[发明专利]一种用F-P标准具测量二维微位移的装置与方法

说明书

本发明公开了一种用F‑P标准具测量二维微位移的装置与方法。包括光源、柔性光纤和面阵成像器件，光源与柔性光纤连接，柔性光纤输出端前方布置面阵成像器件，柔性光纤和面阵成像器件之间设置有准光组合部件，通过准光组合部件将柔性光纤出射的光束处理成共轴同圆心的一系列同心圆并成像到面阵成像器件上，准光组合部件包括滤光片、F‑P标准具和物镜；计算每个圆环分别沿坐标轴方向的圆心坐标，确定每个圆环的圆心坐标，由面阵成像器件移动前后的圆心坐标相减获得二维微位移值。本发明测量装置简单紧凑且造价较低，方法微位移重复性标准差可达20nm以下，准确度高。

技术领域

本发明属于技术领域，具体涉及了一种用F-P标准具测量二维微位移的装置与方法。

背景技术

目前测量微位移的方法有多种。电容测微仪法的电容C反比于微位移x,即C∝1/x，电容测量标准差S_C一定时微位移标准差S_x近似为S_x∝x²S_C，使电容测微仪的测量范围小。电感测微仪的位移有效分辨率一般比电容测微仪要大一个数量级。光栅细分测量法的有效分辨率以及位移接近0时的重复性标准差都比电容测微仪法大1～2个数量级。

激光干涉法测微位移原理上准确度高，测量不确定度为U_x≈c₀+c₁x，测量不确定度小，式中c₀表示常量项，c₁表示比例项，常量项c₀与干涉条纹细分或信号相位细分的重复性标准差正相关，比例项c₁与波长λ＝λ₀/n的不确定度有关，λ₀表示真空波长，n表示空气折射率，c₁与与波长的相对不确定度呈单调关系，式中带下标的U表示下标所示物理量的不确定度。原理上c₀可达0.1nm量级甚至更小，U_λ/λ也能控制在2×10^-7以下。

但是实际系统中常常存在多种不确定度分量因素的影响，例如有：阿贝误差的影响，光路中不可避免的闲程(或译为死程)误差的影响，温度、气压等多种影响量的不确定度分量，以及干涉条纹细分或信号相位细分的线性度影响。上述多种因素的综合影响常常使几毫米范围的微位移扩展不确定度难于减小到100nm以下。二维测量需要激光频率稳定的两组干涉测量光路及信号处理部件，使系统复杂且造价高。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供了一种用F-P标准具测量二维微位移的装置与方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一、一种用F-P标准具测量二维微位移的装置：

装置包括光源、柔性光纤和面阵成像器件，光源与柔性光纤连接，柔性光纤输出端前方布置面阵成像器件，柔性光纤和面阵成像器件之间设置有准光组合部件，通过准光组合部件将柔性光纤出射的光束处理成共轴同圆心的一系列同心圆并成像到面阵成像器件上。

所述的准光组合部件包括依次在柔性光纤输出端前方布置的滤光片、F-P标准具和物镜，一种或多种单色光的光源经过柔性光纤射入准光组合部件，准光组合部件产生的输出光束为一系列汇聚的共轴圆锥光束到面阵成像器件，并作为测量的基准光束，共轴圆锥光束的中心轴为准光组合部件的光轴。

所述的面阵成像器件(以下简称为面阵器件或面阵)的接收表面与准光组合部件的光轴垂直，并与物镜的焦平面重合。

所述的F-P标准具内部两块镜面板的间隔距离为d。

所述的物镜为中焦距或短焦距的物镜。中焦距或短焦距是指焦距f在20～150mm范围内，焦距偏短会降低面阵使用率，过长会增大圆心坐标标准差。

所述的面阵成像器件的一个边与水平方向(图中的X”轴方向)成45度角。