CN109029272A - 一种双通道光栅位移测量方法 - Google Patents

一种双通道光栅位移测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109029272A
CN109029272A CN201811240765.7A CN201811240765A CN109029272A CN 109029272 A CN109029272 A CN 109029272A CN 201811240765 A CN201811240765 A CN 201811240765A CN 109029272 A CN109029272 A CN 109029272A
Authority
CN
China
Prior art keywords
grating
sub
displacement
wave length
photodetector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201811240765.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109029272B (zh
Inventor
张瑞
王雅宁
李孟委
解琨阳
王志斌
赵宏波
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
North University of China
Original Assignee
North University of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by North University of China filed Critical North University of China
Priority to CN201811240765.7A priority Critical patent/CN109029272B/zh
Publication of CN109029272A publication Critical patent/CN109029272A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109029272B publication Critical patent/CN109029272B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及高精度位移测量技术领域，更具体而言，涉及一种双通道光栅位移测量方法，通过改变传统亚波长双层光栅结构，实现两个相位相差90°的双通道光栅位移传感，结合反正切可实现大量程、全量程灵敏度一致的高精度位移测量。由于该方法可获得一个通道光强随位移为正弦三角函数、另一个通道光强光强随位移为余弦三角函数，并且光栅常数d为亚波长级别，结合高倍细分技术，可实现跟高位移灵敏度的探测。

Description

一种双通道光栅位移测量方法
技术领域
本发明涉及高精度位移测量技术领域，更具体而言，涉及一种双通道光栅位移测量方法。
背景技术
随着一些前沿科技的飞速发展，在制造、微电子、生物以及航空航天等领域，尤其是在高精度陀螺和加速度计方面，迫切需要能实现高精度、高灵敏度的位移测量系统。其中光栅检测法具有精度高、体积小、重量轻等优点，被广泛应用，光栅位移传感器主要有三大类，一类是基于双光栅的莫尔条纹检测原理，另一类是基于单光栅加反射结构的光栅衍射原理及干涉原理，单光栅结构被应用到位移传感器和加速度传感器中，主要工作原理是光垂直入射光栅，光栅的反射光的1级衍射光与光栅透射后被反射镜反射再经过光栅的1级衍射光干涉，并且干涉光的强度与光栅与反射镜的距离有关，进而测出位移，第三类是基于近场的亚波长双层光栅检测原理，第二个光栅位于第一个光栅的泰伯像区域，光强与两个光栅的相对位移有关，进而测量位移，但是该方法由于只有一路信号，无法像摩尔条纹检测那样通过细分电路实现高灵敏度位移探测，导致精度和灵敏度无法进一步提高。
发明内容
为了克服现有技术中所存在的不足，本发明提供一种双通道光栅位移测量方法，现有基于近场的亚波长双层光栅检测原理，只有单通道信号，无法像摩尔条纹检测那样通过细分电路实现高灵敏度位移探测，导致精度和灵敏度无法进一步提高。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：
一种双通道光栅位移测量方法，其特征在于：包括激光器、扩束准直器、第一亚波长光栅、第二亚波长光栅、第一光电探测器和第二光电探测器，所述激光器发出的光通过扩束准直器，入射到第一亚波长光栅，光再通过第二亚波长光栅，并由第一光电探测器和第二光电探测器探测透射光强，设置第二亚波长光栅为固定光栅，第一亚波长光栅为位移输入光栅，当第一亚波长光栅发生位移时，第一光电探测器和第二光电探测器的光强发生变化，经过结算获得位移量S。
进一步地，所述第二亚波长光栅位于第一亚波长光栅的泰伯像区域。
进一步地，所述第二亚波长光和第一亚波长光栅的距离h满足。
式中，d为光栅常数，λ为入射激光波长。
进一步地，所述第一亚波长光栅占空比为0.5。
进一步地，所述第二亚波长光栅的中间的不透光栅线区域尺寸为为式中k＝1、2、3...，d为光栅常数。
进一步地，所述第二亚波长光栅的光分成相位刚好成90°的两束光，被第一光电探测器和第二光电探测器获得的光强随位移的变化分别为正弦变化和余弦变化。
进一步地，所述被测位移S为:
式中，d为光栅常数，I5为光电探测(5)获得光强去除直流成分后随位移的变化，I6为光电探测(6)获得光强去除直流成分后随位移的变化。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本发明提供了一种双通道光栅位移测量方法，通过改变传统亚波长双层光栅结构，实现两个相位相差90°的双通道光栅位移传感，结合反正切可实现大量程、全量程灵敏度一致的高精度位移测量。由于该方法可获得一个通道光强随位移为正弦三角函数、另一个通道光强光强随位移为余弦三角函数，并且光栅常数d为亚波长级别，结合高倍细分技术，可实现跟高位移灵敏度的探测。
附图说明
图1为本发明提供的一种双通道光栅位移传感器示意图；
图2为双层光栅尺寸结构图；
图3为不同位移下两个探测器的光强；
图4为两个探测器光强及反正切强度与位移的对应关系。
图中：1为激光器、2为扩束准直器、3为第一亚波长光栅、4为第二亚波长光栅、5为第一光电探测器、6为第二光电探测器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种双通道光栅位移测量方法，其特征在于：包括激光器1、扩束准直器2、第一亚波长光栅3、第二亚波长光栅4、第一光电探测器5和第二光电探测器6，所述激光器1发出的光通过扩束准直器2，入射到第一亚波长光栅3，并在近场区域形成光栅泰伯像，光再通过位于泰伯像区域的第二亚波长光栅4，并由第一光电探测器5和第二光电探测器6探测透射光强，设置第二亚波长光栅4为固定光栅，第一亚波长光栅3为位移输入光栅，当第一亚波长光栅3发生位移时，第一光电探测器5和第二光电探测器6的光强发生变化，经过结算获得位移量S。第二亚波长光栅4位于第一亚波长光栅3的泰伯像区域。所述第二亚波长光栅4和第一亚波长光栅3的距离h满足：
式中，d为光栅常数，λ为入射激光波长。
如图2所示，双层光栅具体结构为上层为常规的光栅，下层光栅中间设有不透光栅线区域；上层光栅即第一亚波长光栅3光栅常数为d，占空比为0.5；下层光栅即第二亚波长光栅4中间不透光栅线区域尺寸为为式中k＝1、2、3...，d为光栅常数。所述第二亚波长光栅4的光分成相位刚好成90°的两束光，被第一光电探测器5和第二光电探测器6获得的光强随位移的变化分别为正弦变化和余弦变化，不同位移下具体光路及两个探测器获得光强与位移如图3和图4所示，第一光电探测器5获得光强去除直流成分后随位移的变化为：
第二光电探测器6获得光强去除直流成分后随位移的变化为：
其中，Iin为入射激光光强，T为第一亚波长光栅3的透过率，d为光栅常数，S为被测位移。
为了实现大量程的高灵敏探测，将探测器6获得的光强与探测器5获得的光强去除直流成分，相除可得被测位移S:
式中，d为光栅常数，I5为第一光电探测器5获得光强去除直流成分后随位移的变化，I6为第二光电探测器6获得光强去除直流成分后随位移的变化。
通过双通道探测器相除可消除激光光强Iin波动对测量的影响，同时被测位移S是反正切arctan的形式，可保证相同的线性灵敏度，可通过测量的量程，结合高倍细分电路可进一步提高位移探测灵敏度，进而提高综合精度和灵敏度。
实施例1：
激光器波长：λ＝0.6328μm；
亚波长光栅的光栅常数：d＝0.8μm；
占空比为：0.5；
下层亚波长光栅4的中间不透光栅线区域尺寸：；
双层光栅距离：h＝6.07μm；
高倍细分电路细分倍数：10000。
其中，亚波长光栅4位于亚波长光栅3的泰伯像区域，且为进场区域，实现高对比度的泰伯像，进而提高位移灵敏度。
第一亚波长光栅3为常规的光栅，光栅常数为d，占空比为0.5，第二亚波长光栅4的中间有不透光栅线区域为k＝1、2、3...，因此将第二亚波长光栅4的光分成相位刚好成90°的两束光，被第一光电探测器5和第二光电探测器6获得的光强随位移的变化分别为正弦变化和余弦变化，不同位移下具体光路及两个探测器获得光强与位移如图3和图4所示，第一光电探测器5获得光强去除直流成分后随位移的变化为：
第二光电探测器6获得光强去除直流成分后随位移的变化为：
其中，Iin为入射激光光强，T为上层亚波长光栅3的透过率，S为被测位移。
为了实现大量程的高灵敏探测，将第二光电探测器6获得的光强与第一光电探测器5获得的光强去除直流成分，相除可得被测位移S:
由上述推导可知，通过双通道探测器相除可消除激光光强Iin波动对测量的影响，同时被测位移S是反正切arctan的形式，可保证相同的线性灵敏度，可通过测量的量程，结合10000倍细分电路可进一步提高位移探测灵敏度，位移灵敏度为0.8μm/10000＝0.08nm。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种双通道光栅位移测量方法，其特征在于：包括激光器(1)、扩束准直器(2)、第一亚波长光栅(3)、第二亚波长光栅(4)、第一光电探测器(5)和第二光电探测器(6)，所述激光器(1)发出的光通过扩束准直器(2)，入射到第一亚波长光栅(3)，光再通过第二亚波长光栅(4)，由第一光电探测器(5)和第二光电探测器(6)探测透射光强，设置第二亚波长光栅(4)为固定光栅，第一亚波长光栅(3)为位移输入光栅，当第一亚波长光栅(3)发生位移时，第一光电探测器(5)和第二光电探测器(6)的光强发生变化，经过结算获得位移量S。
2.根据权利要求1所述的一种双通道光栅栏位移测量方法，其特征在于：所述第二亚波长光栅(4)位于第一亚波长光栅(3)的近场区域的泰伯像区域。
3.根据权利要求1所述的一种双通道光栅栏位移测量方法，其特征在于：所述第一亚波长光栅(3)占空比为0.5。
4.根据权利要求1所述的一种双通道光栅栏位移测量方法，其特征在于：所述第二亚波长光栅(4)的中间的不透光栅线区域尺寸为为式中k＝1、2、3...，d为光栅常数。
5.根据权利要求1所述的一种双通道光栅栏位移测量方法，其特征在于：所述第二亚波长光栅(4)的光分成相位成90°的两束光，被第一光电探测器(5)和第二光电探测器(6)获得的光强随位移的变化分别为正弦变化和余弦变化。
6.根据权利要求1所述的一种双通道光栅栏位移测量方法，其特征在于：所述第二亚波长光栅(4)和第一亚波长光栅(3)的之间距离为：
式中，d为光栅常数，λ为入射激光波长。
7.根据权利要求1所述的一种双通道光栅栏位移测量方法，其特征在于：所述被测位移S为:
式中，d为光栅常数，I5为光电探测(5)获得光强去除直流成分后随位移的变化，I6为光电探测(6)获得光强去除直流成分后随位移的变化。
CN201811240765.7A 2018-10-24 2018-10-24 一种双通道光栅位移测量方法 Active CN109029272B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811240765.7A CN109029272B (zh) 2018-10-24 2018-10-24 一种双通道光栅位移测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811240765.7A CN109029272B (zh) 2018-10-24 2018-10-24 一种双通道光栅位移测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109029272A true CN109029272A (zh) 2018-12-18
CN109029272B CN109029272B (zh) 2020-04-28

Family

ID=64613980

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811240765.7A Active CN109029272B (zh) 2018-10-24 2018-10-24 一种双通道光栅位移测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109029272B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110398202A (zh) * 2019-08-13 2019-11-01 华侨大学 基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法
CN111156906A (zh) * 2020-01-10 2020-05-15 中北大学 基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器
CN113819998A (zh) * 2021-09-18 2021-12-21 中北大学 一种基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器
CN114963994A (zh) * 2022-04-14 2022-08-30 西安交通大学 一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100079767A1 (en) * 2008-09-29 2010-04-01 Canon Kabushiki Kaisha Displacement measurement apparatus
CN101788267A (zh) * 2010-01-26 2010-07-28 浙江大学 基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器
CN102589447A (zh) * 2012-03-09 2012-07-18 方平 基于双通道光栅的微小线性位移传感器
CN106524921A (zh) * 2016-11-05 2017-03-22 中北大学 一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置
CN107655411A (zh) * 2017-08-24 2018-02-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长行程、高精度测量的光栅位移测量系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100079767A1 (en) * 2008-09-29 2010-04-01 Canon Kabushiki Kaisha Displacement measurement apparatus
CN101788267A (zh) * 2010-01-26 2010-07-28 浙江大学 基于两组亚波长光栅的光学微位移传感器
CN102589447A (zh) * 2012-03-09 2012-07-18 方平 基于双通道光栅的微小线性位移传感器
CN106524921A (zh) * 2016-11-05 2017-03-22 中北大学 一种高精度大量程双层纳米光栅微位移检测装置
CN107655411A (zh) * 2017-08-24 2018-02-02 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长行程、高精度测量的光栅位移测量系统

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110398202A (zh) * 2019-08-13 2019-11-01 华侨大学 基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法
CN110398202B (zh) * 2019-08-13 2024-02-02 华侨大学 基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法
CN111156906A (zh) * 2020-01-10 2020-05-15 中北大学 基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器
CN113819998A (zh) * 2021-09-18 2021-12-21 中北大学 一种基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器
CN113819998B (zh) * 2021-09-18 2024-01-16 中北大学 一种基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器
CN114963994A (zh) * 2022-04-14 2022-08-30 西安交通大学 一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法
CN114963994B (zh) * 2022-04-14 2023-05-02 西安交通大学 一种用于纳米精度位移测量的系统和光栅传感方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109029272B (zh) 2020-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109029272A (zh) 一种双通道光栅位移测量方法
CN104713473B (zh) 激光自混合光栅干涉仪及其测量方法
CN105004273B (zh) 一种激光干涉位移测量系统
US20220042792A1 (en) Five-degree-of-freedom heterodyne grating interferometry system
CN101832821B (zh) 基于合成波长的激光波长测量方法及装置
CN102003935B (zh) 一种激光跟踪仪测量中环境补偿的方法
CN102155927A (zh) 一种基于激光自准直的二维微角度测量装置
CN104457581B (zh) 一种全场z向位移测量系统
CN106802160B (zh) 一种基于叉形干涉图样的光纤光栅传感解调系统及解调方法
CN104634254A (zh) 一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统
US10831035B2 (en) Optical encoder
CN103697954A (zh) 一种微腔干涉流速压差敏感结构及微腔干涉光纤流速流量传感器
CN105352915A (zh) 一种折射率二维分布的动态测量方法
US8493569B2 (en) Optical encoder readhead configuration with phosphor layer
JPH02266224A (ja) 位置測定装置
CN102865834A (zh) 偶数窄缝式光电自准直仪
CN105588515B (zh) 一种基于纳米位移计量传感器的纳米微位移检测仪
CN101592472B (zh) 时间分辨的单光栅干涉仪
CN103472254B (zh) 基于方波电流调制和fp标准具分光的激光自混合速度测量系统及方法
CN109029273A (zh) 一种基于环形器的纳米光栅0级检测位移的测量方法
CN201637492U (zh) 一种基于合成波长的激光波长测量装置
CN106908004B (zh) 一种基于矢量光场的距离探测系统及其应用
CN213516868U (zh) 一种非对称空间外差干涉仪系统
CN202885788U (zh) 偶数窄缝式光电自准直仪
TWI403687B (zh) Displacement measuring device and its measuring method

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant