CN101788267B

CN101788267B - 基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器

Info

Publication number: CN101788267B
Application number: CN2010101041405A
Authority: CN
Inventors: 曾旭; 侯昌伦; 李遥
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2030-01-26
Also published as: CN101788267A

Abstract

本发明公开了一种基于两组亚波长光栅光学微位移传感器。它主要包括以下部件：第一亚波长光栅层、第二亚波长光栅层、第一光电探测管、第二光电倍增管、压电陶瓷等组成。光从带有准直扩束透镜组的激光光源发出，通过分光棱镜产生两路激光，一路激光通过第一聚焦透镜组，照射到第二光电探测器上，另一路激光通过分光棱镜，第一圆孔、第二圆孔、至第一玻璃基底、第一亚波长光栅层、第二亚波长光栅层、第二玻璃基板；反射光通过第二圆孔、第一圆孔、分光棱镜、第一聚焦透镜组、由第一光电探测器接收。本发明大大缩小了系统的体积，能够精确对位移进行探测。在运动物体位移、厚度、距离等精确探测上具有很广泛的应用前景。

Description

基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器

技术领域

本发明涉及一种基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器。

背景技术

位移传感器作为传感器领域中的重要一部分，可以用来精确测量被测物体的位置、位移变化等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量，在民用和军用领域有着广泛的应用前景。

在现有报道中，位移传感器主要分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。虽然种类很多，但是现有的位移传感器的位移精度最高只能达到纳米量级，因此，对一些需要高精度位移测量方面起了限制作用。而本提案提出的高精度位移传感器，能够精确测量到纳米量级以下的位移变化，对于高精度位移传感领域的应用来说，具有很重要的意义。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题而提出一种实现高精度、的基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器及其方法。

基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器。其特征在于包括基板、第一光电探测器、第一聚焦透镜组、分光棱镜、带有准直扩束透镜组的激光光源、T字型玻璃基板、第一圆孔、第二聚焦透镜组、第二光电探测器、光电探测器固定底座、压电陶瓷、第二圆孔、第一玻璃基板、第一亚波长光栅层、第二亚波长光栅层、第二玻璃基板；T字型玻璃基板的一侧设有基板、第一光电探测器、第一聚焦透镜组，第一光电探测器、第一聚焦透镜组经过组合后固定在基板上，T字型玻璃基板上的一侧从下到上依次设有带有准直扩束透镜组的激光光源、分光棱镜、第二聚焦透镜组、第二光电探测器、光电探测器固定底座，第二聚焦透镜组与第二光电探测器组合后固定在光电探测器固定底座上，T字型玻璃基板内设有第一圆孔，T字型玻璃基板上的另一侧从左至右依次设有压电陶瓷、第二圆孔、第一玻璃基板、第一亚波长光栅层，压电陶瓷内设有第二圆孔，第一亚波长光栅层的右侧有第二亚波长光栅层、第二玻璃基板，第二亚波长光栅层设在第二玻璃基板左侧；光从带有准直扩束透镜组的激光光源发出，通过分光棱镜产生两路激光，一路激光通过第一聚焦透镜组，照射到第二光电探测器上，另一路激光通过分光棱镜，第一圆孔、第二圆孔、至第一玻璃基底、第一亚波长光栅层、第二亚波长光栅层、第二玻璃基板；在第一亚波长光栅层上产生的反射光通过第二圆孔、第一圆孔、分光棱镜、第一聚焦透镜组、由第一光电探测器接收。

所述的一种基于两组亚波长光栅的光学为位移传感器，其特征在于所述的第一亚波长光栅层或第二亚波长光栅层的周期为0.3～2微米，厚度为0.5～3微米，第一亚波长光栅层与第二亚波长光栅层之间的空气间隙为0.05～1微米。所述的第一亚波长光栅层与第二亚波长光栅层形成谐振腔。所述的第一亚波长光栅层与第二亚波长光栅层之间的空气间隙通过压电陶瓷控制。所述的压电陶瓷推动第一玻璃基底轴向平移距离为0～5微米。

本发明利用两组亚波长光栅之间的相互运动，来对反射光进行调制，通过对反射光强度的探测，得到亚波长光栅的运动位移。通过此方法，可以精确的测量物体的位移。同时，将光源，探测器，以及压电陶瓷等集成在一起，可以大大缩小系统的体积。根据此特点，可以在位移测量的小型化，高精度方面有着突破性的进展。

本发明结构紧凑、体积小、质量轻；探测信号信噪比高，能够精确反映位移变化；具有调节能力，系统灵活；测量精度高，突破了现有位移传感器的探测精度。

附图说明

图1是基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器的系统结构示意图；

图2是基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器的系统结构分解图；

图3是基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器的系统剖面图；

图4是两组亚波长光栅的细节放大图；

图5是两组亚波长光栅形成谐振的原理图；

图6是反射光随两组亚波长光栅之间相对位移变化的光强曲线图。

具体实施方式

如附图所示，基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器包括基板1、第一光电探测器2、第一聚焦透镜组3、分光棱镜4、带有准直扩束透镜组的激光光源5、T字型玻璃基板6、第一圆孔7、第二聚焦透镜组8、第二光电探测器9、光电探测器固定底座10、压电陶瓷11、第二圆孔12、第一玻璃基板13、第一亚波长光栅层14、第二亚波长光栅层15、第二玻璃基板16；T字型玻璃基板6的一侧设有基板1、第一光电探测器2、第一聚焦透镜组3，第一光电探测器2、第一聚焦透镜组3经过组合后固定在基板1上，T字型玻璃基板6上的一侧从下到上依次设有带有准直扩束透镜组的激光光源5、分光棱镜4、第二聚焦透镜组8、第二光电探测器9、光电探测器固定底座10，第二聚焦透镜组8与第二光电探测器9组合后固定在光电探测器固定底座10上，T字型玻璃基板6内设有第一圆孔7，T字型玻璃基板6上的另一侧从左至右依次设有压电陶瓷11、第二圆孔12、第一玻璃基板13、第一亚波长光栅层14，压电陶瓷11内设有第二圆孔12，第一亚波长光栅层14的右侧有第二亚波长光栅层15、第二玻璃基板16，第二亚波长光栅层15设在第二玻璃基板16左侧；光从带有准直扩束透镜组的激光光源5发出，通过分光棱镜4产生两路激光，一路激光通过第一聚焦透镜组3，照射到第二光电探测器9上，另一路激光通过分光棱镜4，第一圆孔7、第二圆孔12、至第一玻璃基底13、第一亚波长光栅层14、第二亚波长光栅层15、第二玻璃基板16；在第一亚波长光栅层14上产生的反射光通过第二圆孔12、第一圆孔7、分光棱镜4、第一聚焦透镜组3、由第一光电探测器2接收。

当光栅的周期小于或等于入射光的波长时，称这类光栅为亚波长光栅。当两个亚波长光栅垂直平行排列并且二者间距很小时，偏振光会在两个亚波长光栅之间产生谐振。当两个亚波长水平方向发生相对位移时，谐振场会发生相应的变化，从而导致反射光发生剧烈变化。通过此原理，可以利用此光栅作为高精度的位移传感器。同时，为了将系统小型化，我们通过集成的方式，将光源、探测器、分光镜、压电陶瓷以及一块亚波长光栅集成到一个玻璃基板上，这样大大缩小了系统的体积。另外一块亚波长光栅镀在玻璃基板的表面，并通过玻璃基板固定在待测物体的表面。为了确定两组亚波长光栅之间的空气间隙大小，我们通过固定在T字型基板另一侧的压电陶瓷来推动其上的亚波长光栅。为了精确探测反射光的强度，我们采用两个光电探测器，一个用来探测反射光的强度，另外一个用来探测激光光强，通过将两个光电探测器得到的信号进行差分运算，可以提高系统的信噪比，降低误差。通过本发明，可以实现对位移信号进行高精度的探测，同时，采用集成光学的手法，可以减小系统的体积。并利用对信号的差分处理的手法，有效的提高了系统的信噪比。总之，在高精度位移传感器领域，有着很大的推动。在位移，距离，厚度等测量方面，有着广泛的运用。

基于两组亚波长光栅的位移传感器制作方法包括以下步骤：

1.将一块T字型玻璃基底的直边打上一个直径为1厘米的圆孔，再其上依次固定波长为805纳米并带有准直镜和偏振镜的激光器、分光棱镜以及第一光电倍增管底座，并将激光器，分光棱镜和光电倍增管底座对齐。其次，将另一基板固定在T字型玻璃基底的侧面，在其上固定第二光电倍增管的底座，并将第二光电倍增管的底座与分光棱镜对齐。

2.在第一光电倍增管底座及第二光电倍增管底座各安装上一组探测峰值为805纳米的光电倍增管，并在其前各安装上一组焦距为1厘米的聚焦透镜组。

3.在T字型玻璃基底另一侧用固化胶固定上一个厚度为1.5厘米，直径为1厘米，并且能够轴向伸缩的压电陶瓷，压电陶瓷的中心有一通孔，直径为2厘米。并将通孔中心与T字型玻璃基底上的圆孔中心对齐。

4.取一块平板玻璃基底(例如K9玻璃)表面清洁，并在其上用高温蒸镀的方法镀上一层多晶硅薄膜，薄膜厚度为400纳米。接着，利用离子束曝光，湿法刻蚀的方法，制作一个个周期为800纳米的光栅掩膜。利用此掩膜，再通过离子束刻蚀的方法，将玻璃基底表面的多晶硅薄膜加工成周期为800纳米，线条宽度为400纳米，厚度为400纳米的亚波长光栅。依照同样的方法，再制作一块相同的表面有亚波长光栅的玻璃基底。

5.将其中一块玻璃基底利用固化胶固定在压电陶瓷的另一端，二者中心重合。

当系统要对物体的位移进行微测量时，首相将一块分离的玻璃基底的光洁层固定在物体的表面。然后将，另一块固定在压电陶瓷表面的亚波长光栅粗调至第一块亚波长光栅的附近，保证两块光栅相互平行，且中间具有一定的空气间隙。然后，利用给压电陶瓷施加电压，利用其轴向的运动来精确控制二者之间的空气间隙，可以通过位移测定器来测定二个光栅之间的空气距离。当两者之间的距离为300至500纳米之间时，固定压电陶瓷，启动激光器，光电倍增管。当被测物体发生水平移动时，通过对两个光电倍增管得到的信号进行差分，可以得到反射光的强度，并通过理论计算，可以得到最终的位移大小。

Claims

1.一种基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器，其特征在于包括基板(1)、第一光电探测器(2)、第一聚焦透镜组(3)、分光棱镜(4)、带有准直扩束透镜组的激光光源(5)、T字型玻璃基板(6)、第一圆孔(7)、第二聚焦透镜组(8)、第二光电探测器(9)、光电探测器固定底座(10)、压电陶瓷(11)、第二圆孔(12)、第一玻璃基板(13)、第一亚波长光栅层(14)、第二亚波长光栅层(15)、第二玻璃基板(16)；T字型玻璃基板(6)的一侧设有基板(1)、第一光电探测器(2)、第一聚焦透镜组(3)，第一光电探测器(2)、第一聚焦透镜组(3)经过组合后固定在基板(1)上，T字型玻璃基板(6)上的一侧从下到上依次设有带有准直扩束透镜组的激光光源(5)、分光棱镜(4)、第二聚焦透镜组(8)、第二光电探测器(9)、光电探测器固定底座(10)，第二聚焦透镜组(8)与第二光电探测器(9)组合后固定在光电探测器固定底座(10)上，T字型玻璃基板(6)内设有第一圆孔(7)，T字型玻璃基板(6)上的另一侧从左至右依次设有压电陶瓷(11)、第二圆孔(12)、第一玻璃基板(13)、第一亚波长光栅层(14)，压电陶瓷(11)内设有第二圆孔(12)，第一亚波长光栅层(14)的右侧有第二亚波长光栅层(15)、第二玻璃基板(16)，第二亚波长光栅层(15)设在第二玻璃基板(16)左侧；光从带有准直扩束透镜组的激光光源(5)发出，通过分光棱镜(4)产生两路激光，一路激光通过第二聚焦透镜组(8)，照射到第二光电探测器(9)上，另一路激光通过分光棱镜(4)，第一圆孔(7)、第二圆孔(12)、至第一玻璃基板(13)、第一亚波长光栅层(14)、第二亚波长光栅层(15)、第二玻璃基板(16)；在第一亚波长光栅层(14)上产生的反射光通过第二圆孔(12)、第一圆孔(7)、分光棱镜(4)、第一聚焦透镜组(3)、由第一光电探测器(2)接收；所述的第一亚波长光栅层(14)与第二亚波长光栅层(15)形成谐振腔。

2.如权利要求1所述的一种基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器，其特征在于所述的第一亚波长光栅层(14)或第二亚波长光栅层(15)的周期为0.3～2微米，厚度为0.5～3微米，第一亚波长光栅层(14)与第二亚波长光栅层(15)之间的空气间隙为0.05～1微米。

3.如权利要求1所述的一种基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器，其特征在于所述的第一亚波长光栅层(14)与第二亚波长光栅层(15)之间的空气间隙通过压电陶瓷(11)控制。

4.如权利要求1所述的一种基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器，其特征在于所述的压电陶瓷(11)推动第一玻璃基板(13)轴向平移距离为0～5微米。