專利名稱：多維可調(diào)光學(xué)移相裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)位相，是一種多維可調(diào)光學(xué)移相裝置，特別是一種具有多維粗調(diào)整、精調(diào)整的光學(xué)移相裝置。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)70年代以來，移相干涉技術(shù)得到了長足的發(fā)展，并以其優(yōu)良的測(cè)試精度廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代干涉儀中，成為光學(xué)高精度計(jì)量測(cè)試的有效方法。移相裝置是移相干涉儀中的主要部件，通過其位移變化實(shí)現(xiàn)波前相位的改變，其中位移調(diào)整誤差是影響干涉儀波面復(fù)原精度的主要因素之一。壓電陶瓷(電致伸縮微位移器)因?yàn)槠湮⑽灰凭雀?、靈敏度高、響應(yīng)快、易自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用于移相干涉裝置中。
目前，常見的做法是以壓電陶瓷作為微位移驅(qū)動(dòng)器，推動(dòng)參考反射鏡做線性移動(dòng)，同時(shí)微機(jī)控制光電探測(cè)器和數(shù)據(jù)采集卡對(duì)位移的干涉圖光強(qiáng)進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，最后利用移相干涉的一般原理，復(fù)原出被測(cè)相位。如圖1在先技術(shù)《機(jī)電式預(yù)壓力光學(xué)移相裝置》[專利號(hào)200420025463]，以PZT元件01(壓電陶瓷)上的鋼球011推動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)02上的連桿05使得參考反射鏡03和夾持機(jī)構(gòu)02在圓柱型體腔08的金屬圓筒07滑動(dòng)，金屬圓筒07的另一端固定在基座09上，PZT元件01由彈性薄壁06和緊固螺釘010進(jìn)行預(yù)壓，PZT元件01通電時(shí)，軸向位移改變，光學(xué)夾持機(jī)構(gòu)02在基座的精密導(dǎo)槽04內(nèi)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)波前相位的改變。但是該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的位移有限，同時(shí)夾持機(jī)構(gòu)02只可以在底座09的溝槽內(nèi)進(jìn)行一維線性滑動(dòng)，不能進(jìn)行更多自由度調(diào)整，尤其當(dāng)參考反射鏡03的重量較大時(shí)，僅靠一個(gè)壓電陶瓷01幾乎難以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。又如國內(nèi)廣泛使用的美國Zygo公司的Mark型干涉儀，利用兩只壓電陶瓷水平推動(dòng)參考鏡實(shí)現(xiàn)位移變化。同樣，該儀器參考鏡可調(diào)位移較小，自由度調(diào)整有限；而且如果不使用遠(yuǎn)焦擴(kuò)展系統(tǒng)，該儀器可測(cè)孔徑僅為4英寸(φ102mm)，而一旦使用遠(yuǎn)焦擴(kuò)展系統(tǒng)，測(cè)試孔徑擴(kuò)展后，測(cè)量精度又會(huì)降低。
所以上述現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點(diǎn)是參考反射鏡的可移動(dòng)量有限，只可進(jìn)行微位移精確調(diào)整，參考反射鏡可調(diào)自由度單一，且只針對(duì)重量較輕的小孔徑參考反射鏡設(shè)計(jì)。當(dāng)參考反射鏡的體積較大時(shí)，常常需要把參考反射鏡部分和干涉儀總成做成分體結(jié)構(gòu)。這時(shí)，多維自由度調(diào)整參考反射鏡的空間位置就顯得極為重要。顯然，上述單一的可調(diào)自由度設(shè)計(jì)就不能夠滿足這樣的使用要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種機(jī)電控制的多維可調(diào)光學(xué)移相裝置，該裝置應(yīng)可調(diào)整大口徑參考反射鏡的多維空間位置的移相裝置，尤其是可以根據(jù)需要對(duì)參考反射鏡的位置進(jìn)行粗調(diào)和精調(diào)，參考反射鏡的孔徑可以提高到φ500mm甚至更高。
本發(fā)明解決的技術(shù)方案為一種機(jī)電控制的多維可調(diào)光學(xué)移相裝置，其特征在于包括底座和鏡座、在所述的底座和鏡座之間設(shè)置有相對(duì)于底座呈三角分布的三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的移相調(diào)節(jié)裝置和左右對(duì)稱分布的兩個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，在所述的鏡座內(nèi)放置的參考反射鏡。
所述的移相調(diào)節(jié)裝置包括螺栓、螺栓鎖緊結(jié)構(gòu)和壓電陶瓷，該壓電陶瓷的一端通過緊固螺釘固定在壓電陶瓷盒內(nèi)，另一端的鋼球置于所述的鏡座上的V型溝槽內(nèi)，所述的壓電陶瓷盒放置在一固定在底座的過渡塊的滑動(dòng)槽內(nèi)，所述的螺栓由調(diào)節(jié)輪、光桿區(qū)和螺紋區(qū)一體構(gòu)成，所述的螺紋區(qū)一端抵在壓電陶瓷盒的一端，光桿區(qū)被鎖緊結(jié)構(gòu)固定在底座上，兩根拉伸彈簧分置在所述的移相裝置的兩側(cè)，其一端固定在底座上，另一端固定在鏡座上，使壓電陶瓷頂端的鋼球在鏡座上的V型槽內(nèi)形成活動(dòng)地緊密接觸。
所述的懸臂結(jié)構(gòu)包括左懸臂和右懸臂，鏡座通過左懸臂和右懸臂分別懸掛在底座的左凸臺(tái)和右凸臺(tái)上，左懸臂和右懸臂的兩端都開有垂直于所述的懸臂的圓形通孔，上端圓形通孔內(nèi)置圓柱銷，下端圓形通孔內(nèi)置活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承，該活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)穿圓柱銷，懸臂上端的圓柱銷固定在左凸臺(tái)和右凸臺(tái)的圓型槽內(nèi)，下端的圓柱銷內(nèi)置在鏡座的開孔內(nèi)。
本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明的主體之一是三個(gè)移相調(diào)節(jié)裝置。每個(gè)移相裝置分為三個(gè)部分，壓電陶瓷區(qū)、螺紋區(qū)和鎖緊區(qū)。壓電陶瓷放置在壓電陶瓷盒內(nèi)，一端通過固定在壓電陶瓷盒上，另一端抵在鏡座的V型槽內(nèi)，整個(gè)壓電陶瓷盒放置在底座的滑動(dòng)槽內(nèi)。旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，螺紋部分旋進(jìn)(出)，推動(dòng)壓電陶瓷盒在滑動(dòng)槽內(nèi)滑動(dòng)，同時(shí)壓電陶瓷另一端的鋼球推動(dòng)鏡座，實(shí)現(xiàn)鏡座位移的變化。當(dāng)螺栓調(diào)節(jié)完成后，鎖緊結(jié)構(gòu)鎖緊螺栓的光桿區(qū)，調(diào)節(jié)螺栓固定。接通壓電陶瓷的控制電壓，其軸線方向產(chǎn)生相應(yīng)的位移，當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓固定時(shí)，壓電陶瓷的位移完全作用在鏡座上，推動(dòng)鏡座實(shí)現(xiàn)微位移變化。由于壓電陶瓷和鏡座是球接觸，所以鏡座可以繞鋼球進(jìn)行前后、俯仰、方位等多維變化。在每個(gè)移相調(diào)節(jié)裝置的兩側(cè)，都放置有一定預(yù)拉力的彈簧，以保持移相裝置和鏡座緊密接觸，提高了移相裝置的機(jī)械響應(yīng)速度。
本發(fā)明的主體之二是懸臂結(jié)構(gòu)。鏡座和參考反射鏡通過左右兩個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)懸掛在底座的凸臺(tái)上。懸臂的上下端都開有圓形孔，上端孔內(nèi)穿圓柱銷，固定在凸臺(tái)上，懸臂可以繞所述的圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)；下端孔內(nèi)置活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承，關(guān)節(jié)軸承內(nèi)穿圓柱銷，圓柱銷兩端置于鏡座的上的開孔內(nèi)，圓柱銷可以通過活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動(dòng)。三個(gè)相同的移相調(diào)節(jié)裝置布置在底座上。當(dāng)三個(gè)移相裝置同步推動(dòng)鏡座時(shí)，鏡座通過懸臂繞圓柱銷轉(zhuǎn)動(dòng)，鏡座和參考反射鏡可以實(shí)現(xiàn)前后線性位移變化；當(dāng)三個(gè)移相調(diào)節(jié)裝置異步推動(dòng)鏡座時(shí)，鏡座和參考反射鏡可以通過懸臂下端的活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承內(nèi)的圓柱銷和移相裝置的球頭實(shí)現(xiàn)俯仰、方位等多維位置變化，滿足了裝置的不同使用和調(diào)節(jié)需要。
本發(fā)明與先前技術(shù)相比，其顯著的主要優(yōu)點(diǎn)是不僅可以利用壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)微小位移調(diào)整，同時(shí)還可以利用調(diào)節(jié)螺桿實(shí)現(xiàn)粗調(diào)整，調(diào)節(jié)范圍大且精度高。通過移相裝置的球頭和活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承，可以實(shí)現(xiàn)參考反射鏡的多自由度調(diào)整，滿足了不同場合的使用要求。整個(gè)裝置機(jī)械響應(yīng)速度快，運(yùn)動(dòng)平滑。三點(diǎn)支撐的移相裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可以完成較大重量的大口徑參考反射鏡的調(diào)節(jié)。該裝置還可以改裝成其他多自由度精密調(diào)節(jié)裝置，如光學(xué)工作臺(tái)的調(diào)整裝置等。


圖1為在先的機(jī)電式預(yù)壓力光學(xué)移相裝置示意2為本發(fā)明多維可調(diào)光學(xué)移相裝置的光學(xué)移相裝置結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明多維可調(diào)光學(xué)移相裝置的結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理作進(jìn)一步說明。
先請(qǐng)參閱圖2和圖3，圖2為本發(fā)明多維可調(diào)光學(xué)移相裝置的光學(xué)移相裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為本發(fā)明多維可調(diào)光學(xué)移相裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明的多維可調(diào)光學(xué)移相裝置，包括底座10和鏡座4、在所述的底座10和鏡座4之間相對(duì)于底座10呈三角分布的三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的移相調(diào)節(jié)裝置21、22、23和左右對(duì)稱分布的兩個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，在所述的鏡座4內(nèi)放置的參考反射鏡2。
所述的移相調(diào)節(jié)裝置21包括螺栓12、螺栓鎖緊結(jié)構(gòu)11和壓電陶瓷1三部分，該壓電陶瓷1的一端通過緊固螺釘8固定在壓電陶瓷盒6內(nèi)，另一端的鋼球3置于所述的鏡座4上的V型溝槽內(nèi)，所述的壓電陶瓷盒6放置在一固定在底座10的過渡塊7的滑動(dòng)槽內(nèi)，所述的螺栓12由調(diào)節(jié)輪、光桿區(qū)和螺紋區(qū)一體構(gòu)成，所述的螺紋區(qū)一端抵在壓電陶瓷盒6的一端，光桿區(qū)被鎖緊結(jié)構(gòu)11固定在底座10上，兩根拉伸彈簧9、5分置在所述的移相裝置的兩側(cè)，其一端固定在底座10上，另一端固定在鏡座4上，使壓電陶瓷1頂端的鋼球3在鏡座4上的V型槽內(nèi)形成活動(dòng)地緊密接觸。
所述的懸臂結(jié)構(gòu)包括左懸臂13和右懸臂14，鏡座4通過左懸臂13和右懸臂14分別懸掛在底座10的左凸臺(tái)19和右凸臺(tái)20上，左懸臂13和右懸臂14的兩端都開有垂直于所述的懸臂的圓形通孔，上端圓形通孔內(nèi)置圓柱銷15、16，下端圓形通孔內(nèi)置活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承25、18，該活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承25、18內(nèi)穿圓柱銷24、17，懸臂上端的圓柱銷15、16固定在左凸臺(tái)19和右凸臺(tái)20的圓型槽內(nèi)，下端的圓柱銷24、17內(nèi)置在鏡座4的開孔內(nèi)。
旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓12，螺紋部分旋進(jìn)(出)，推動(dòng)壓電陶瓷盒7在過渡塊7的滑動(dòng)槽內(nèi)滑動(dòng)，同時(shí)壓電陶瓷1另一端的鋼球3推動(dòng)鏡座4，實(shí)現(xiàn)鏡座4位移的變化。當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓12完成粗調(diào)整后，鎖緊結(jié)構(gòu)11鎖緊螺栓的光桿區(qū)，調(diào)節(jié)螺栓12固定。接通壓電陶瓷1的控制電壓(圖中未示)，其軸線方向產(chǎn)生相應(yīng)的位移(總變形量一般在幾個(gè)微米)，當(dāng)調(diào)節(jié)螺栓12固定時(shí)，壓電陶瓷1的位移完全作用在鏡座4上，推動(dòng)鏡座4實(shí)現(xiàn)位移變化，該操作可以實(shí)現(xiàn)精調(diào)整。由于壓電陶瓷1的鋼球3和鏡座4是球面接觸，所以鏡座4可以繞鋼球3進(jìn)行前后、俯仰、方位等多維變化。在每個(gè)移相調(diào)節(jié)裝置的兩側(cè)，都放置有一定預(yù)拉力的彈簧5和彈簧9，以保持移相裝置和鏡座4始終緊密接觸，提高了移相操作的機(jī)械響應(yīng)速度。
鏡座4和參考反射鏡2通過左懸臂13和右懸臂14懸掛在底座10的左凸臺(tái)19和右凸臺(tái)20圓形槽內(nèi)。懸臂13和懸臂14的上下端都開有圓形孔，上端孔內(nèi)穿圓柱銷15和圓柱銷16，固定在凸臺(tái)19和凸臺(tái)20上，懸臂13和懸臂14可以繞圓柱銷15和圓柱銷16轉(zhuǎn)動(dòng)；懸臂13和懸臂14下端的圓形孔內(nèi)置活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承18和25，關(guān)節(jié)軸承18和25內(nèi)穿圓柱銷17和24，圓柱銷17和24兩端置于鏡座10的上的開孔內(nèi)，圓柱銷17和24可以通過活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承18和25實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動(dòng)。當(dāng)三個(gè)移相調(diào)節(jié)裝置20、21和22同步推動(dòng)鏡座4時(shí)，懸臂13和懸臂14繞圓柱銷15、16、17、24轉(zhuǎn)動(dòng)，鏡座4和參考反射鏡2可以實(shí)現(xiàn)前后線性位移變化，實(shí)現(xiàn)了波前相位的改變；當(dāng)三個(gè)移相調(diào)節(jié)裝置20、21和22異步推動(dòng)鏡座4時(shí)，鏡座4和參考反射鏡2可以通過懸臂13和懸臂14下端的活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承18和25內(nèi)的圓柱銷17和24和移相裝置的球頭實(shí)現(xiàn)俯仰、方位等多維位置變化，以滿足裝置的不同使用和調(diào)節(jié)需要。
整個(gè)裝置既可以利用壓電陶瓷1實(shí)現(xiàn)微小位移調(diào)整，又可以利用調(diào)節(jié)螺栓12實(shí)現(xiàn)粗調(diào)整，調(diào)節(jié)范圍大且精度高(調(diào)節(jié)范圍從幾十毫米到納米量級(jí))。通過移相裝置的球頭3和活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承18和25，可以實(shí)現(xiàn)參考反射鏡2的多自由度調(diào)整，可滿足不同的使用要求。三點(diǎn)支撐的移相裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，機(jī)械響應(yīng)速度快，運(yùn)動(dòng)平滑，可以完成較大重量的大口徑參考反射鏡的調(diào)節(jié)。該裝置還可以改裝成其他多自由度精密調(diào)節(jié)裝置，如光學(xué)工作臺(tái)的調(diào)整裝置等。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)電控制的多維可調(diào)光學(xué)移相裝置，其特征在于包括底座(10)和鏡座(4)，在所述的底座(10)和鏡座(4)之間置有相對(duì)于底座(10)呈三角分布的三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的移相調(diào)節(jié)裝(21、22、23)和左右對(duì)稱分布的兩個(gè)懸臂結(jié)構(gòu)，在所述的鏡座(4)內(nèi)放置的參考反射鏡(2)；所述的移相調(diào)節(jié)裝置(21)包括螺栓(12)、螺栓鎖緊結(jié)構(gòu)(11)和壓電陶瓷(1)，該壓電陶瓷(1)的一端通過緊固螺釘(8)固定在壓電陶瓷盒(6)內(nèi)，另一端的鋼球(3)置于所述的鏡座(4)上的V型溝槽內(nèi)，所述的壓電陶瓷盒(6)放置在一固定在底座(10)的過渡塊(7)的滑動(dòng)槽內(nèi)，所述的螺栓(12)由調(diào)節(jié)輪、光桿區(qū)和螺紋區(qū)一體構(gòu)成，所述的螺紋區(qū)一端抵在壓電陶瓷盒(6)的一端，光桿區(qū)被鎖緊結(jié)構(gòu)(11)固定在底座(10)上，兩根拉伸彈簧(9、5)分置在所述的移相裝置的兩側(cè)，其一端固定在底座(10)上，另一端固定在鏡座(4)上，使壓電陶瓷(1)頂端的鋼球(3)在鏡座(4)上的V型槽內(nèi)形成活動(dòng)地緊密接觸；所述的懸臂結(jié)構(gòu)包括左懸臂(13)和右懸臂(14)，鏡座(4)通過左懸臂(13)和右懸臂(14)分別懸掛在底座(10)的左凸臺(tái)(19)和右凸臺(tái)(20)上，左懸臂(13)和右懸臂(14)的兩端都開有垂直于所述的懸臂的圓形通孔，上端圓形通孔內(nèi)置圓柱銷(15、16)，下端圓形通孔內(nèi)置活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承(25、18)，該活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承(25、18)內(nèi)穿圓柱銷(24、17)，懸臂上端的圓柱銷(15、16)固定在左凸臺(tái)(19)和右凸臺(tái)(20)的圓型槽內(nèi)，下端的圓柱銷(24、17)內(nèi)置在鏡座(4)的開孔內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明是一種機(jī)電控制可以實(shí)現(xiàn)多維調(diào)整的光學(xué)移相裝置，主要包括底座、鏡座、鏡座內(nèi)放置的參考鏡、懸臂、活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承及布置在底座上的三個(gè)相同的移相裝置等。每個(gè)移相裝置都由螺紋區(qū)、鎖緊結(jié)構(gòu)和壓電陶瓷等組成。壓電陶瓷固定在壓電陶瓷盒內(nèi)，一端通過鋼球和鏡座上的V型溝槽相接觸。壓電陶瓷盒在過渡塊的滑槽內(nèi)滑動(dòng)。螺栓光桿區(qū)上置有鎖緊結(jié)構(gòu)，鎖緊結(jié)構(gòu)固定在底座上。每個(gè)移相裝置的兩邊都布置兩根拉伸彈簧，始終保持一定的預(yù)拉力。鏡座通過左右懸臂懸掛在底座的兩個(gè)凸臺(tái)上，左右懸臂的下端孔內(nèi)置活動(dòng)關(guān)節(jié)軸承。粗調(diào)整時(shí)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓，精調(diào)整時(shí)接通壓電陶瓷，同時(shí)移相裝置推動(dòng)鏡座繞懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍大且精度高，既可以實(shí)現(xiàn)參考鏡前后位移變化，又可以實(shí)現(xiàn)俯仰、方位等多自由度調(diào)節(jié)，并可以滿足大口徑參考鏡使用的需要。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)平滑，稍加改動(dòng)還可以用于移動(dòng)工作臺(tái)的調(diào)整等。
文檔編號(hào)G02B26/00GK1737492SQ200510029378
公開日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者李安虎, 劉立人, 欒竹 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所