CN210108265U - 实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台 - Google Patents

Abstract

实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台，三自由度纳米定位平台包括上传动平板和下静平板，上动平板和下静平板之间有三个传动组件，三个传动组件呈120°均匀地分布在通过三个传动组件的圆周上，压电陶瓷驱动器的顶部连接下球形顶头，下球形顶头的半球形顶头嵌入上圆弧凹槽传动平板的圆弧形凹槽内；上圆弧凹槽传动平板安装在上动平板的圆槽内，弹簧平行于压电陶瓷驱动器呈120°均匀地分布在上动平板和下静平板的弹簧支架上。还包括实时读取微动倾斜平台位移角度信息的测量装置，激光器的输出激光以45度角对准反射装置的反射面垂直透射进劈尖干涉装置，劈尖干涉装置连接被测物体，待测物体放置在三自由度纳米定位平台上面。

Description

实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台

技术领域

本实用新型涉及超精密定位调整设备，特别是一种具有两转动一移动的三自由度并联式可实时读取位移转动信息的纳米定位平台。

背景技术

近年来，随着微电子技术、精密光学以及精密加工技术的迅猛发展，现有的定位精度已经不能满足人们的需求，开发出一种多自由度、纳米级定位精度以及高灵活度和高灵敏度的定位***，用于实现高精度的操作和实验研究已经迫在眉睫。现有的纳米定位平台多以压电陶瓷作为驱动定位元件，以柔性铰链机构作为运动导轨，通过驱动驱动压电陶瓷驱动器，以柔性铰链为精密传动机构，来实现纳米级的位移。虽然柔性铰链较传统运动副大大减少了数量、重量、装配步骤以及运动精度，但不可否认的是，柔性铰链传动还有很多致命的缺陷，尤其是在精密传动中。第一，由于柔性构件变形实现的运动收到其自身强度的限制，导致其行程有限；第二，由于柔性运动的能量存储，柔性构件在进行传动时容易产生轴漂和寄生误差，一方面导致其精度受限，另一方面也增加了其控制程序的复杂性；第三，柔性传动部分刚度较差，并且在长时间经受应力或高温的条件下，容易产生蠕变和应力松弛现象，增加其机构的不稳定性。并且在高精度操作中为了对平台实现实时精密控制，有时候需要实时读取出精密平台的运动信息，从而反馈到控制***中，来实现对平台的实时精密控制，目前为止没有一款能够实时读取运动信息的多维纳米级平台用于高精度的操作和实验研究，因此开发出一种可实时读取运动信息的纳米级多维定位平台变得至关重要。

发明内容

为了弥补现有高精度纳米级定位平台不能实时读取角度信息的缺陷，本实用新型提供一种可实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台。

本实用新型可克服上述缺陷，该三自由度纳米定位平台可以通过光学干涉的方法实时的读取位移角度信息，可以实现高精度高灵敏度的定位测量。

实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台，其特征在于，包括一个承载被测物体并使被测物体产生位移的三自由纳米定位平台和实时读取被测位移角度信息的测量装置：

该三自由度纳米定位平台包括上传动平板2和下静平板8，上动平板2和下静平板8之间有三个传动组件，三个传动组件呈120°均匀地分布在通过三个传动组件的圆周上，每个传动组件包括垂直地安装在下静平板8上的压电陶瓷驱动器6，压电陶瓷驱动器6的顶部连接小支矩5，小支矩5下压住下球形顶头4；下球形顶头4的半球形顶头嵌入上传动平板3的圆弧形凹槽内，下球形顶头4 与所述的圆弧形凹槽顶部相切，下球形顶头4与所述的圆弧凹槽在剖面上的圆心的连线垂直于下静平板8；上传动平板3安装在上动平板2的圆槽内，弹簧7平行于压电陶瓷驱动器6呈120°均匀地分布在上动平板2和下静平板8的弹簧支架1上。

该三自由度纳米定位平台的位移角度信息可通过光学干涉的方法实时读取，根据等厚干涉原理可知，当用单色平行光垂直照射玻璃劈尖时，由于单色光在劈尖上下两个表面会分别产生两束反射光，这两束反射光会在玻璃劈尖的上表面产生干涉，且干涉强度为：

其中I_R1和I_R2分别为两束反射光的光强，δ为反射光经过介质后反射光之间的光程差，λ为入射光波长。在实际实验过程中，I_R1>>I_R2，则(1)式便可简化为：

其中光程差δ＝2n(d_k·x)/L，n为介质折射率，d_k为第k级干涉条纹对应位置介质上下界面之间的厚度。固定一端不动，若被测物体产生位移则L处介质厚度发生变化，则介质上表面第k级干涉条纹将向前移动△l，可推得当上表面抬升△d时：

因此，若测得其干涉光谱中干涉条纹的信息，确定介质的折射率n就完全确定了微位移测量模型，便可通过干涉条纹的宽度计算出d_k，从而确定微位移量△d。

所述的测量装置，包括为测量装置提供稳定的单色相干光源的激光器9，激光器9的输出激光以45度角对准反射镜12的反射面，输出激光经反射装置12 反射射垂直透射进劈尖干涉装置，形成光路121，光路121对准劈尖干涉装置的玻璃劈尖。

劈尖干涉装置10的玻璃劈尖连接被测物体11，待测物体11放置在所述的三自由度纳米定位平台上，三自由度纳米定位平台连接稳压电源；沿着第一光路 121入射的激光透射通过劈尖干涉装置10在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过反射镜12、第二光路122传送至透镜组13，再输出至CMOS 成像14，从而获得完整的激光干涉图像；CMOS成像14的输出端连接数据处理***15；数据处理***15根据微位移测量模型计算被侧物体的微量位移，所述的微位移测量模型具体是：

其中，I_inter为干涉强度，I_R1为反射光的光强，λ为入射光波长，n为介质折射率，d_k为第k级干涉条纹对应位置介质上下界面之间的厚度，L为玻璃劈尖长度，△l为介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离。

通过测得其干涉光谱中干涉条纹的信息(干涉强度I_inter、反射光光强I_R1与介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离)，确定介质的折射率n就完全确定了微位移测量模型，便可通过干涉条纹的宽度计算出d_k，从而确定微位移量△d₁、△d₂、△d₃，即分别为三个压电陶瓷驱动器的输出位移。

根据△d₁、△d₂、△d₃，即可以通过分析平台的运动学特性，得出上述三自由度定位平台的z、θ_x、θ_y。

为了分析平台的运动学特性，先画出平台的运动简图(取上动平板2)如图 (5)所示，图(5)中的(a)为上述平台中上动平板2的初始位置。A，B，C 三点分别代表三个压电陶瓷驱动器3、2、1的位置(距动平板2的圆心距离为r)，分别以三个点作垂线(相对于各自与圆心的连线)得到A1、B1、C1(其中线段 AA1＝L)，上述三自由度纳米定位平台的运动学特性可以等价为线段AA1、BB1、 CC1的运动学特性。上述定位平台的动平板2在三个压电陶瓷驱动器的组合作用下，假设先在Z轴方向发生移动产生一个位移z，又绕着x轴发生转动产生一个θ_x，最后绕着y轴发生转动产生一个θ_y，最后到达图5(b)的位置。在坐标O-XY 中，点O、A、A1的坐标分别为(0,0)，(r，0)和(r，-L),当上述三维平台在压电陶瓷驱动器的驱动下发生运动，中心O的位置移动到O'，坐标为(x，y，α)，点A和A1移动到分别为A'和A1’。

由图5(a)中几何关系可以得出点A(-r，0)，A1(-r，-L)

在O-XY坐标系中，根据几何关系可以得出点A’和点A1’的坐标分别为：

(Ax’，Ay’)＝(x-rcosα，y+rsinα)

(A1x’A1y’)＝(Ax’-Lsinα,Ay’-Lcosα)

根据运动特性，可以得出：

A1x’＝Ax’-Lsinα＝A1x＝-r

因此δ_A1'-A1＝||A1'-A1||＝L+y+rsinα-Lcosα

相似的

从而：

(在(0,0,0)处的值)

又因为

因此：

T^-1可以表示为：

依据空间运动学模型可以得出

所以

上述三自由度纳米定位平台的转动角度在μrad量级，分辨率在nrad级别：

所以

△d₁、△d₂、△d₃分别为上述三个压电陶瓷驱动器C、B、A的微位移；r为压电陶瓷驱动器到动平台2圆心的距离。

该实时读取微动倾斜平台位移角度信息的测量装置包括光路部分和微位移测量部分，由激光器为测量装置提供稳定的单色相干光源，激光通过玻璃劈尖在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过反射镜传送至光学成像***从而获得完整的激光干涉图像。由稳压电压源为位移平台提供稳定的电压，通过电压的变化来控制位移平台位移量的变化，当位移量发生变化时，被测的微小位移通过机械结构造成劈尖干涉装置的劈尖角度发生变化，从而改变激光干涉图样的空间周期长度，成像***和数据处理***提取出这一长度信息，并计算得到被测位移。

本实用新型中三自由度纳米定位平台所使用的压电陶瓷驱动器采用电压驱动，闭环分辨率为0.1nm，线性度为0.03％，驱动电压为-30V—+150V，最大负载为1kg，使用电压源作为压电陶瓷驱动器的供电电源，通过改变压电陶瓷驱动器的控制电压可以控制其输出位移量，压电陶瓷驱动器的位移量最大分辨率可以达到0.1nm，当三个压电陶瓷驱动器位移量均相同且同向时，可以视为上动平板只发生移动，没有发生相应的转动，其最大分辨率和单个压电陶瓷驱动器一致，可达到0.1nm。当只有一个压电陶瓷驱动器输出位移时，可以视为上平板发生转动，根据公式(5)可以计算出z、θ_x、θ_y，其θ_x、θ_y最大分辨率理论上可以达到0.1nm/r，当r>10mm时，平台转动分辨率可以达10nrad，同时z的最大分辨率理论上可以达0.1nm。

本实用新型的优点是：本实用新型所提出的通过光学干涉方法实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台，一方面拥有很高的运动精度，其θ_x、θ_y最大分辨率可以达到0.1nm/r，z的最大分辨率可以达0.1nm。另一方面与传统的精密定位平台的不同的是，可以通过光学干涉的方法实时读取出运动信息(θx，θy，z)，并且整套***实现起来非常简单，读取出的运动信息可以实时反馈到闭环控制***中，更精密便捷的对平台实现稳定的控制。

附图说明

图1a和图1b是本实用新型实施例的结构示意图。

图2是本实用新型中三自由度纳米定位平台结构示意图。

图3是本实用新型中三自由度纳米定位平台剖视图。

图4是本实用新型实时读取三自由度纳米微动倾斜平台位移角度信息的测量装置。

图4a是本测量装置的劈尖干涉装置的玻璃劈尖的反射光路示意图。

图4b是本测量装置的被侧物体的微位移量的计算示意图。

图5a和图5b是三自由度纳米定位平台的运动模型简图。

图中部件编号：

1、弹簧支架 2、上动平板 3、上圆弧凹槽传动平板 4、下球形顶头

5、用于固定球形顶头的小支矩 6、压电陶瓷驱动器 7、弹簧

8、下静平板 9、激光器 10、劈尖干涉装置 11、被测物体

12、反射镜(包括光路第一光路121和第二光路122) 13、透镜组

14、CMOS成像 15、数据处理***

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的技术方案。

本实用新型的通过光学干涉方法实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台，包括一个承载被测物体并使被测物体产生位移的三自由纳米定位平台和实时读取被测物***移角度信息的测量装置：

该三自由度纳米定位平台包括上传动平板2和下静平板8，上动平板2和下静平板8之间有三个传动组件，三个传动组件呈120°均匀地分布在通过三个传动组件的圆周上，每个传动组件包括垂直地安装在下静平板8上的压电陶瓷驱动器6，压电陶瓷驱动器6的顶部连接小支矩5，小支矩5下压住下球形顶头4，其特征在于：下球形顶头4的半球形顶头嵌入上传动平板3的圆弧形凹槽内，下球形顶头4与所述的圆弧形凹槽顶部相切，下球形顶头4与所述的圆弧凹槽在剖面上的圆心的连线垂直于下静平板8；上传动平板3安装在上动平板2的圆槽内，弹簧7平行于压电陶瓷驱动器6呈120°均匀地分布在上动平板2和下静平板8的弹簧支架1上；

所述的测量装置，包括为测量装置提供稳定的单色相干光源的激光器9，激光器9的输出激光以45度角对准反射装置12的反射面，输出激光经反射装置反射垂直透射进入劈尖干涉装置10，形成第一光路121，第一光路121对准劈尖干涉装置的玻璃劈尖；

劈尖干涉装置10的玻璃劈尖连接被测物体11，待测物体11放置在所述的三自由度纳米定位平台，三自由度纳米定位平台连接稳压电源；第一光路121 的激光通过劈尖干涉装置在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过反射装置12、第二光路122传送至光学成像***13从而获得完整的激光干涉图像；光学成像***13的输出端连接数据处理***14。

初始位置时，下球形顶头4竖直的嵌在上圆弧凹槽传动平板3底面上的圆弧凹槽内，在实际使用中下球形顶头4安装在压电陶瓷驱动器上，由压电陶瓷的拉伸以及收缩可实现下球形顶头4在圆弧凹槽内正负向滑动如图1a和图1b，从而实现上传动平板2的移动以及转动。

本实用新型主要采用电压来驱动压电陶瓷驱动器，闭环分辨率为0.1nm，线性度为0.03％，驱动电压为-30V—+150V，最大负载为1kg，使用电压源作为压电陶瓷驱动器的供电电源。初始时，假设通过供电电源给单个压电陶瓷驱动器6 施加一个正向电压，单个压电陶瓷驱动器6向z轴正方向拉伸，从而推动下球形顶头4在传动平版3的圆弧形凹槽内正向滑动如图1b，从而实现上平板2的的正向转动，上平板2的正向转动推动被测物体11的正向转动，从而造成劈尖干涉装置10的相对位置发生改变如图4、图4a、图4b所示，从而改变光路，光路121的激光透射通过劈尖干涉装置10在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过反射装置12、光路122传送至透镜组13，再输出至CMOS成像14，从而获得完整的激光干涉图像；CMOS成像14的输出端连接数据处理***15；数据处理***15根据微位移测量模型计算被侧物体的微量位移，所述的微位移测量模型具体是：

通过测得其干涉光谱中干涉条纹的信息(干涉强度I_inter、反射光光强I_R1 与介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离)，确定介质的折射率n就完全确定了微位移测量模型，便可通过干涉条纹的宽度计算出d_k，从而分别确定上述三个压电陶瓷驱动器的微位移量△d₁、△d₂、△d₃。

再根据转化矩阵N，即可以分别求出上述三自由度纳米定位平台的z、θ_x、θ_y。

可实时计算出z、θ_x、θ_y，从而实时的读取出该三自由度纳米定位平台的运动信息，其中θ_x、θ_y的最大分辨率可以达到0.1nm/r；z的最大分辨率可以达到 0.1nm；(△d₁、△d₂、△d₃分别为上述三个压电陶瓷驱动器C、B、A的微位移； r为压电陶瓷驱动器到动平台2圆心的距离。)

本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.实时读取位移转动信息的三自由度纳米定位平台，其特征在于，包括一个承载被测物体并使被测物体产生位移的三自由纳米定位平台和实时读取被测位移角度信息的测量装置：

该三自由度纳米定位平台包括上动平板(2)和下静平板(8)，上动平板(2)和下静平板(8)之间有三个传动组件，三个传动组件呈120°均匀地分布在通过三个传动组件的圆周上，每个传动组件包括垂直地安装在下静平板(8)上的压电陶瓷驱动器(6)，压电陶瓷驱动器(6)的顶部连接小支矩(5)，小支矩(5)下压住下球形顶头(4)；下球形顶头(4)的半球形顶头嵌入上圆弧凹槽传动平板(3)的圆弧形凹槽内，下球形顶头(4)与所述的圆弧形凹槽顶部相切，下球形顶头(4)与所述的圆弧凹槽在剖面上的圆心的连线垂直于下静平板(8)；上圆弧凹槽传动平板(3)安装在上动平板(2)的圆槽内，弹簧(7)平行于压电陶瓷驱动器(6)呈120°均匀地分布在上动平板(2)和下静平板(8)的弹簧支架(1)上；

所述的测量装置，包括为测量装置提供稳定的单色相干光源的激光器(9)，激光器(9)的输出激光以45度角对准反射镜(12)的反射面，输出激光经反射镜(12)反射射垂直透射进劈尖干涉装置，形成光路(121)，光路(121)对准劈尖干涉装置的玻璃劈尖；

劈尖干涉装置(10)的玻璃劈尖连接被测物体(11)，被测物体(11)放置在所述的三自由度纳米定位平台上，三自由度纳米定位平台连接稳压电源；沿着第一光路(121)入射的激光透射通过劈尖干涉装置(10)在玻璃劈尖的上表面会形成干涉条纹，接着将干涉图像通过反射镜(12)、第二光路(122)传送至透镜组(13)，再输出至CMOS成像(14)，从而获得完整的激光干涉图像；CMOS成像(14)的输出端连接数据处理***(15)；数据处理***(15)根据微位移测量模型计算被侧物体的微量位移，所述的微位移测量模型是：

其中，I_inter为干涉强度，I_R1为反射光的光强，λ为入射光波长，n为介质折射率，d_k为第k级干涉条纹对应位置介质上下界面之间的厚度，L为玻璃劈尖长度，△l为介质上表面第k级干涉条纹将向前移动的距离。

Images