CN107421464B - 用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，它包括激光器、反射型柱面全息位相光栅、对称设置的两个平面反射镜、线密度为反射型柱面全息位相光栅线密度的两倍的参考平面光栅、对称设置的两个光电探测器、分别与两个光电探测器相连接的两个信号处理装置、一端与反射型柱面全息位相光栅相连接的测量杠杆、与测量杠杆的另一端相连接且与待测工件的表面相接触的触针；反射型柱面全息位相光栅并产生衍射角为θ的±1级衍射光，经过两个平面反射镜反射后入射至参考平面光栅上的同一光栅区域并分别在±θ角方向产生两组不同级次的衍射光的干涉条纹，分别由两个光电探测器接收并转换为电信号发送至信号处理装置进行处理。

Description

用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器

技术领域

本发明涉及一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器。

背景技术

在表面粗糙度测量中，触针法(又称泰勒法)作为一种常用的接触式测量方法，是国际上公认的二维表面形貌测量的标准方法。触针法中采用的位移转换装置有电感式、光栅干涉式、迈克耳逊干涉式、扫描白光干涉式等。其中基于光栅衍射干涉原理的光栅干涉式位移测量系统能同时获得大量程和高分辨率，其测量标准具为光栅的栅距，不易受外在环境如温度、气压和空气湿度影响，因此光栅干涉式位移测量系统是一种非常有前景的表面形貌测量方法。目前用于表面形貌测量的光栅干涉式位移位移传感器一般分单光栅位移位移传感器(如附图1所示的单柱面光栅位移传感器)和双光栅位移位移传感器(如附图2所示的双平面光栅位移传感器)。

单光栅测量结构一般利用其±m级衍射光的干涉条纹信号记录位移信息，当光栅运动一个栅距，干涉信号变化2m个周期。1994年英国Taylor Hobson公司研制了FormTalysurf装置，几乎同时国内华中科技大学也研制了用于形貌测量的CARS系统。它们均采取以柱面光栅为核心的单光栅测量方式，利用±1级衍射光的干涉信号记录位移信息，实现了干涉信号的2倍光学细分。这种装置采用严格对称的光路结构，防止了光源漂移、外界环境扰动等对测量信号的影响，但是由于装置中要采用若干分光棱镜、分光片进行分光，增大了位移传感器的尺寸和重量，也不利于仪器的调整。

双光栅位移测量原理有两类，一类是对于线密度较小(<100lp/mm)的黑白幅值双光栅系统，其采用莫尔条纹的遮光效应实现位移信息和光电信息的转换，另一类对于线密度较大(>几百线)的高精度的双位相光栅系统，其产生的干涉条纹需要应用光栅的衍射、干涉原理进行分析。2008年华中科技大学王生怀、杨旭东、谢铁邦等人发表的论文中提到了一种利用两个平行放置的直线光栅结构经过两次衍射并在特定方向形成干涉条纹的双光栅位移位移传感器。这种装置采用直线光栅代替柱面光栅，但是在机械结构上附加了一个轴承结构或不计重量的平行弹簧结构，使机械结构复杂，增加了元件个数及自由度。另外采用该结构由于两光栅距离较近，衍射光束中除了±1级衍射光外还可能存在其他高级次衍射光发生干涉而产生高级谐波分量可能为光电探测器接收，从而降低了信号质量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，以克服单柱面光栅干涉位移传感器光路复杂、结构庞大、光学分辨率不够高以及双平面光栅机械结构复杂、干涉条纹由于存在其他高级次衍射光干涉使信号质量降低的缺点，并具有光学分辨率高、机械结构简单、体积小、干涉信号质量高的特点。

为了达到上述目的，本发明提供了一种技术方案：一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，它包括激光器、偏振及准直装置、反射型柱面全息位相光栅、对称设置的两个平面反射镜、线密度为反射型柱面全息位相光栅线密度的两倍的参考平面光栅、对称设置的两个光电探测器、分别与两个光电探测器相连接的两个信号处理装置、一端与反射型柱面全息位相光栅相连接的测量杠杆、与测量杠杆的另一端相连接且与待测工件的表面可滑动地相接触的触针；激光器发出的光束先经过偏振及准直装置转变为平面光波，再入射至反射型柱面全息位相光栅并产生衍射角为θ的±1级衍射光，±1级衍射光分别经过两个平面反射镜反射后入射至参考平面光栅上的同一光栅区域并分别在参考平面光栅的±θ角(该±θ角为衍射角)方向产生两组不同级次的衍射光的干涉条纹，两组干涉条纹分别由两个光电探测器接收并转换为电信号发送至信号处理装置进行处理。

进一步地，入射至反射型柱面全息位相光栅上的光束为线偏振平行光束。

更进一步地，线偏振平行光束位于反射型柱面全息位相光栅的子午面内并与反射型柱面全息位相光栅的弧矢面有一夹角该夹角的大小为：

其中D为线偏振平行光束的直径，l为光束出射点到反射型柱面全息位相光栅端面之间的距离。由于该微小夹角的存在，入射光的0级反射衍射光将不在沿入射光线方向返回到激光器中，可保证激光器性能的稳定性，保证激光输出功率以及频率的稳定性，提高测量精度。

进一步地，通过在反射型柱面全息位相光栅的制作工艺中调整光栅槽形参数，以使衍射光能量尽可能多地平均分布在±1级衍射光上。

进一步地，θ既是反射型柱面全息位相光栅的衍射角也是参考平面光栅的入射角和±1级透射衍射角。

进一步地，激光器的光波长λ与反射型柱面全息位相光栅衍射角θ以及反射型柱面全息位相光栅的栅距d₁之间的关系为：

d₁sinθ＝λ (2)。

进一步地，参考平面光栅为平面透射式位相光栅，其栅距d₂与反射型柱面全息位相光栅的栅距d₁之间的关系为：

d₁＝2d₂ (3)。

进一步地，参考平面光栅产生的A₀级次衍射光与B_-1级次衍射光发生干涉而产生一组干涉条纹，B₀级次衍射光与A_-1级次衍射光发生干涉而产生另一组干涉条纹。这里的A₀级次衍射光是指A光束的0级衍射光，A_-1级次衍射光是指A光束的-1级衍射光，B₀级次衍射光是指B光束的0级衍射光，B_-1级次衍射光是指B光束的-1级衍射光。

更进一步地，参考平面光栅为平面透射式位相光栅，光束以入射角入射至参考平面光栅，其透射光一般仅有两个衍射级(0级和-1级)，入射光能量大部分被透射，通过对参考平面光栅的槽形参数进行优化，透射衍射0级和-1级的衍射效率可以获得近似1:1的分配，有利于提高干涉条纹的对比度，从而提高测量信号的信噪比，提高测量精度。

更进一步地，调整参考平面光栅，使之绕z轴转动角度α，使发生干涉的两支干涉光也产生α夹角，则干涉条纹的间距e为：

干涉条纹对比度γ为：

其中I₁和I₂分别为两只干涉光的光强，

z轴垂直于反射型柱面全息位相光栅的子午面。

进一步地，光电探测器放置在与参考平面光栅的法线夹角为±θ方向处，光电探测器的光敏面垂直该方向，且光电探测器的光敏面尺寸与干涉条纹间距相当，更有利于光电探测器对干涉条纹的接收。

进一步地，待测工件在水平移动过程中轮廓起伏变化带动触针起伏运动，经测量杠杆带动反射型柱面全息位相光栅转动，使干涉条纹也随之变化，所产生的干涉条纹的计数变化，由信号处理装置读出。

进一步地，两个平面反射镜和两个光电探测器均关于参考平面光栅的法线对称设置。

进一步地，激光器为半导体激光器。

通过采用上述技术方案，本发明用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，采用高线密度平面位相光栅代替传统表面形貌位移传感器的复杂、大体积的分光棱镜，由柱面位相反射光栅和平面位相光栅共同构成表面轮廓仪的位移传感器，其测量方法基于双光栅衍射干涉原理，具有光学分辨率高、机械结构简单、体积小、干涉信号质量高的特点。在同样的线密度下，本发明的光学分辨率比采用基于单柱面光栅的严格对称光路位移传感器提高了一倍；且与采用双直线光栅的测量系统相比，本发明结构简单，无高级次衍射光干扰，信号质量好，信噪比高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

附图1为本发明背景技术中单柱面光栅位移传感器的结构示意图；

附图2为本发明背景技术中双平面光栅位移传感器的结构示意图；

附图3为本发明用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器的结构示意图；

附图4a和附图4b为本发明用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器中入射光方向与反射型柱面全息位相光栅的相对空间位置关系示意图；

附图5a和附图5b为本发明用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器中反射型柱面全息位相光栅分别在xoy面内和yoz面内的投影示意图，其中xoy面为平行于反射型柱面全息位相光栅的子午面的平面，yoz面为平行于反射型柱面全息位相光栅的弧矢面的平面；

附图6a和附图6b为本发明用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器中参考平面光栅分别在xoy面内和yoz面内的投影示意图，设反射型柱面全息位相光栅的线密度为f，则参考平面光栅的线密度为2f；

附图7为本发明用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器中两支干涉光(B₀和A-₁)或(A₀和B_-1)形成的干涉条纹示意图。

图中标号为：

101、待测工件；102、测量杠杆；103、激光器；104、柱面全息光栅；105、反射镜；106、分光棱镜；107、放大器；108、光电探测器；109、触针；

201、待测工件；202、测量杠杆；203、激光器；204、平行弹簧；205、主光栅(平面光栅)；206、指示光栅(平面光栅)；207、光电探测器；208、触针；

1、光束准直器；2、线偏振片；3、反射型柱面全息位相光栅；4、测量杠杆；5、触针；6、待测工件；7、平面反射镜；8、参考平面光栅；9、光电探测器；10、信号处理装置；11、激光器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参照附图1至附图7，本实施例中的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，它包括激光器11、偏振2及准直装置1、反射型柱面全息位相光栅3、对称设置的两个平面反射镜7、线密度为反射型柱面全息位相光栅3线密度的两倍的参考平面光栅8、对称设置的两个光电探测器9、分别与两个光电探测器9相连接的两个信号处理装置10、一端与反射型柱面全息位相光栅3相连接的测量杠杆4、与测量杠杆4的另一端相连接且与待测工件6的表面可滑动地相接触的触针5。

本实施例中的激光器11为半导体激光器11；偏振及准直装置包括光束准直器1和线偏振片2；两个平面反射镜7和两个光电探测器9均关于参考平面光栅8的法线对称设置，且平面反射镜7平行于参考平面光栅8的法线，光电探测器9放置在与参考平面光栅8的法线夹角为±θ方向处，光电探测器9的光敏面垂直该方向，且光电探测器9的光敏面尺寸与干涉条纹间距相当，更有利于光电探测器9对干涉条纹的接收。上述的θ(下文中也会对其进一步描述)既是反射型柱面全息位相光栅3的衍射角也是参考平面光栅8的入射角和±1级透射衍射角。

本用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器的工作原理为：激光器11发出的光束先经过偏振及准直装置转变为平面光波，再入射至反射型柱面全息位相光栅3并产生衍射角为θ的±1级衍射光，±1级衍射光分别经过两个平面反射镜7反射后入射至参考平面光栅8上的同一光栅区域并分别在参考平面光栅8的±θ角(该±θ角为衍射角)方向产生两组不同级次的衍射光的干涉条纹，两组干涉条纹分别由两个光电探测器9接收并转换为电信号发送至信号处理装置10进行处理。待测工件6在水平移动过程中轮廓起伏变化带动触针5起伏运动，经测量杠杆4带动反射型柱面全息位相光栅3转动，使干涉条纹也随之变化，所产生的干涉条纹的计数变化，由信号处理装置10读出，通过对干涉条纹的计数可以获得待测工件6轮廓起伏变化量，从而实现三维形貌的位移测量。

在一种更为优选的实施方案中，通过在反射型柱面全息位相光栅3的制作工艺中调整光栅槽形参数，以使衍射光能量尽可能多地平均分布在±1级衍射光上。

在一种更为优选的实施方案中，入射至反射型柱面全息位相光栅3上的光束为线偏振平行光束，如附图4a和附图4b，该线偏振平行光束位于反射型柱面全息位相光栅3的子午面内并与反射型柱面全息位相光栅3的弧矢面有一夹角该夹角的大小为：

其中D为线偏振平行光束的直径，l为光束出射点到反射型柱面全息位相光栅3端面之间的距离。由于该微小夹角的存在，入射光的0级反射衍射光将不在沿入射光线方向返回到激光器11中，可保证激光器11性能的稳定性，保证激光输出功率以及频率的稳定性，提高测量精度。

激光器11的光波长λ与反射型柱面全息位相光栅3衍射角θ以及反射型柱面全息位相光栅3的栅距d₁之间的关系为：

d₁sinθ＝λ (2)。

参考平面光栅8为平面透射式位相光栅，其栅距d₂与反射型柱面全息位相光栅3的栅距d₁之间的关系为：

d₁＝2d₂ (3)。

在一种更为优选的实施方案中，参考平面光栅8所产生的A₀级次衍射光与B_-1级次衍射光发生干涉而产生一组干涉条纹，B₀级次衍射光与A_-1级次衍射光发生干涉而产生另一组干涉条纹。这里的A₀级次衍射光是指A光束的0级衍射光，A_-1级次衍射光是指A光束的-1级衍射光，B₀级次衍射光是指B光束的0级衍射光，B_-1级次衍射光是指B光束的-1级衍射光。

更进一步地，参考平面光栅8为平面透射式位相光栅，光束以入射角入射至参考平面光栅8，其透射光一般仅有两个衍射级(0级和-1级)，入射光能量大部分被透射，通过对参考平面光栅8的槽形参数进行优化，使透射衍射0级和-1级的衍射效率可以获得近似1:1的分配，有利于提高干涉条纹的对比度，从而提高测量信号的信噪比，提高测量精度。

在一种更为优选的实施方案中，调整参考平面光栅8，使之绕z轴转动角度α，使发生干涉的两支干涉光也产生α夹角，则干涉条纹的间距e(附图7中所示)为：

干涉条纹对比度γ为：

其中I₁和I₂分别为两只干涉光的光强，

z轴垂直于反射型柱面全息位相光栅3的子午面。

本实施例中，激光器11选用波长为650nm的半导体激光器，调节准直系统，使出射光近似为平行光；旋转线偏振片2，使出射光为TE光(即线偏振光的偏振方向与反射型柱面全息位相光栅3的栅线方向平行)；直径2mm的入射光束，如出射点到反射型柱面全息位相光栅3端面之间的距离为20mm，调整激光器的俯仰，根据公式(1)，使出射的平行光与柱面标尺光栅的弧矢面的夹角略大于2.86°，由此可确保入射光的0级反射衍射光不会返回至激光器中；反射型柱面全息位相光栅(标尺光栅)3的线密度为1200lp/mm，光栅材料为铝，根据公式(2)，±1级的衍射角大小为51.2°；选取光栅微结构形式为矩形，槽深0.24±0.03um、占宽比45％±5％，±1级衍射光效率可达40％～45％。根据公式(3)，参考平面光栅8(平面透射式位相光栅)的线密度为2400lp/mm，入射到其上的光束入射角为51.2°，相应只有0级、-1级透射衍射光，衍射角分别为±51.2°；选取光栅微结构形式为矩形，槽深0.43±0.02um、占宽比45±5％，0级、-1级透射衍射光的效率均在45％±5％范围内，两支干涉光束的光强比为4:5，根据公式(5)，干涉条纹对比度99％，具有非常好的信噪比。如光电探测器的光敏面尺寸为1mm，则干涉条纹间距与之匹配，亦为1mm；根据公式(4)，参考平面光栅8绕z轴的转动角度α为1.12°。

本用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，采用高线密度平面位相光栅代替传统表面形貌位移传感器的复杂、大体积的分光棱镜，由柱面位相反射光栅和平面位相光栅共同构成表面轮廓仪的位移传感器，其测量方法基于双光栅衍射干涉原理，具有光学分辨率高、机械结构简单、体积小、干涉信号质量高的特点。在同样的线密度下，本发明的光学分辨率比采用基于单柱面光栅的严格对称光路位移传感器提高了一倍；且与采用双直线光栅的测量系统相比，本发明结构简单，无高级次衍射光干扰，信号质量好，信噪比高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：它包括激光器、偏振及准直装置、反射型柱面全息位相光栅、对称设置的两个平面反射镜、线密度为所述反射型柱面全息位相光栅线密度的两倍的参考平面光栅、对称设置的两个光电探测器、分别与两个光电探测器相连接的两个信号处理装置、一端与所述反射型柱面全息位相光栅相连接的测量杠杆、与所述测量杠杆的另一端相连接且与待测工件的表面可滑动地相接触的触针；所述的激光器发出的光束先经过所述偏振及准直装置转变为平面光波，再入射至所述反射型柱面全息位相光栅并产生衍射角为θ的±1级衍射光，所述的±1级衍射光分别经过所述两个平面反射镜反射后入射至所述参考平面光栅上的同一光栅区域并分别在所述参考平面光栅的±θ角方向产生两组不同级次的衍射光的干涉条纹，两组所述的干涉条纹分别由所述两个光电探测器接收并转换为电信号发送至所述信号处理装置进行处理；

所述的激光器的光波长λ与所述反射型柱面全息位相光栅衍射角θ以及所述反射型柱面全息位相光栅的栅距d₁之间的关系为：

d1sinθ＝λ(1)。

2.根据权利要求1所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：入射至所述的反射型柱面全息位相光栅上的光束为线偏振平行光束。

3.根据权利要求2所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：所述的线偏振平行光束位于所述反射型柱面全息位相光栅的子午面内并与所述反射型柱面全息位相光栅的弧矢面有一夹角该夹角的大小为：

其中D为所述线偏振平行光束的直径，l为光束出射点到所述反射型柱面全息位相光栅端面之间的距离。

4.根据权利要求1所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：所述的参考平面光栅为平面透射式位相光栅，其栅距d₂与所述反射型柱面全息位相光栅的栅距d₁之间的关系为：

d₁＝2d₂ (3)。

5.根据权利要求1所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：所述的参考平面光栅产生的A₀级次衍射光与B_-1级次衍射光发生干涉而产生一组干涉条纹，B₀级次衍射光与A-₁级次衍射光发生干涉而产生另一组干涉条纹。

6.根据权利要求5所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：调整所述的参考平面光栅，使之绕z轴转动角度α，使发生干涉的两支干涉光也产生α夹角，则所述干涉条纹的间距e为：

所述干涉条纹对比度γ为：

其中I₁和I₂分别为两只干涉光的光强，

所述的z轴垂直于所述反射型柱面全息位相光栅的子午面。

7.根据权利要求1所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：所述的光电探测器放置在与所述参考平面光栅的法线夹角为±θ方向处，所述光电探测器的光敏面与该方向相垂直。

8.根据权利要求1所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：所述的待测工件在水平移动过程中轮廓起伏变化带动所述触针起伏运动，经所述测量杠杆带动所述反射型柱面全息位相光栅转动，使所述的干涉条纹也随之变化，所产生的干涉条纹的计数变化，由所述信号处理装置读出。

9.根据权利要求1所述的用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，其特征在于：所述的两个平面反射镜和两个光电探测器均关于所述参考平面光栅的法线对称设置。