摘要：本文介绍了一种在平移过程中倾针误差远小于秒级的光学精密平移器(以下简称精平移器)的工作原理及应用范围，介绍了该器件的作用原理以及附加的位移平衡装置的作用。对各项性能指标的检测方法及其检测结果也进行了阐述。

　　引言

　　随着现代科学技术的发展，产生了各种干涉仪及激光器，因此对推动光学元件或机械零部件作精密平移的平移精度提出了更高的要求，例如:法布里一拍罗干涉中的标准具、激光腔内调焦矩似及任何干涉仪及光学仪器内需要产生精密平移的标准具等。我们过去已研制成功的产品—压电微位移驱动器，可以作微米级及亚微米级的精密平移，但不足之处是这种单个微位移驱动器在平移过程中仍要发生一定的倾斜，对平移精度高的仪器其应用效果就不很理想了。有人曾采用一个管状的压电陶瓷作为驱动元件，在外加电压下驱动光学透镜产生平移，由于压电陶瓷管质量不均匀等造成了平移过程中较大的倾斜误差，其实际使用效果也不很好。国外，例如美国另urle馆h公司和西德PI公司早有光学精密平移器商品出售，价格昂贵，一套这种器件需几千美元。

　　为此，我们研制了倾斜误差小，响应速度快，以及平移范围宽的几种光学精密平移器，该器件是由光学精密平移器和位移平衡调节控制电路两部分组成的。

　　1精平移器的结构及工作原理

　　精平移器的基本结构是由三个变形量一致的压电微位移驱动器元件1和两个带孔的基板2，3，保护罩4和插座5组成的(图1)。3固定于基座，2上面可粘接上透射或反射的光学件并与2一起由三个驱动器产生所需的平移。

　　众所周知，微位移驱动器是根据压电陶瓷的逆压电效应特性制作的。单片压电陶瓷的变形量为:

　　根据这一原理，我们选用三组性能相同且片数相等的压电陶瓷片，粘成三个高度一致的微位移驱动器，然后将这三个驱动器按等边三角形均布，粘接在上下两个带孔的光学基板2和3之间，使三个驱动器和两个光学基板成为一体。根据三点确定一个平面的原理，三个驱动器使光学基板2的平移得到一定的保证。为使平移精度进一步提高，我们增加了一个自行研制的位移平衡装置，它是使三个驱动器的位移量进一步同步，这样便可大大提高精密平移的精度。图2是我们研制的几种精平移器和其位移平衡装置。

　　2精平移器的性能检测

　　2.1变形量及滞后

　　我们用占一V测试仪检测精平移器的变形量及滞后量。测试仪的组成部分如图3所示，被测的精平移器1放置于小平台2上，精平移器上放一块平板玻璃4，测头3对准精平移器的中心，循环高压电源在施加给精平移器高压的同时产生几伏的微电压，输入函数记录仪的X端，测头测得变形量后即把机械量转换成电量并输入函数记录仪的Y端，记录仪即可描绘出精平移器的变形曲线()。

　　2.2在平移过程中的不平行度检测

　　不平行度检测有几种方法，一种是用泰曼干涉仪直接测条纹间隔，这种方法精度高，但操作条件苛刻，要求有减震平台，且测试周期长。另一种方法是直接用高精度的平行光管检测，这种方法比较简便。

　　(l)I*精平移器用泰曼干涉仪测试情况如图5所示，在精平移器l上粘一块面形很好的平面反射镜2并置于泰曼干涉仪中与另一平面反射镜3一起产生干涉条纹4并显示于屏上，用读数显微镜读出精平移器在加电压前和加电压后其干涉条纹间距的变化，再根据坐标测出条纹方向的变化，便可计算出精平移器在平移过程中的不平行度。
 

　　我们分别在X，Y两个方向测试了精平移器的不平行度，图6、图7分别为电压变化前后I*精平移器的干涉图，从图中可看出电压变化前后其干涉条纹的方向是一致的。用5倍读数显微镜读出条纹间距数据如表1所示。

　　(注:这个值比Y方向小，可能由于周围环境影响条纹漂移之故)上述结果表明，I莽精平移器在平移过程中的不平行度远小于11"。

　　(2)I落精平移器利用平行光管检测情况

　　在精平移器_L粘一块平面反射镜并置于光电自准直仪前，调节精平移器和测微读数鼓，使光电自准直仪双刻线分划板上的双刻线对准十字线象，并视其检波器上的微安表指零。首先给精平移器加上一400V电压，调节读数鼓使检波器上的微安表指零，读出此角度值;然后以100v的间隔将电压由一400v逐步调到十40ov，再调节读数鼓使检波器上的微安表回到零，分另U读出这些角度值，这些角度值与一400v时的角度值之差的最大值即为精平移器在这个方向上平移的不平行度。在两个相互垂直的方向上分别检测。我们用的702型光电自准直仪，它的光电瞄准精度为0.1"，最小读数为0.1"。件精平移器的检测结果如表2所示，两个方向结果相同，不平行度为0。3l’与干涉法测量基本相符。所以，用平行光管检测即可。

　　2.3频率晌应特性的检测

　　如图8所示，仍然将精平移器l(带有平面反射镜)置于泰曼干涉仪中，用光电探测器3探测干涉条纹光强幅度和相位的变化，并通过示波器显示出来。先在精平移器_L加一个低频正弦电压使精平移器在久/2内作往复运动，其干涉条纹往复运动的振幅和相位逼过光电探测器接收，并通过示波器显示出来，保持电压不变，逐渐增加频率，观察其利萨如图，当相位变化至7r/2时，说明精平移器已谐振，此时的频率即为精平移器的谐振频率。图9是I‘精平移器在电压一定，频率分别为20比和1500爪时的利萨如图。

　　用上述方法我们对精平移器进行了检测，结果如下:

　　I*精平移器的谐振频率为:1500Hz

　　I*精平移器的谐振频率为:1100地

　　l*精平移器的谐振频率为:I000Hz

　　2.4阶跃响应特性的检测

　　仍利用图8所示的检测系统，通过信号发生器和高压放大器给精平移器施加阶跃电压，精平移器则产生突变，光电探测器所接收的信号为很短时间内的几条干涉条纹的变化，通过示波器可观察到如图10所示的波形，除去机械振荡所产生的干涉条纹变化(即波形的慢变化部分)，即为精平移器的瞬态响应时间t.。根据上述原理测出的各精平移器的瞬态响应时间为:

　　由于精平移器的瞬态响应时间受高压放大器的输出能力影响，以上的测试是在我们现有的高压放大器基础上测试的，如果提高高压放大器的输出能力，精平移器的瞬态响应时间还可以提高。故只能说，在现有高压放大器的条件下，精平移器的瞬态响应时间小于3ms。

　　结语

　　我们研制成功了三种光学精密平移器，I*，I*两种已经应用于国家攻关科研项目，均保持高的精度和响应速度，其平移中的最大不平行差为0.33"，响应时间在全量程时为Zms，分辨率光学精密平移器的尺寸和位移量均可以由小到大(尺寸由几十到几百毫米，位移从零点几到几十微米)。还应指出，精平移器的平移精度，主要受限于检测用的平行光管和检测环境，如果有精度更高的平行光管和恒温的检测环境，平移精度还可进一步提高。而其响应速度则取决于高压放大器的输出能力。

　　致谢：参加此项工作的同志还有饶学军、陈惠。李明全和王文明同志在电测方面给予了很多帮助，一左此致讲。

　　参考文献

　　凌宁.微位移驱动器。光学工程，1988.15(5):39

　　凌宁等.压电陶瓷的6一V曲线测试.光学工程，1985.(6)

　　廖延彭.物理光学，北京:电子工业出版社

　　本文作者：凌宁 官春林 陈东红

上一篇 : 暂无             下一篇 : 烤地瓜机 烤地瓜机烤地瓜的原理