高分辨率激光衍射測量儀制造技術

本發明專利技術是關于激光衍射精密尺寸的測量儀器。在這種儀器的遠場衍射光路中，安裝了光學空間濾波器，遠場衍射光通過濾波器后被送入激光信號分析儀，分析儀中包括低噪聲微分、非線性補償和計數譯碼等電路。由于儀器中應用了這些部件，使儀器的絕對分辨率達到了０．００１８微米，可對被測工件按尺寸順序自動分類，并給出相應的分類信號，此外儀器的測量精度不受激光功率波動等干擾的影響，可解決生產線上精密工件的測量和分選。（*該技術在2010年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于激光衍射測量的
一九七五年的《儀器與技術》(Appar tus and Technlgues)登載南非B.D.Rothberg Bitty的“激光對微應力裝置定標的應用”中，提出用激光衍射裝置測量系統，測量微小狹縫的應力變形，當狹縫寬度為250微米時，其測量分辨率只能達到一個微米左右，無法滿足分辨率達百分之幾微米的實際測量要求。本專利技術的目的是為了提高激光衍射測量技術的分辨率和測量精度，專利技術人將光學空間濾波技術和電子學中的低噪聲微分電路等技術引入了激光衍射測量的領域，使儀器分辨率達到了0.0018微米(待測狹縫公稱尺寸為30微米)。本專利技術的主要特征是在激光遠場衍射光路中引入了光學空間濾波器，從而提高了儀器對被測工件尺寸微小變化的響應靈敏度，另外被測信號輸入激光信號分析儀進行處理，利用低噪聲微分電路精確地找出了遠場衍射光第一零點的位置，排除了激光功率波動和電子器件溫度漂移對測量結果的干擾。下面結合實施例將本專利技術的技術特征敘述如下自單橫模氦氖激光器(1)發出的激光，由分光板及全反射棱鏡構成的分光器(2)分成強度相等的兩束光，它們分別通過由電致伸縮陶瓷微位移器(3)、(4)驅動的刀口平尺(5)、(6)與待測工件兩邊緣組成兩道狹縫，從而形成兩束遠場衍射光，在與這兩道狹縫距離為L的平面上分別放有兩個光學空間濾波器(7)、(8)，兩束遠場衍射光通過這兩個濾波器后，分別由探測器(9)、(10)接收。由(9)接收到的信號送入激光信號分析儀(11)的A通道，由(10)接收到的信號送入激光信號分析儀(11)的B通道，經激光信號分析儀進行處理后即可得出工件尺寸。刀口平尺(5)、(6)可以放在工件的邊緣處與工件邊緣形成狹縫ω1和ω2，也可放在工件的上方或下方，使其投影與工件邊緣形成狹縫。從A通道和B通道輸入的激光信號，分別由兩個前置放大器放大后進入兩個低噪聲微分電路，圖②中兩個虛線框內的電路是這兩個低噪聲微分電路，電路中RC的乘積應滿足2tg-1(2×628RC)/(1-0.33(628RC)2) = (n)/2電致伸縮微位移器掃描時或多或少帶有非線性，而影響最大的非線性項是平方項，另外采用“分離間隙法”測量時工件與刀口平尺的分離距離和工件尺寸有關，因此，在計算工件尺寸的衍射公式中，出現工件尺寸變化量的平方項，為了消除非線性誤差，保證直觀準確地測出工件尺寸，我們在基準電壓源和V-F變換器之間引入了非線性補償電路。(圖④中虛線框中部分)。該電路在儀器定標調整時應滿足如下要求當刀口平尺與工件邊緣對準且電致伸縮微位移器掃描符合線性時，線路中兩運算放大器反相端的輸入點應嚴格對準兩個1.5K電位器的中點;當刀口平尺在工件上方或下方，而其投影與工件邊緣對準或電致伸縮微位移器掃描帶有非線性時，這兩點應分別接在兩個1.5K電位器上的某一點，此時儀器測量誤差最小。圖②中的Usr應為一個持續時間100微秒，幅度為5V，重復頻率為每秒一次的方波脈沖，該脈沖前沿對應t＝0的時刻。(即信號源(12)的輸出電壓V＝100V的時刻)。圖②中的Ro1、Ro2、Co1、Co2的數值按巴特沃斯濾波器的截止頻率為200HZ的要求而定。另外圖②-④中各運算放大器的去耦濾波電路電阻為47Ω，電容為220μ，JD1和JD2為基準電壓源，WY1、WY2……WY11為集成三端穩壓器。本專利技術中的空間濾波器(7)、(8)分別為由一對刀口平尺組成的寬度為d的狹縫，d的數值必須小于或等于遠場衍射光第一零點到遠場衍射光零級條紋中心的距離的5%。測量過程中由電致伸縮陶瓷微位移器(3)、(4)進行掃描，兩束遠場衍射光的第一零點分別自動掃過構成空間濾波器(7)、(8)的兩道狹縫，當它們分別與兩道狹縫中心重合時儀器完成對工件尺寸的測量。刀口平尺(5)、(6)分別安裝在電致伸縮陶瓷微位移器(3)、(4)上面，這兩個器件由信號源(12)驅動，當待測工件尺寸變化范圍小于35微米時，電致伸縮陶瓷微位移器采用WTDS-IB型，驅動源的輸出電壓應滿足V=100+ V的單位為伏特，t的單位為秒，t的最大值不超過0.2秒。如需測得更快，可增加公式中t的系數并減小t值，但兩者的乘積不能改變。另外可選用長度更大的微位移器或將幾個微位移器串聯使用，來增加儀器的量程。安裝刀口平尺寸(5)、(6)時，整個掃描過程只讓衍射光第一零點通過(7)、(8)的中心，而不讓其它零點通過，并保證在整個掃描過程中(5)、(6)都不與工件邊緣接觸。該系統中激光與待測工件的距離可任意確定，距離L也可任意確定。為了能把工件按尺寸順序分檔，還設計了計數譯碼電路;其功能是將代表工件尺寸的計數脈沖進行分頻和譯碼，將工件尺寸分成十六檔，并推動輸出接口電路給出分檔信號。本專利技術的優點是(一)提高儀器的分辨率，當被測尺寸為30微米時，儀器分辨率為0.0018微米，此數值是氦氖激光器輸出激光波長的1/350。(二)儀器具有良好的抗干擾性能，實驗表明當輸入信號因光強波動等因素變化2.5倍時，測量值變化不超過2.5%。(三)允許刀口平尺與被測工件分離而測其投影與工件邊緣構成的間隙尺寸。另外儀器可在一定范圍內補償工件的定位誤差，還可對工件自動按尺寸分檔。 附圖說明圖①是儀器光路布局及各部件聯接②～圖④是激光信號分析儀電路原理〔圖中各電路連接點用英文字母表示，不帶“，”的字母表示發出點，帶“，”的字母表示到達點〕其中圖②是前置放大、低噪聲微分和信號整形電路圖③是電源電路，可調定時電路和輸出接口電路圖④是基準電壓電路、非線性補償、V-F變換及計數譯碼電路本專利技術的一個實施例是測量SF型壓電陶瓷的尺寸變化。壓電陶瓷是待測工件，其外形尺寸為φ14mm×20mm，它的一個端面與儀器的底座剛性聯結，另一個端面為自由端，在此端面上安裝一個刀口平尺，該平尺與圖①中的刀口平尺(5)構成了一道寬為30微米的狹縫。當兩個電極加上電壓時，它的長度方向尺寸發生變化，結果自由端帶動安裝在其上的刀口平尺移動。實驗表明，只要它的長度尺寸變化0.0018微米，(對應外加直流電壓變化1.3V)儀器就可分辨。權利要求1.一種高分辨率激光衍射測量儀器。儀器中激光器(1)發出的激光由分光板及全反射棱鏡構成的分光器(2)分成強度相等的兩束光，其特征是這兩束光分別通過由電致伸縮陶瓷微位移器(3)、(4)驅動的刀口平尺(5)、(6)與待測工件兩邊緣組成的兩道狹縫，從而形成兩束遠場衍射光。在與這兩道狹縫距離為L和平面上分別放有兩個光學空間濾波器(7)、(8)，兩束遠場衍射光通過這兩個濾波器后，分別由探測器(9)、(10)接收，并分別通過激光信號分析儀(11)的通道A和通道B送入該分析儀，實現對工件進行測量和按尺寸分類的功能。2.根據權利要求1所述的高分辨率激光衍射測量儀器，其特征是激光信號分析儀(11)中的標準電壓源和V-F變換器之間，接入了非線性補償電路，在該分析儀前置放大器的輸出端接入了一種低噪聲微分電路，在V-F變換器的輸出端接入了計數譯碼電路。3.根據權利要求1所述的高分辨率激光衍射測量儀器，其特征是光學空間濾波器(7)、(8)分別為由一對刀口平尺組成的狹縫，該狹縫的寬度必須小于或等于遠場衍射光第一零點到遠場衍射光零級條紋中心的距離的5%，在測量過程中兩本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高分辨率激光衍射測量儀器。儀器中激光器（１）發出的激光由分光板及全反射棱鏡構成的分光器（２）分成強度相等的兩束光，其特征是這兩束光分別通過由電致伸縮陶瓷微位移器（３）、（４）驅動的刀口平尺（５）、（６）與待測工件兩邊緣組成的兩道狹縫，從而形成兩束遠場衍射光。在與這兩道狹縫距離為Ｌ和平面上分別放有兩個光學空間濾波器（７）、（８），兩束遠場衍射光通過這兩個濾波器后，分別由探測器（９）、（１０）接收，并分別通過激光信號分析儀（１１）的通道Ａ和通道Ｂ送入該分析儀，實現對工件進行測量和按尺寸分類的功能。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：李明，張學山，
申請(專利權)人：天津港灣工程研究所，
類型：發明
國別省市：12[中國|天津]