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压电纳米扫描系统在干涉测量系统中的应用!

压电纳米扫描系统是由精密压电纳米定位台与压电控制器组成,系统可完成单轴或多轴的纳米精度的运动控制。下图中为芯明天的一款小体积型Z向压电纳米扫描系统。

 

干涉测量 

干涉测量是基于电磁波的干涉理论,通过检测相干电磁波的干涉图样、频率、振幅、相位等属性,将其应用于各种相关测量的技术的统称。用于实现干涉测量术的仪器被称作干涉仪。在当今科研领域、工业领域等,干涉测量术都发挥着重要作用,包括天文学、光纤光学、工程测量学等。

 

在干涉测量中常用的工具是迈克尔逊干涉仪,一般可将相干光源的单条入射光束分成两条相同的光束。每条光束的传播路径(称为光程)不同,并在到达探测器之前重新会合。每条光束的传播距离不同使它们之间产生相位差。该相位差形成了可通过探测器捕获的干涉条纹。如果单条光束沿两个光路分开(测量光路和参考光路),则利用相位差便可判断出所有可改变光束相位的因素。

 

迈克尔逊干涉仪原理图

 

干涉物镜

干涉物镜就是将显微镜物镜与干涉仪结合起来设计而成的一种特殊的显微镜物镜。它的原理是一束光通过分光镜后,将光直接射向样品表面和内置反光镜,从样品表面反射的光线和内置反射镜反射的光线再结合,就产生了干涉图案。

 

干涉物镜可用在非接触光学压型测量设备上,通过此物镜可得到表面位图和表面测量参数等,也可用来检测表面粗糙度,测量精度非常高,在一个波长之内。

 

三种干涉物镜结构图



Michelson型

 
Mirau型

Linnik

压电纳米定位扫描系统应用于多轴笼式干涉系统

 

系统实物图

 

在系统工作时,通过纳米移动台驱动待测样本表面在垂直方向上均匀、缓慢、连续运动,改变测量光路与参考光路的光程差。

 

垂直扫描的过程中,相机依次获取一系列的白光干涉图,通过三维形貌恢复算法计算并定位出每个像素点的零光程差位置,即可得到相应的高度信息,从而恢复出待测表面的三维形貌。

通过下面两个视频可观察到,当驱动微纳米移动台带动样本在垂直方向上进行扫描时,相机采集到的白光干涉条纹随着移动台的扫描而发生位移。

 

在该系统中采用的是芯明天P70.Z8S压电纳米扫描台,它的产品技术参数如下。

型号:P70.Z8S(直驱机构)

运动自由度Z

行程范围8μm(@150V)

传感器类型SGS

/开环分辨率1/0.6 nm

闭环线性度0.25 %F.S.

闭环重复定位精度 0.16%F.S.

俯仰/偏航/滚动<10 μrad

承载能力200 g

闭环响应时间20ms

空载谐振频率3.6 kHz

加载谐振频率1.5kHz(200g)

静电容量1.6 μF

重量128.5 g

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