或多种单色光的光源(1)经过柔性光纤(2)射入准光组合部件(6)，准光组合部件(6)产生的输出光束为一系列汇聚的共轴圆锥光束到面阵成像器件(7)，并作为测量的基准光束，共轴圆锥光束的中心轴为准光组合部件(6)的光轴。3.根据权利要求1所述的一种用F-P标准具测量二维微位移的装置，其特征在于：所述的面阵成像器件(7)的接收表面与准光组合部件(6)的光轴垂直，并与物镜(5)的焦平面重合。4.根据权利要求1所述的一种用F-P标准具测量二维微位移的装置，其特征在于：所述的物镜(5)为中焦距或短焦距的物镜。5.根据权利要求1所述的一种用F-P标准具测量二维微位移的装置，其特征在于：所述的面阵成像器件(7)的一个边与水平方向成45度角。6.一种用F-P标准具测量二维微位移的方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一所述装置，方法包括：1)构建分别平行于面阵成像器件(7)面阵矩形的相邻两条边方向的x轴和y轴，再构建与面阵成像器件(7)面阵矩形的相邻两条边方向成45度角的x"轴和y"轴，x"轴和y"轴分别位于水平面和铅垂面；2)对于面阵成像器件(7)形成的一系列同心圆(8)的每个圆环中，采用以下方式找到x轴方向和y轴方向的近似圆心坐标值，由两个轴方向的近似圆心坐标值确定近似圆心点Θ，接着过点Θ作两条分别平行于x"轴和y"轴的平行线作为近似直径；3)对面阵成像器件(7)中的面阵像元进行内插细分与信号平滑化处理，以内插细分与信号平滑化后获得的虚拟小像元的光电信号来计算后续步骤的光电信号；4)在每条近似直径两侧的每侧±Nw范围内建立N"条平行线，相邻平行线的间隔为w表示面阵成像器件(7)中相邻像元间间隔的平均值，N是正整数，每条平行线上相邻两个虚拟小像元之间的间隔为平行于x"轴或者y"轴方向各有(2N"+1)条平行线，并且(2N"+1)条平行线与每个圆环和面阵成像器件(7)的边沿相交后在两侧共获得(4N"+2)个小线段，x"轴和y"轴方向共有(4N"+2)条平行线对应共获得(8N"+4)个小线段；5)对于(8N"+4)个线段，求出每个线段上光电信号的峰位坐标及峰位坐标的标准差；6)计算每个圆环分别沿x"轴和y"轴方向的圆心坐标，进而获得每个圆环的圆心坐标；7)在面阵成像器件(7)移动前后，重复上述步骤1)～6)计算各个圆环的圆心坐标，找出圆环在(8N"+4)个线段上的峰位坐标标准差平均值接近极小值的单个圆环，以该圆环圆心在面阵成像器件(7)移动前后的二维微位移值作为最终测量得到的...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鹤年，沈小燕，李东升，蔡晋辉，孙志鹏，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33