專利名稱：光束方向微小漂移檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光束方向高精度檢測(cè)的一種光束方向微小漂移檢測(cè)系統(tǒng)，特別適用于激光高精度刻錄系統(tǒng)光束方向漂移的檢測(cè)，也可用于對(duì)振動(dòng)的定量檢測(cè)。
已有技術(shù)中對(duì)光束方向漂移的檢測(cè)常采用間接方法。
已有技術(shù)1如圖1所示，被測(cè)光源1的光束0直接照明探測(cè)器2(CCD或線陣光電池)的光敏面，通過計(jì)算機(jī)3采樣測(cè)出其光斑漂移量d，最后根據(jù)被測(cè)光源1和探測(cè)器件2的距離p計(jì)算出方向漂移量θ=dp]]>。但由于在實(shí)際應(yīng)用中p不能過大，這種方法的精度受探測(cè)器所能達(dá)到的分辨率的限制。在p=1m的情況下，借助現(xiàn)有線元尺寸為7～14μm的探測(cè)器，其測(cè)量精度僅能達(dá)到7～14微弧度，不能滿足高精度要求。
已有技術(shù)2如圖2所示，在被測(cè)光源1與探測(cè)器2之間加入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)4，先用望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)4進(jìn)行角放大，然后再用上述方法測(cè)量。但是根據(jù)亥姆霍茲公式，角放大的同時(shí)，光束將以相同倍數(shù)縮小，影響測(cè)量精度的提高；并且，加入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)4后，對(duì)原光束的能量分布的影響也很大，這是難以克服的系統(tǒng)誤差。
此外，以上兩種方案均有另一個(gè)難題在測(cè)量距離p時(shí)，僅僅知道一端在探測(cè)器的光敏面，另一端可能在被測(cè)光源內(nèi)部某處，難以準(zhǔn)確測(cè)量。
已有技術(shù)3如圖3所示，為應(yīng)用泰伯(Talbot)效應(yīng)和莫爾(Moire)效應(yīng)的泰伯干涉儀。它的基本結(jié)構(gòu)主要包括兩塊光柵7、8，第一塊光柵7之前，由點(diǎn)光源5發(fā)射的光束經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡6后形成平行光束進(jìn)入光柵7，在光柵7與光柵8之間插入被測(cè)透明物體10，在光柵8之后有觀測(cè)屏9。若將兩塊光柵7、8平行放置并互相錯(cuò)位
周期，則置于光柵7的泰伯(Talbot)平面處的光柵8正好擋住光柵7的Talbot像的亮紋，因此在光柵8后面形成暗場(chǎng)。在光柵7和8之間插入被測(cè)透明物體10，將使通過光柵7的光位相發(fā)生改變，從而在觀察屏形成莫爾(Moire)條紋，測(cè)量這些條紋，可得被測(cè)透明物體10的位相分布。所以，泰伯干涉儀僅是一種測(cè)量位相分布的非常靈敏的儀器。
本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)1和已有技術(shù)2的困難，巧妙地綜合利用已有技術(shù)3的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提供一種光束方向微小漂移的高精度檢測(cè)系統(tǒng)。
本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)主要包括兩塊相同參數(shù)的相互平行放置于系統(tǒng)中心位置上的光柵7、8，而且兩光柵7、8的中心恰好在系統(tǒng)的光軸上。被測(cè)光源1置于光柵7之前，被測(cè)光源1與光柵7之間置有準(zhǔn)直器件11。在光柵8之后置有探測(cè)器2、信號(hào)處理器12和計(jì)算機(jī)3。在光柵8與探測(cè)器2之間置有擴(kuò)束元件13，如圖4所示。若被測(cè)光源1發(fā)射光束的光斑尺寸足夠大，不需再擴(kuò)束，則在光柵8與探測(cè)器2之間就不必置放擴(kuò)束元件13，如圖9所示。
如圖4所示的檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)對(duì)被測(cè)光源1發(fā)射光束進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，計(jì)量光柵7、8同時(shí)實(shí)現(xiàn)泰伯效應(yīng)和莫爾效應(yīng)；泰伯效應(yīng)產(chǎn)生“自成像”，莫爾效應(yīng)完成位移放大。探測(cè)器2接收到信號(hào)后，由信號(hào)處理器12對(duì)莫爾條紋計(jì)數(shù)和細(xì)分，然后輸入計(jì)算機(jī)3進(jìn)行運(yùn)算和處理，得出檢測(cè)結(jié)果。
上面所說的置于被測(cè)光源1與光柵7之間的準(zhǔn)直器件11，可以選擇透鏡，如圖9所示；或者是望遠(yuǎn)鏡組件；或者是空缺，即對(duì)被測(cè)光源1發(fā)射光束已是平行光束時(shí)，就不必再在被測(cè)光源1之后、光柵7之前放置準(zhǔn)直器件11，如圖8所示。
如圖5所示，當(dāng)平行光束照明光柵7時(shí)，則會(huì)在其后出現(xiàn)一系列泰伯像且放大率為1。對(duì)空間周期為α的線光柵泰伯距離q(泰伯像與光柵7的距離)滿足q=ma2／λ(m=1，2，3，…)(1)式中λ為被測(cè)光源1的波長(zhǎng)，m為一正整數(shù)。
另一方面，兩塊線光柵相互疊合，并使二者柵線以小角度相交，則可形成莫爾條紋，如圖6所示。設(shè)光柵7的泰伯像光柵14與光柵8的空間周期均為α，柵線夾角為β(β≠0)，則形成橫向莫爾條紋，條紋位移W滿足W=a/2sinβ2--(2)]]>即當(dāng)像光柵14沿ox軸移動(dòng)距離α，則條紋位移為W，放大倍數(shù)為k=1/2sinβ2≈1β--(3)]]>當(dāng)β很小時(shí)，k應(yīng)很大。這就是莫爾條紋的位移放大作用。
如圖7所示，光柵7的自成像光柵14與光柵8在同一平面，構(gòu)成莫爾光柵付。對(duì)比圖7(a)、7(b)兩種情況，知光束方向改變對(duì)應(yīng)像光柵14、8相對(duì)位移的移動(dòng)，利用莫爾效應(yīng)，可直接測(cè)出放大了的位移。
進(jìn)一步的理論分析表明若某段時(shí)間光束方向沿ox軸漂移θx，則像光柵14、光柵8的相對(duì)位移為χ=qθx(q為光柵8所在面的泰伯距離)，經(jīng)莫爾效應(yīng)放大后，產(chǎn)生位移X=kqθx=qβθx--(4)]]>多次采樣，可得到一系列θx值。理論上講θx應(yīng)滿足正態(tài)分布(高斯分布)，作數(shù)值計(jì)算，即可給出光束沿ox的方向漂移角Θx。若光束方向漂移無傾向性，Θx即反映光束方向漂移角Θ。
測(cè)出ox軸方向的方向漂移Θx后，可將兩光柵再旋轉(zhuǎn)90°，在y軸方向的測(cè)出一系列Θy，同樣可算出漂移角Θy。最后，可根據(jù)情況對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或求平均，或取較大者，或分別記錄，或繼續(xù)對(duì)其它方向進(jìn)行測(cè)量。
本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明系統(tǒng)測(cè)量光束方向漂移角有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)其一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)系統(tǒng)完全可以只引入兩塊光柵，系統(tǒng)誤差??；其二，測(cè)量較直接，由于柵線夾角β和泰伯距離q，可根據(jù)情況選定，作為系統(tǒng)的參數(shù)，測(cè)出莫爾條紋的位移X即可算出角漂移θx；其三，技術(shù)基礎(chǔ)好，對(duì)莫爾條紋的計(jì)數(shù)和細(xì)分有相當(dāng)成熟的技術(shù)可利用；其四，測(cè)量精度高，可達(dá)微弧度量級(jí)；最后，探測(cè)與被測(cè)光源1的距離較短，使用方便。


圖1為已有技術(shù)1的檢測(cè)光束方向漂移的普通結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為已有技術(shù)2利用角放大進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為已有技術(shù)3泰伯干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明檢測(cè)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為泰伯效應(yīng)示意圖。
圖6為莫爾效應(yīng)示意圖。
圖7為檢測(cè)情況分析示意圖。
其中圖7a為光束正入射于光柵7的情況，圖7b為光束斜入射于光柵7的情況，可以看出兩種情況下光柵7的泰伯像位置發(fā)生了變化。
圖8為實(shí)施例2所用的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。其中插入光柵8與探測(cè)器2之間的擴(kuò)束元件13為一透鏡。
圖9為實(shí)施例4所用的檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。在被測(cè)光源1與光柵7之間插入一短焦距透鏡作為準(zhǔn)直器件11。
實(shí)施例1如圖4所示，對(duì)于被測(cè)光源1的光束為直徑R大于1mm的平行光束，可讓光束通過光柵7、8，直接測(cè)量，不需準(zhǔn)直器件11和擴(kuò)束元件13，即可得到滿意的結(jié)果。
設(shè)R=2mm，a=0．02mm，為保證在視場(chǎng)內(nèi)觀察到2個(gè)莫爾條紋，柵線夾角β可取0．02rad。若探測(cè)器2選用CCD，其像元尺寸為14μm，泰伯距離q=200mm，則不對(duì)條紋進(jìn)一步細(xì)分其測(cè)量精度即可達(dá)到1．4μrad。
實(shí)施例2如圖8所示，若光斑小于1mm可選用一透鏡作為擴(kuò)束元件13插入光柵8與探測(cè)器2之間，對(duì)莫爾條紋放大，再采樣處理，這樣可彌補(bǔ)莫爾條紋放大倍數(shù)不足的缺點(diǎn)。
實(shí)施例3如圖4所示，若光柵7、8為相同參數(shù)的正交光柵，探測(cè)器2選用面陣CCD，計(jì)算機(jī)3在ox軸和oy軸兩方向采樣處理，即可一次測(cè)出角漂移Θx、Θy。
實(shí)施例4如圖9所示，被測(cè)光源1的光束為發(fā)散的球面波。若直接檢測(cè)，則系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程較復(fù)雜；此時(shí)可在被測(cè)光源1和光柵7之間加入一短焦距透鏡作為準(zhǔn)直器件11，將光束轉(zhuǎn)化成平行光束進(jìn)行檢測(cè)。
實(shí)施例5用本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)械振動(dòng)狀況。如圖4所示的結(jié)構(gòu)，要求一發(fā)射光束的方向穩(wěn)定性很好的光源，則可在被測(cè)光源1的位置上，置放該穩(wěn)定可靠的光源，這樣構(gòu)成的系統(tǒng)可當(dāng)作新系統(tǒng)。將它放置于被檢測(cè)振動(dòng)狀況的地方，即可通過測(cè)量數(shù)據(jù)反映出該處的機(jī)械振動(dòng)狀況。
權(quán)利要求
1．一種光束方向微小漂移檢測(cè)系統(tǒng)，包括兩塊相同參數(shù)的光柵(7)、(8)、探測(cè)器(2)、信號(hào)處理器(12)和計(jì)算機(jī)(3)，其特征在于具體結(jié)構(gòu)是<1>兩塊相同參數(shù)的光柵(7)、(8)是相互平行地置放于系統(tǒng)的中心位置上，且兩光柵(7)、(8)的中心是在系統(tǒng)光軸上；<2>被測(cè)光源(1)是置于光柵(7)之前的系統(tǒng)光軸上；<3>探測(cè)器(2)是置于光柵(8)之后的系統(tǒng)光軸上；<4>被測(cè)光源(1)與光柵(7)之間置有準(zhǔn)直器件(11)；<5>探測(cè)器(2)之后有信號(hào)處理器(12)和計(jì)算機(jī)(3)。
2．依據(jù)權(quán)利要求1的一種檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于置于被測(cè)光源(1)與光柵(7)之間的準(zhǔn)直器件(11)，可以是透鏡，或者是望遠(yuǎn)鏡組件，或者是空缺。
3．依據(jù)權(quán)利要求1的一種檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于在光柵(8)與探測(cè)器(2)之間或置有擴(kuò)束元件(13)，或不置放擴(kuò)束元件(13)。
全文摘要
一種光束方向微小漂移檢測(cè)系統(tǒng),特別適用于激光高精度刻錄系統(tǒng)光束方向漂移的檢測(cè),也可用于對(duì)振動(dòng)的定量檢測(cè)。它主要包括兩塊相同參數(shù)、相互平行、中心置于系統(tǒng)光軸上的光柵,在兩塊光柵之前放置被測(cè)光源,在兩塊光柵之后置有探測(cè)器、信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)誤差小、測(cè)量較直接、測(cè)量精度高(可達(dá)到微弧度量級(jí))等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01H9/00GK1204047SQ97106489
公開日1999年1月6日 申請(qǐng)日期1997年6月26日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月26日
發(fā)明者胡企銓, 呂召林, 張國(guó)軒, 陳剛 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所