CN1070152C - 大量程纳米级光栅位移传感器 - Google Patents

大量程纳米级光栅位移传感器 Download PDF

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CN1070152C
CN1070152C CN 00114793 CN00114793A CN1070152C CN 1070152 C CN1070152 C CN 1070152C CN 00114793 CN00114793 CN 00114793 CN 00114793 A CN00114793 A CN 00114793A CN 1070152 C CN1070152 C CN 1070152C
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吕海宝
李圣怡
曹聚亮
戴一帆
苏绍璟
杨华勇
颜树华
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Abstract

一种大量程纳米级光栅位移传感器。本发明涉及一种大量程光栅式精密位移测量技术。该光栅位移传感器的光路部分由激光器、半透半反分光镜、全反镜、光栅、光阑和显微镜头组成。该传感器采用一个低线数长光栅，通过改进光路设计，获得了高倍数光学细分，在配以高倍数电子细分技术后，可实现纳米级分辨率测量的目的。该传感器可以广泛应用于国防、军事工业中的精密位移测量、角度测量和位移量同步比较测量等领域，对提高我国精密机械加工中的检测水平具有重大意义。

Description

大量程纳米级光栅位移传感器
本发明涉及一种大量程光栅式精密位移测量技术。
现代科学技术尤其是现代武器制造技术的发展，对测量和定位提出了越来越高的要求。例如在微电子行业、超精密加工行业，已经要求定位对准或位移测量的分辨率达到纳米量级，而定位或测量的范围达到100～300mm，定位或测量的分辨率越来越小而范围越来越大，这构成了尖锐的矛盾。目前解决这个矛盾的方法主要有两种，一是用激光干涉仪，但当测量分辨率达到纳米量级时，激光干涉仪由于空气的流动、扰动和折射率的影响，常常测不准，稳定性和重复性都很差；二是用光栅位移传感器，它具有精度高、抗干扰能力强、可实现动态测量和较高的测量速度等特点。如德国Heidenhain公司生产的LIP382光栅位移测量系统，它采用了高线数光栅(1000～2000l/mm)，经过1到4倍光学细分，再配以100～1000倍的电子细分，从而使最终分辨率达到1nm。但它仍存在如下难以克服的缺点，一是高精度、高线数、大尺寸的光栅刻制极其困难，体现在测长上就是测量分辨率与量程的矛盾；二是测量精度受加工工艺的影响很大；三是造价昂贵。为克服测量分辨率与量程的矛盾，美国学者D.Post于1971年提出了用非对称双级闪耀参考光栅实现莫尔条纹倍增的思想，该方法的灵敏度与细光栅的栅距成反比，而量程由粗光栅的长度决定，较好地解决了高线数光栅不能做得太长所带来的问题，但在非对称双光栅位移测量中使用高线数的锯齿型闪耀光栅，由于其衍射效率较低、光路调整困难、条纹对比度差等原因造成了使用效果的不理想。
为解决上述问题，本发明提供了一种用于大量程、高分辨率位移测量的光栅位移传感器，它能实现300mm的量程，0.625μm的光学位移分辨率。
本发明是通过如下方式实现的：该光栅位移传感器包括光路和电路两部分，光路部分由激光器、半透半反分光镜、全反镜、光栅、光阑和显微镜头组成，光栅固定在被测物体上，可随被测物体在垂直于光栅法线的方向上移动，激光器、半透半反分光镜、全反镜、光阑和显微镜头安装在固定于地面的机座上；激光器、半透半反分光镜和全反镜位于光栅的左侧，光阑和显微镜头位于光栅的右侧，激光器的轴线与半透半反分光镜和全反镜的光心在同一条直线上，且该直线与光栅的轴线平行。电路部分由光电转换器和信号调理电路组成。
本发明的大量程纳米级光栅位移传感器具有如下的积极效果：
1、测量精度高，可实现0.625μm的光学位移分辨率，配以成熟的电子细分和计数电路后位移分辨率可达1nm。
2、测量量程大，可实现的最大量程为300mm。
3、采用制造相对容易的低线数长光栅和简捷的光路设计，大大降低了制造成本，具有很高的性能价格比。
附图：1．单光栅法测量原理光路图
      2．大量程纳米级光栅位移传感器结构示意图
现结合附图对本发明进行详细说明：参照图1，图中G为每毫米50线的计量光栅、B为半透半反镜，L为薄的凸透镜，M为接收屏。当P光束、Q光束射过光栅G时，分别分散成多束光，P光出射形成标记为(P,0)、(P,-1)、(P,-2)、(P,-3)等编号的衍射序列；Q光出射形成标记为(Q,0)、(Q,1)、(Q,2)、(Q,3)等编号的衍射序列。调整激光入射角i为适当值，可以使光束P和Q经光栅G衍射后形成的衍射光束两两平行。相互平行的两束光经薄透镜L会聚于光屏M上的一点，在光屏M上形成干涉条纹，且对于不同的光束会聚于不同的点。实验发现，当光栅在垂直于光轴的方向上发生位移时，条纹就会发生明暗变化，而且光栅每移过位移1μm，条纹就会明暗变化n次，即实现了n倍的光学细分。条纹信号由光电探测器接收后再经过进一步的电子细分和计数电路后即可得到光栅的位移量。
根据上述本发明的单光栅法测量原理，参照图2，该大量程纳米级光栅位移传感器包括光路和电路两部分，光路部分由激光器1、半透半反分光镜2、全反镜3、光栅4、光阑6和显微镜头7组成，光栅4固定在被测物体5上，可随被测物体5在垂直于光栅4法线的方向上移动，激光器1、半透半反分光镜2、全反镜3、光阑6和显微镜头7安装在固定于地面的机座上；电路部分由光电转换器8和信号调理电路9组成。激光器1发出的光经半透半反分光镜2后分光成两束，一束经半透半反分光镜2反射后射到光栅4上即光束P，另一束经半透半反分光镜2透射再经全反镜3反射后射到光栅4上即光束Q。当两束光P,Q以相同角度入射光栅4时，经光栅4分别发生衍射。调整半透半反分光镜2和全反镜3的角度，使射入光栅4的两束光经光栅4后形成的衍射光两两重合，则在光电转换器8上就可以看到在每两束衍射光重合的位置有干涉条纹存在，当光栅4在垂直于光栅4法线的方向上有位移时，条纹将发生移动。选择一组强度和对比度最优的信号，使其通过光阑6，而其它光则被挡掉，在此，光阑6起到遮挡无用光的作用。这一组条纹信号再经过一个显微镜头7，使条纹放大后，由光电转换器8接收。光电转换器8将接收到的光信号转换成电信号并送信号调理电路9处理，然后由信号调理电路9输出两路正交信号10、11完成测量。
在本发明的光栅位移传感器中，入射角是可变的，随着入射角的变化，光学细分倍数也在改变。下表显示的是使用每毫米50线计量光栅时，不同的P、Q光入射角所对应的衍射级次和光学细分倍数。
从下表可以看出，随着入射角的增加，衍射级次呈量化增加，相应的光学细分倍数也量化增加。在满足光电转换器件所需最小光强和信噪比的条件下，应尽可能利用高级次的衍射光。考虑衍射角增加的极限情况，如表中所示，当衍射级次达到32级时，对应的衍射角将大于90°，这是不可实现的。衍射级次为31级时，衍射角约为79°，对应的细分倍数为62，则测量灵敏度约为0.3226μm，即光栅每移动0.3226μm，条纹移动一个。在目前条件下，增加入射角到30°左右时，条纹清晰可见，对比度良好，且可经光电转换器件接收。这时细分倍数为32，灵敏度为0.625μm。
入射角度 1.813  3.628  5.447  7.271  9.102  10.943  12.796  14.662
弧度 0.0316  0.0633  0.0951  0.1269  0.1589  0.1910  0.2233  0.2559
衍射级次     1     2     3     4     5     6     7     8
细分倍数     2     4     6     8     10     12     14     16
入射角度 16.545  18.445  20.368  22.314  24.288  26.293  28.333  30.414
弧度 0.2888  0.3219  0.3555  0.3895  0.4239  0.4589  0.4945  0.5308
衍射级次     9     10     11     12     13     14     15     16
细分倍数     18     20     22     24     26     28     30     32
入射角度 32.539  34.717  36.953  39.257  49.408  62.365  78.766 不存在
弧度 0.5679  0.6059  0.6450  0.6852  0.8623  1.0885  1.3747 不存在
衍射级次     17     18     19     20     24     28     31     32
细分倍数     34     36     38     40     48     56     62     64
实施例：该大量程纳米级光栅位移传感器中的激光器1为He-Ne激光器，单模，非偏振，波长为6328，功率3mW左右；半透半反分光镜2针对波长为6328的光束45°角入射光镀膜，使其透反比为1∶1，全反镜3，也是对波长为6328的光束45°角入射光镀膜；光栅4为50l/mm的黑白光栅，栅距20μm，长度450mm；光电转换器8型号为2CU30/A；光路为透射式紧凑型结构，光的入射角为30.414°。此传感器实现了300mm的量程、0.625μm的光学位移分辨率。将此传感器与具有500-1000倍电子细分的光栅数显仪、光栅数显卡一起使用，便可完成大量程纳米级分辨率的位移测量。

Claims (1)

1、一种大量程纳米级光栅位移传感器，包括光路和电路两部分，电路部分由光电转换器(8)和信号调理电路(9)组成，其特征在于：光路部分由激光器(1)、半透半反分光镜(2)、全反镜(3)、光栅(4)、光阑(6)和显微镜头(7)组成，光栅(4)固定在被测物体(5)上，可随被测物体(5)在垂直于光栅(4)法线的方向上移动，激光器(1)、半透半反分光镜(2)、全反镜(3)、光阑(6)和显微镜头(7)安装在固定于地面的机座上；激光器(1)、半透半反分光镜(2)和全反镜(3)位于光栅(4)的左侧，激光器(1)的轴线与半透半反分光镜(2)和全反镜(3)的光心在同一条直线上，且该直线与光栅(4)的轴线平行，光阑(6)和显微镜头(7)依次位于光栅(4)的右侧，其后依次接光电转换器(8)和信号调理电路(9)。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1333230C (zh) * 2005-01-26 2007-08-22 清华大学 激光回馈纳米位移测量装置
CN100342211C (zh) * 2005-08-26 2007-10-10 哈尔滨工业大学 双光栅位移传感器计数方式的位置检测装置及其检测方法
CN101118314B (zh) * 2007-07-31 2010-08-11 北京汇冠新技术股份有限公司 一种使用mems微镜检测触摸物坐标的光路系统

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