【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于非接觸式高精密元件檢測。
技術介紹
1、復雜自由曲面光學元件的使用可以增加光學系統設計自由度，極大提高系統性能，同時減少系統所需元件數量，被廣泛應用于遙感光學、半導體系統、頭戴顯示等
然而，復雜自由曲面光學元件對面形精度要求較高，對檢測設備的精度要求和檢測效率勢必大增，而高精度的測量設備極易受到環境中溫度、濕度以及氣壓的影響。用edlen公式來估計環境波動對面形精度測量影響，空氣折射率是氣溫、氣壓、濕度以及空氣中的co2含量的函數，導出在正常態附近的微分式：
2、δn＝(0.00268δp-0.929δt-0.00042δf)×10-6，
3、式中δp、δt、δf分別為氣壓、氣溫及濕度相對于正常態的變化量，例如當測量支路的死程距離為20mm，則對氣壓、氣溫、濕度的敏感度分別為0.054nm/pa，18.58nm/℃，0.0084nm/pa，足以可見環境波動對面形精度測量帶來的負面影響。因此，設計一款具有抗環境波動特性的非接觸式檢測傳感器對復雜自由曲面光學元件的面形精度測量準確性有著重要意義。
4、在本專利技術傳感器集成差分光路所用到的原理有兩個：差動共焦原理和雙頻外差干涉原理。
5、如圖1所示，差動共焦原理的光路組成是由差動激光器光束依次經過偏振分光棱鏡a和1/4波片a，并由物鏡a聚焦在待測元件表面，然后經其反射，通過1/4波片a后又返回到偏振分光棱鏡a。再經偏振分光棱鏡a反射后到達位于偏振分光棱鏡a反射方向上的半透半反鏡a，經其反射和透射的光束被會聚鏡a會聚
6、其中，ia、ib代表兩路光電探測器所探測到的光強信號，idiff通過確定曲線的零點得到精確的焦點位置，保證傳感器能夠精準定焦。
7、如圖2所示，雙頻外差干涉原理的光路組成是由雙頻激光器發出頻率為f0和f1振動方向相互垂直的線偏振光經分光棱鏡后，其反射光作為外差干涉儀的參考信號。透射光經偏振分光棱鏡b分為p光和s光，頻率為f1的p光透射后經過1/4波片b入射到參考反射鏡反射b后再依次經過1/4波片b和偏振分光棱鏡b，經偏振分光棱鏡b反射后至角錐棱鏡b再次進入偏振分光棱鏡b反射后經參考反射鏡b先后透過1/4波片b再經偏振分光棱鏡b透射后被外差探測器收集；另一束頻率為f0的s光則是經測量反射鏡b反射后先后經過1/4波片b，入射至偏振分光棱鏡b透射至角錐棱鏡b后再次進入偏振分光棱鏡b，經偏振分光棱鏡b透射后經過1/4波片b、參考反射鏡b反射后再次經過1/4波片b、偏振分光棱鏡b反射后被外差探測器收集，即兩束光經偏振分光棱鏡b合成一束后形成測量信號，頻率為fm＝f2-f0±δf，其中
8、式中c為光速，v為測量反射鏡b的運動速度，利用二項式展開，當2v/c比值很小時可忽略高次項，可以得到多普勒頻差為
9、
10、則雙頻外差干涉測長的經典公式為
11、
12、其中，λ為雙頻激光器激光波長，n為干涉條紋變化周期數，也就是頻率為f0與頻率為fm的兩束光由光電探測信號到干涉光束形成的測量信號im，當測量反射鏡b移動時，干涉儀中的測量臂長度將發生變化，此時測量信號im將有δφ的相位變化。
13、雖然上述差動共焦、雙頻外差干涉光路在一定程度上可以減輕環境波動的影響，但是仍不能滿足非接觸式高精密元件表面測量精度的要求。
技術實現思路
1、為了滿足非接觸式高精密元件表面測量精度的要求，進一步減輕環境波動的影響，本專利技術提出一種“可減輕環境波動影響的非接觸式檢測傳感器集成差分光路”。
2、可減輕環境波動影響的非接觸式檢測傳感器集成差分光路，如圖3所示，激光器31位于光路右側，垂直射入與其在同一水平線的第一直角棱鏡32中，差動共焦光束偏折90°向下進行傳播依次通過位于正下方的角錐棱鏡c33、偏振分光棱鏡c34和其底部的第一1/4波片c35以及物鏡c36會聚在待測元件表面，其中，第一直角棱鏡32底部、角錐棱鏡c33、第一1/4波片c35以及物鏡c36中心與差動共焦光軸重合；會聚在待測元件表面的光束原路返回并經偏振分光棱鏡c34反射后垂直射入位于其左側的第二1/4波片c37；偏振分光棱鏡c34左側設置一半透半反鏡c38，其中心空間位置與偏振分光棱鏡c34在水平方向中心相重合，反射鏡39位于半透半反鏡c38正上方，兩路會聚鏡c315、針孔c和光電探測器c(圖中未標注)從右到左依次與半透半反鏡c38和反射鏡39共軸，針孔c分別位于兩個會聚鏡c315焦點前距焦面的瑞利距離處；
3、雙頻外差激光干涉儀316發出頻率為f0和f1振動方向相互垂直的線偏振光，首先穿過第二1/4波片c37，經過偏振分光棱鏡c34實現分束，一束為透射光p光、一束為反射光s光，透射光p光通過偏振分光棱鏡c34右側的第三1/4波片c310，其與偏振分光棱鏡c34水平方向中心重合，之后穿過第三1/4波片c310右側的第二直角棱鏡311，透射光折轉90°垂直射入與物鏡c36在同一水平位置的參考反射鏡c312，經反射后依次經過第二直角棱鏡311，第三1/4波片c310、偏振分光棱鏡c34反射，并經過角錐棱鏡c33回射后經偏振分光棱鏡反射再次進入第三1/4波片c310，并經第二直角棱鏡311反射后垂直射入參考反射鏡c312原路返回經偏振分光棱鏡c34透射；反射光s光通過第一1/4波片c35垂直射向與物鏡c36同一水平位置的測量反射鏡c313，測量反射鏡c313和物鏡c36共同固定在伺服裝置上，經測量反射鏡c313反射后射入第一1/4波片c35、偏振分光棱鏡c34、角錐棱鏡c33回射后經偏振分光棱鏡c34投射，再次進入第一1/4波片c35并再次垂直射入測量反射鏡c313返回至偏振分光棱鏡c34射出與透射光p光形成拍頻。
4、技術效果：
5、本專利技術通過采用兩級系統設計：第一級采用雙頻外差干涉光路，在四倍程光路細分下其分辨率可達0.3nm，在角錐棱鏡c頂部進行切割用以增加一個新的光學質量面，通過對稱放置測量反射鏡c和參考反射鏡c，使得干涉光路呈現幾何對稱，環境干擾帶來的δφ因為光路的對稱性使得參考臂和測量臂近似相等，經過差動相減過可以減小環境擾動帶來的相位漂移；在雙頻外差干涉光路的基礎上設計了差分光路并將其與第二級的差動共焦光路進行集成，可以實現高精度對待測元件表面進行跟蹤，為達到參考光路和測量光路實現差動的目的，第二直角棱鏡將透射光p光進行90°折轉，實現透射光p光、反射光s光走過的光程中所受到的環境波動近似相等，進而極大程度上減輕環境干擾，而且測量反射鏡c與物鏡c連接在一起，通過伺服裝置同時帶動物鏡c與測量反射鏡c實現對精密元件進行測量。
6、本非接觸式檢測傳感器集成差分光路可以保證非接觸式檢測傳感器具有nm級的分辨率，亞nm級的測量精度，并且極大程度上減弱環境波動對測本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.可減輕環境波動影響的非接觸式檢測傳感器集成差分光路，其特征在于，激光器(31)位于光路右側，垂直射入與其在同一水平線的第一直角棱鏡(32)中，差動共焦光束偏折90°向下進行傳播依次通過位于正下方的角錐棱鏡c(33)、偏振分光棱鏡c(34)和其底部的第一1/4波片c(35)以及物鏡c(36)會聚在待測元件表面，其中，第一直角棱鏡(32)底部、角錐棱鏡c(33)、第一1/4波片c(35)以及物鏡c(36)中心與差動共焦光軸重合；會聚在待測元件表面的光束原路返回并經偏振分光棱鏡c(34)反射后垂直射入位于其左側的第二1/4波片c(37)；偏振分光棱鏡c(34)左側設置一半透半反鏡c(38)，其中心空間位置與偏振分光棱鏡c(34)在水平方向中心相重合，反射鏡(39)位于半透半反鏡c(38)正上方，兩路會聚鏡c(315)、針孔c和光電探測器c從右到左依次與半透半反鏡c(38)和反射鏡(39)共軸，針孔c分別位于會聚鏡c(315)焦點前距焦面的瑞利距離處；
2.根據權利要求1所述的可減輕環境波動影響的非接觸式檢測傳感器集成差分光路，其特征在于，第一直角棱鏡(32)與第二直角棱
3.根據權利要求2所述的可減輕環境波動影響的非接觸式檢測傳感器集成差分光路，其特征在于，第一直角棱鏡(32)尺寸為5mm×5mm×5mm，第二直角棱鏡(311)尺寸為25.4mm×25.4mm×25.4mm；
4.根據權利要求1所述的可減輕環境波動影響的非接觸式檢測傳感器集成差分光路，其特征在于，所述伺服裝置為音圈電機驅動裝置。
...【技術特征摘要】
1.可減輕環境波動影響的非接觸式檢測傳感器集成差分光路，其特征在于，激光器(31)位于光路右側，垂直射入與其在同一水平線的第一直角棱鏡(32)中，差動共焦光束偏折90°向下進行傳播依次通過位于正下方的角錐棱鏡c(33)、偏振分光棱鏡c(34)和其底部的第一1/4波片c(35)以及物鏡c(36)會聚在待測元件表面，其中，第一直角棱鏡(32)底部、角錐棱鏡c(33)、第一1/4波片c(35)以及物鏡c(36)中心與差動共焦光軸重合；會聚在待測元件表面的光束原路返回并經偏振分光棱鏡c(34)反射后垂直射入位于其左側的第二1/4波片c(37)；偏振分光棱鏡c(34)左側設置一半透半反鏡c(38)，其中心空間位置與偏振分光棱鏡c(34)在水平方向中心相重合，反射鏡(39)位于半透半反鏡c(38)...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李祥熙，高啟翔，鐘興，譚陸洋，吳沛霖，
申請(專利權)人：長光衛星技術股份有限公司，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。