【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于精密测量装置，特别涉及一种悬臂式光波导标定用组合测量仪及标定方法。
技术介绍
1、悬臂式光波导可集成于液体微流控系统，应用于微流控传感器系统中微弱信号检测、信息链路参数标定、传感器与微系统集成及高精度智能分析等关键
悬臂式光波导在液体微流控系统中的工作原理是，待测样品的微流场会引起悬臂式光波导的偏转，导致系统输出光强变化，从而被光电二极管感知。其中悬臂式光波导的弹性系数和灵敏度与微流场作用力直接相关，因此相应的标定技术及装置研究至关重要。
2、目前现有装置针对悬臂式光波导“力-形变-光功率”关系的标定存在相当的局限性，具体表现为标定效率及灵敏度较低，抗干扰性能差，系统结构复杂且资源共用程度不高。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种悬臂式光波导标定用组合测量仪及标定方法，以共光路的一体化设计，集悬臂式光波导三维初始姿态测量、悬臂式光波导弹性系数标定、悬臂式光波导“力-形变-光功率”标定以及原子力探针弹性系数标定功能于一体，能够单独或组合使用而进行测量，大大减少了使用成本。
2、为了达到上述目的，本专利技术提供的悬臂式光波导标定用组合测量仪包括位移台、白光光源、第一准直透镜、管镜、ccd相机、第一非偏振分束立方器、二向色镜、四分之一波片、激光光源、第二准直透镜、四象限光电探测器、偏振分束立方器、第二非偏振分束立方器、第一显微物镜、第二显微物镜、参考镜、原子力探针、悬臂式光波导样品、微力探针、促动器、压电陶瓷驱动
3、所述位移台、白光光源、第一准直透镜、管镜、ccd相机、第一非偏振分束立方器、二向色镜、四分之一波片、第二非偏振分束立方器、第一显微物镜、第二显微物镜、参考镜和悬臂式光波导样品构成悬臂式光波导三维初始姿态测量装置。
4、所述位移台、二向色镜、四分之一波片、激光光源、第二准直透镜、四象限光电探测器、偏振分束立方器、第二非偏振分束立方器、第二显微物镜、原子力探针、微力探针、促动器、压电陶瓷驱动器、第一精密位移台和第二精密位移台构成原子力探针弹性系数标定装置。
5、所述悬臂式光波导样品呈板状，包括有基底悬臂式光波导样品和无基底悬臂式光波导样品。
6、当悬臂式光波导样品采用有基底悬臂式光波导样品时，所述位移台1、二向色镜、四分之一波片、激光光源、第二准直透镜、四象限光电探测器、偏振分束立方器、第二非偏振分束立方器、第二显微物镜、原子力探针、有基底悬臂式光波导样品和第二精密位移台构成悬臂式光波导“力-形变”关系标定装置。
7、当悬臂式光波导样品采用无基底悬臂式光波导样品时，所述位移台、二向色镜、四分之一波片、激光光源、第二准直透镜、四象限光电探测器、偏振分束立方器、第二非偏振分束立方器、第二显微物镜、原子力探针、无基底悬臂式光波导样品、微力探针、促动器、压电陶瓷驱动器、第一精密位移台和第二精密位移台构成悬臂式光波导“力-形变”关系标定装置。
8、所述位移台、二向色镜、四分之一波片、激光光源、第二准直透镜、四象限光电探测器、偏振分束立方器、第二非偏振分束立方器、第二显微物镜、原子力探针、悬臂式光波导样品、第二精密位移台、激光输入模块和光电二极管构成悬臂式光波导“形变-光功率”关系标定装置。
9、本专利技术提供的悬臂式光波导标定用组合测量仪的标定方法包括按顺序进行的下列步骤：
10、步骤1：利用所述悬臂式光波导三维初始姿态测量装置，基于白光干涉测量技术，采用相位谱高度估计方法，测量出悬臂式光波导的三维初始姿态，从而在“力-形变-光功率”关系标定前对悬臂式光波导的通光情况进行估计，以提高后续标定的准确性；
11、步骤2：利用所述原子力探针弹性系数标定装置标定原子力探针的弹性系数；若针对无基底悬臂式光波导的标定，省略此步骤；
12、步骤3：选择不同结构的悬臂式光波导“力-形变”关系标定装置对无基底或有基底悬臂式光波导进行标定，获得悬臂式光波导“力-形变”关系；
13、步骤4：利用所述悬臂式光波导“形变-光功率”关系标定装置对悬臂式光波导进行标定，获得悬臂式光波导“形变-光功率”关系，并结合步骤3中获得的悬臂式光波导“力-形变”关系完成悬臂式光波导“力-形变-光功率”标定。
14、在步骤1中，利用所述悬臂式光波导三维初始姿态测量装置，基于白光干涉测量技术，采用相位谱高度估计方法，测量出悬臂式光波导的三维初始姿态的方法包括如下步骤：
15、步骤1.1：获取悬臂式光波导表面轮廓的干涉图样，并提取干涉图样中各测量点的干涉信号ib，选取干涉图样中任一测量点信号作为参考信号ia；
16、步骤1.2：获取干涉信号ib与参考信号ia的互功率谱gab，公式如下：
17、gab＝ga[gb]*
18、其中，ga,gb表示ia,ib经过傅里叶变换后的频谱分布，*表示共轭运算；
19、步骤1.3：从上述互功率谱gab中提取出相位信息φ，进而利用下式得到悬臂式光波导的高度信息h，从而确定出悬臂式光波导的三维初始姿态：
20、
21、其中，n为离散傅里叶变换点数，fi为互功率谱频率，i为傅里叶变换后的相频信息点序数。
22、与现有装置相比，本专利技术提供的悬臂式光波导标定用组合测量仪及标定方法具有如下优点：
23、1.本专利技术具有悬臂式光波导“力-形变-光功率”关系标定功能，集成悬臂式光波导三维初始姿态测量、悬臂式光波导弹性系数标定、悬臂式光波导“力-形变-光功率”标定以及原子力探针弹性系数标定功能于一体，能够单独或本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：所述悬臂式光波导标定用组合测量仪包括位移台(1)、白光光源(2)、第一准直透镜(3)、管镜(4)、CCD相机(5)、第一非偏振分束立方器(6)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、激光光源(9)、第二准直透镜(10)、四象限光电探测器(11)、偏振分束立方器(12)、第二非偏振分束立方器(13)、第一显微物镜(14)、第二显微物镜(15)、参考镜(16)、原子力探针(17)、悬臂式光波导样品(18)、微力探针(19)、促动器(20)、压电陶瓷驱动器(21)、第一精密位移台(22)、第二精密位移台(23)、激光输入模块(24)和光电二极管(25)；其中，CCD相机(5)、管镜(4)、第一非偏振分束立方器(6)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、第二非偏振分束立方器(13)和第二显微物镜(15)从上至下间隔距离排成一列且中心对齐，均安装在能够上下移动的位移台(1)前端中部；第一准直透镜(3)和白光光源(2)间隔距离排成一排设在位于第一非偏振分束立方器(6)一侧的位移台(1)前端，并且第一准直透镜(3)、白光光源(2)和第一非偏振分束
2.根据权利要求1所述的悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：所述位移台(1)、白光光源(2)、第一准直透镜(3)、管镜(4)、CCD相机(5)、第一非偏振分束立方器(6)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、第二非偏振分束立方器(13)、第一显微物镜(14)、第二显微物镜(15)、参考镜(16)和悬臂式光波导样品(18)构成悬臂式光波导三维初始姿态测量装置。
3.根据权利要求1所述的悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：所述位移台(1)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、激光光源(9)、第二准直透镜(10)、四象限光电探测器(11)、偏振分束立方器(12)、第二非偏振分束立方器(13)、第二显微物镜(15)、原子力探针(17)、微力探针(19)、促动器(20)、压电陶瓷驱动器(21)、第一精密位移台(22)和第二精密位移台(23)构成原子力探针弹性系数标定装置。
4.根据权利要求1所述的悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：所述悬臂式光波导样品(18)呈板状，包括有基底悬臂式光波导样品(18a)和无基底悬臂式光波导样品(18b)。
5.根据权利要求4所述的悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：当悬臂式光波导样品(18)采用有基底悬臂式光波导样品(18a)时，所述位移台(1)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、激光光源(9)、第二准直透镜(10)、四象限光电探测器(11)、偏振分束立方器(12)、第二非偏振分束立方器(13)、第二显微物镜(15)、原子力探针(17)、有基底悬臂式光波导样品(18a)和第二精密位移台(23)构成悬臂式光波导“力-形变”关系标定装置。
6.根据权利要求4所述的悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：当悬臂式光波导样品(18)采用无基底悬臂式光波导样品(18b)时，所述位移台(1)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、激光光源(9)、第二准直透镜(10)、四象限光电探测器(11)、偏振分束立方器(12)、第二非偏振分束立方器(13)、第二显微物镜(15)、原子力探针(17)、无基底悬臂式光波导样品(18b)、微力探针(19)、促动器(20)、压电陶瓷驱动器(21)、第一精密位移台(22)和第二...
【技术特征摘要】
1.一种悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：所述悬臂式光波导标定用组合测量仪包括位移台(1)、白光光源(2)、第一准直透镜(3)、管镜(4)、ccd相机(5)、第一非偏振分束立方器(6)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、激光光源(9)、第二准直透镜(10)、四象限光电探测器(11)、偏振分束立方器(12)、第二非偏振分束立方器(13)、第一显微物镜(14)、第二显微物镜(15)、参考镜(16)、原子力探针(17)、悬臂式光波导样品(18)、微力探针(19)、促动器(20)、压电陶瓷驱动器(21)、第一精密位移台(22)、第二精密位移台(23)、激光输入模块(24)和光电二极管(25)；其中，ccd相机(5)、管镜(4)、第一非偏振分束立方器(6)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、第二非偏振分束立方器(13)和第二显微物镜(15)从上至下间隔距离排成一列且中心对齐，均安装在能够上下移动的位移台(1)前端中部；第一准直透镜(3)和白光光源(2)间隔距离排成一排设在位于第一非偏振分束立方器(6)一侧的位移台(1)前端，并且第一准直透镜(3)、白光光源(2)和第一非偏振分束立方器(6)的中心对齐；第一显微物镜(14)和参考镜(16)间隔距离排成一排设在位于第二非偏振分束立方器(13)一侧的位移台(1)前端，并且第一显微物镜(14)、参考镜(16)和第二非偏振分束立方器(13)的中心对齐；激光光源(9)、第二准直透镜(10)和偏振分束立方器(12)从上至下间隔距离排成一列且中心对齐，安装在位移台(1)的前端另一侧；四象限光电探测器(11)安装在位于偏振分束立方器(12)外侧的位移台(1)前端，并且二向色镜(7)、偏振分束立方器(12)和四象限光电探测器(11)的中心对齐；第二精密位移台(23)安装在第二显微物镜(15)的正下方；原子力探针(17)的一端在以能够在水平面内回转方式连接在第二精密位移台(23)上，因此能够转至第二显微物镜(15)的焦面上并与光轴齐平；第一精密位移台(22)设置在第二显微物镜(15)的下方；微力探针(19)的下端依次通过促动器(20)和压电陶瓷驱动器(21)连接在第一精密位移台(22)上，因此微力探针(19)能够在第一精密位移台(22)的带动下上下移动；悬臂式光波导样品(18)水平设在原子力探针(17)和微力探针(19)之间，两侧设置的激光输入模块(24)和光电二极管(25)分别对准光轴中心。
2.根据权利要求1所述的悬臂式光波导标定用组合测量仪，其特征在于：所述位移台(1)、白光光源(2)、第一准直透镜(3)、管镜(4)、ccd相机(5)、第一非偏振分束立方器(6)、二向色镜(7)、四分之一波片(8)、第二非偏振分束立方器(13)、第一显微物镜(14)、第二显微物镜(15)、参考镜(16)和悬臂式光波导样品(18)构成悬臂式光波导三维初始姿态测量装...
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