CN106500587A - 一种白光干涉仪z轴宏微精密调焦装置及其调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，包括直线导轨、刚性框架、核心运动工作平台、柔性铰链、传感器、直线驱动器和光栅尺；如此设置，本发明公开的白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，其能够有效实现大范围运动同时保证精密进给，并通过宏微复合测量获得精密运动平台在经过调焦后的精确位移读数；本发明还公开了一种用于上述白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置的调焦方法。

Description

一种白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置及其调焦方法

技术领域

本发明涉及精密调焦技术领域，更具体的涉及一种白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置及其调焦方法。

背景技术

光学***在工作过程中，成像目标与光学***的相对距离总是在变化的，由高斯公式可知，其光学***的像距也将随之变化，为了使不同距离的成像目标能够在焦平面上成清晰的像，必须随目标距离的变化随时调整镜头与成像焦平面的距离以得到清晰的像，这种调整的过程称之为调焦。调焦装置在显微仪器等领域有着十分广泛的应用。

干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器，其测量精度决定于测量光程差的精度，干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度高。

由于调焦机构大行程与干涉仪精密给进的矛盾，很难实现大范围精密调焦，现有技术中多使用大行程堆叠压电陶瓷和手动粗调加小行程压电陶瓷结束上述问题，但结构复杂，价格昂贵。

因此，如何在实现大范围运动同时保证精密进给，并通过宏微测量获得调焦后的精确位移读数的情况下，简化装置结构，降低成本，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是实现大范围运动同时保证精密进给，并通过宏微测量获得调焦后的精确位移读数的情况下，简化装置结构，降低成本，具体来说，本发明提供了一种白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置及其调焦方法。

本发明提供的白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，包括直线导轨、刚性框架、核心运动工作平台、柔性铰链、传感器、直线驱动器和光栅尺；四条导轨对称布置，刚性框架安装在导轨上，绝对光栅尺安装在刚性框架上，核心运动工作平台通过柔性铰链安装在刚性框架内部，传感器安装在柔性铰链上，直线驱动器安装在核心运动工作平台中部。

优选地，所述直线驱动器为音圈电机。

优选地，所述柔性铰链对称布置。

优选地，所述柔性铰链由同一厚度的弹片制作而成。

本发明还提供了一种调焦方法，步骤如下：

S1、直线驱动器未驱动时，平台处于自锁状态；

S2、直线驱动器驱动核心运动工作平台，核心运动工作平台带动柔性铰链产生弹性变形；

当驱动力小于刚性平台与导轨产生的静摩擦力时，进入步骤S3；

当驱动力大于刚性平台与导轨成圣的静摩擦力时，进入步骤S4；

S3、核心运动工作平台通过柔性铰链的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给，读取核心运动工作平台的位移；

S4、刚性平台产生刚***移，读取核心运动工作平台的位移。

优选地，所述S3步骤中核心运动工作平台位移用柔性铰链上的传感器测量。

优选地，所述S4步骤中读取核心运动工作平台位移的具体方法如下：

S4-1、安装在刚性平台上的绝对光栅尺读取刚***移；

S4-2、安装在柔性铰链上的传感器测量弹性变形产生的微小位移；

S4-3、核心运动工作平台的实际位移为刚***移和弹性变形位移的叠加。本发明的有益效果：

1)本发明提供的白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，包括直线导轨、刚性框架、核心运动工作平台、柔性铰链、传感器、直线驱动器和光栅尺；四条导轨对称布置，刚性框架安装在导轨上，绝对光栅尺安装在刚性框架上，核心运动工作平台通过柔性铰链安装在刚性框架内部，传感器安装在柔性铰链上，直线驱动器安装在核心运动工作平台中部。如此设置，本发明提供的白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，四条导轨对称布置消除阿贝误差，用刚***移和弹性变形的叠加来实现高精度连续变化位移，并通过光栅尺以及电阻应变片传感器来测量两种位移，测量精度有保证，结构紧凑，容易实现自动测量。

2)本发明提供的优选方案中，所述直线驱动器为音圈电机。如此设置，由于音圈电机没有迟滞效应，线性度好，装置可直接驱动，响应速度快。

3)本发明提供的优选方案中，所述柔性铰链对称布置；所述柔性铰链由同一厚度的弹片制作而成。如此设置，本发明提供的白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，其柔性铰链对称布置并由同一厚度的弹片制作，可保证核心工作平台运动时四面受到的弹性力相同。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置整体结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中核心运动平台和刚性框架连接示意图；

图3为本发明具体实施方式中柔性铰链结构正面示意图；

图4为本发明具体实施方式中柔性铰链结构背面示意图；

图5为本发明具体实施方式中一种调焦方法流程示意图；

图1-图3中：

直线导轨—1、刚性框架—2、核心运动平台—3、柔性铰链—4、固定装置—41、弹簧片—42、光栅尺—5、位移传感器—6。

具体实施方式

本发明提供了一种白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，其能够实现大范围运动同时保证精密进给，并通过宏微复合测量获得精密运动平台在经过调焦后的精确位移读数。本发明还提供了一种利用上述白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置的调焦方法。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1至图4，图1为本发明具体实施方式中白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置整体结构示意图；图2为本发明具体实施方式中核心运动平台和刚性框架连接示意图；图3为本发明具体实施方式中柔性铰链结构正面示意图，图4为本发明具体实施方式中柔性铰链结构背面示意图。

本具体实施方式所提供的白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，包括直线导轨1、刚性框架2、核心运动平台3、柔性铰链4、光栅尺5、位移传感器6和音圈电机组成。其中，刚性框架2与核心运动平台3之间通过柔性铰链4连接，刚性框架2与直线导轨1连接，音圈电机与核心运动平台3连接，光栅尺5安装在刚性框架2上，位移传感器6安装在柔性铰链4上。

如此设置，音圈电机可以在电磁力作用下对核心运动平台3施加驱动力，该驱动力可以使柔性铰链4发生弹性变形，并进而使所述核心运动平台3产生沿导轨长度方向的直线位移。柔性铰链4的弹性变形反作用力可以用于克服所述刚性框架2与直线导轨1运动时的摩擦力，当柔性铰链4的弹性变形作用力大于摩擦力等阻力时，刚性框架2由静止状态转为运动状态。光栅尺05和位移传感器6的位移测量可以作为反馈环节与直线驱动器形成闭环控制***，实现刚性框架2的高精度运动定位。

请参见图5，是本发明实施例的一种调焦方法流程示意图，本发明实施例的所述方法包括：

S1、直线驱动器未驱动时，平台处于自锁状态；

S2、直线驱动器驱动核心运动工作平台，核心运动工作平台带动柔性铰链产生弹性变形；

当驱动力小于刚性框架2与导轨1产生的静摩擦力时，进入步骤S3；

当驱动力大于刚性框架2与导轨1产生的静摩擦力时，进入步骤S4；

S3、核心运动工作平台3通过柔性铰链4的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给，读取核心运动工作平台3的位移，弹性变形产生的微小位移由柔性铰链06上的传感器测量；

S4、刚性框架2产生刚***移，读取核心运动工作平台的位移，刚性框架2产生的位移由安装在刚性平台上的绝对光栅尺5读取刚***移，弹性变形产生的微小位移由柔性铰链4上的传感器6测量，核心运动平台的实际位移为刚***移和弹性变形位移的叠加。

进一步地，当所述白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置处于高加速运动状态而导致核心运动平台3相对于刚性框架2的位移超出柔性铰链4的许用变形量时，核心运动平台3与刚性框架2形成整体刚性结构进行运动，核心运动平台3的位移为刚性框架2的位移与柔性铰链4位移的叠加。

本发明实施例中，白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置利用柔性铰链可依靠自身弹性变形主动适应由运动副摩擦状态切换导致的摩擦阻力突变，缓解摩擦阻力突变对核心运动平台的刚性冲击，实现连续位移变化，规避摩擦“爬行”情况对运动定位精度的影响。可应用于大行程精密微进给、精度高于机械导轨方式而又成本较低的的等微纳加工和电子制造场合，测量精度高，易实现自动测量。

以上对本发明所提供的一种白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，其特征在于，包括直线导轨、刚性框架、核心运动工作平台、柔性铰链、传感器、直线驱动器和光栅尺；四条导轨对称布置，刚性框架安装在导轨上，绝对光栅尺安装在刚性框架上，核心运动工作平台通过柔性铰链安装在刚性框架内部，传感器安装在柔性铰链上，直线驱动器安装在核心运动工作平台中部。

2.如权利要求1所述白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，其特征在于，所述直线驱动器为音圈电机。

3.如权利要求1所述白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，其特征在于，所述柔性铰链对称布置。

4.如权利要求1所述白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，其特征在于，所述柔性铰链由同一厚度的弹片制作而成。

5.一种调焦方法，其特征在于，该方法用于操作上述权利要求1-4其中之一所述的白光干涉仪Z轴宏微精密调焦装置，步骤如下：

S1、直线驱动器未驱动时，平台处于自锁状态；

S2、直线驱动器驱动核心运动工作平台，核心运动工作平台带动柔性铰链产生弹性变形；

当驱动力小于刚性平台与导轨产生的静摩擦力时，进入步骤S3；

当驱动力大于刚性平台与导轨产生的静摩擦力时，进入步骤S4；

S3、核心运动工作平台通过柔性铰链的弹性变形产生微小位移，实现精密微进给，读取核心运动工作平台的位移；

S4、刚性平台产生刚***移，读取核心运动工作平台的位移。

6.如权利要求5所述调焦方法，其特征在于，所述S3步骤中核心运动工作平台位移用柔性铰链上的传感器测量。

7.如权利要求5所述调焦方法，其特征在于，所述S4步骤中读取核心运动工作平台位移的具体方法如下：

S4-1、安装在刚性平台上的绝对光栅尺读取刚***移；

S4-2、安装在柔性铰链上的传感器测量弹性变形产生的微小位移；

S4-3、核心运动工作平台的实际位移为刚***移和弹性变形位移的叠加。