CN111207674B - 一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于位移传感器技术领域，具体涉及一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，激光器的直射光路上依次设置有偏振片和分光镜，第一反射镜、第二反射镜分别设置在分光镜的两侧，分光镜的与第一反射镜之间设置有半波片，两路光束分别经过第一反射镜、第二反射镜反射后垂直射入光栅上，光栅的一侧设置有两个第三反射镜，两路光束经光栅和两个第三反射镜多次衍射后通过四分之一波片射入偏振分光棱镜，第一探测器和第二探测器分别设置在偏振分光棱镜的分光方向上。本发明通过多次衍射的方法提高了位移测量灵敏度，且本发明通过优化光栅参数提高了光栅一级光衍射效率，实现了高对比度的信号输出。本发明用于位移的测量。

Description

一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器

技术领域

本发明属于位移传感器技术领域，具体涉及一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器。

背景技术

精密测量是现代机械工业一个重要的技术领域，是数显装备重要的组成成分，是促进现代工业进步和发展的基础条件之一，尤其是在高精度位移测量方面，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、抗电磁干扰等优点，因而获得广泛应用。其中，单光栅结构因其结构简单、稳定性高而被广泛应用到位移传感器和加速度传感器中。此类器件的主要工作原理是激光器发出的光首先经分光镜分光，随后经反射镜反射交汇到光栅上并发生干涉。基于傅里叶光学原理可知，干涉光的光强、相位等信息反映了光栅的位置信息。因此，通过测量干涉光可以推算出光栅位移量。但是，目前单光栅微位移传感器普遍具有以下问题：1.衍射效率低；2. 只进行单次衍射，光学倍分系数小。以上问题限制了此类器件分辨率的进一步提高。

发明内容

针对上述单光栅微位移传感器衍射效率低、只能进行单次衍射、光学倍分系数小的技术问题，本发明提供了一种衍射效率高、灵敏度高、分辨率高的基于单层光栅多次衍射的位移传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，包括激光器、偏振片、分光镜、半波片、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、光栅、四分之一波片、偏振分光棱镜、第一探测器和第二探测器，所述激光器的直射光路上依次设置有偏振片和分光镜，所述激光器发出的光通过偏振片后成为线偏光，所述第一反射镜、第二反射镜分别设置在分光镜的两侧，所述分光镜的与第一反射镜之间设置有半波片，所述线偏光经过分光镜分为两路光束，所述两路光束包括第一光束、第二光束，所述第一光束通过半波片使得第一光束的偏振方向偏转90°，所述第一光束、第二光束分别经过第一反射镜、第二反射镜反射后垂直射入所述光栅上，所述光栅的一侧设置有两个第三反射镜，两个第三反射镜均与光栅平行，两个第三反射镜设置在同一水平线上，两个第三反射镜之间的中点的一侧依次设置有四分之一波片、偏振分光棱镜，所述第一光束、第二光束经光栅和两个第三反射镜多次衍射后通过四分之一波片射入偏振分光棱镜，所述第一探测器和第二探测器分别设置在偏振分光棱镜的分光方向上。

所述激光器的波长为0.635μm，所述激光器的功率为1.2mW。

所述光栅的材料采用Al，所述光栅的周期为4μm，所述光栅的占空比为0.5，所述光栅的刻划深度为0.16μm。

所述半波片的光轴方向与第一光束的偏振方向相差45°。

所述四分之一波片光轴方向与第一光束的偏振方向重合。

所述偏振分光棱镜的分光的偏振方向与两路光束偏振方向的夹角为45°。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过多次衍射的方法提高了位移测量灵敏度，且本发明通过优化光栅参数提高了光栅一级光衍射效率，实现了高对比度的信号输出，本发明通过偏振分光的方法形成A、B相信号输出，相较单一信号输出的方式，降低了对后续处理电路的要求，并提高了测量线性度和分辨率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明四分之一波片相位引入示意图；

图3为本发明偏振分光棱镜分光后不同方向光分量干涉的示意图；

图4为本发明光栅衍射效率仿真示意图；

图5为本发明多普勒频移示意图；

其中，1为激光器，2为偏振片，3为分光镜，4为半波片，51为第一反光镜，52为第二反光镜，53为第三反光镜，6为光栅，7为四分之一波片，8为偏振分光棱镜，91为第一探测器，92为第二探测器。

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。

一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，如图1所示，包括激光器1、偏振片2、分光镜3、半波片4、第一反射镜51、第二反射镜52、第三反射镜53、光栅6、四分之一波片7、偏振分光棱镜8、第一探测器91和第二探测器92，所述激光器1的直射光路上依次设置有偏振片2和分光镜3，激光器1发出的光通过偏振片2后成为线偏光，第一反射镜51、第二反射镜52分别设置在分光镜3的两侧，分光镜3的与第一反射镜51之间设置有半波片4，线偏光经过分光镜3分为两路光束，两路光束包括第一光束、第二光束，第一光束通过半波片4 使得第一光束的偏振方向偏转90°，第一光束、第二光束分别经过第一反射镜51、第二反射镜52反射后垂直射入光栅6上，光栅6的一侧设置有两个第三反射镜 53，两个第三反射镜53均与光栅6平行，两个第三反射镜53设置在同一水平线上，两个第三反射镜53之间的中点的一侧依次设置有四分之一波片7、偏振分光棱镜8，第一光束、第二光束经光栅6和两个第三反射镜53多次衍射后通过四分之一波片7射入偏振分光棱镜8，第一探测器91和第二探测器92分别设置在偏振分光棱镜8的分光方向上。

进一步，优选的，激光器1的波长为0.635μm，激光器1的功率为1.2mW。

进一步，优选的，光栅6的材料采用Al，光栅6的周期为4μm，光栅6的占空比为0.5，光栅6的刻划深度为0.16μm。

进一步，优选的，半波片4的光轴方向与第一光束的偏振方向相差45°，利用半波片4特性，使得输出光束与输入光束的偏振方向偏转90°。

进一步，优选的，四分之一波片7光轴方向与第一光束的偏振方向重合，使第一光束与第二光束产生90°相位差。

进一步，偏振分光棱镜8分光的偏振方向与两路光束偏振方向的夹角为45°。

本发明的工作流程为：激光器1发出的光首先通过偏振片2后成为线偏光。随后，经过分光镜3分为两路，第一光束半波片4使其偏振方向偏转90°使其与第二光束的偏振方向垂直。之后，两路光束经第一反射镜51第二反射镜52反射并垂直照射在光栅6上。经光栅6衍射后，衍射光经第三反射镜53反射，再次照射到光栅6上。如此经过多次反射、衍射过程，最终两路光束重合并沿垂直于光栅方向输出。此时两路光束的偏振方向仍保持相互垂直。随后，两路光束经过四分之一波片7引入90°的相位差。接着，经由偏振分光棱镜8将光束中偏振方向垂直的光分量分离并发生干涉，干涉信号分别由第一探测器91和第二探测器92接收。

实施例

具体实施方式参数如下：

激光器波长：λ＝0.635μm；

激光器功率：1.2mW；

光栅周期：d＝4μm；

光栅占空比：0.5；

光栅刻划深度：h＝0.16μm；

光栅材料：Al。

具体分析如下：

其中，检测位移的是通过光栅6反射衍射后的正负一级衍射光重合的干涉信号来测量，但经光栅6与第三反射镜53组合发生4次反射衍射后，光学细分倍数增加到8倍，最终测量灵敏度和分辨率得到提高。

设XOY面上的波形函数为sint，则XOZ面上的波形函数为cost，即在光束对通过四分之一波片后的波形，随即在经过偏振分光棱镜分光后，在偏振分光棱镜两轴上具有光的叠加，具体计算如下：

U_+45°＝sin t cos45°+cos t cos45°＝sin(t+45°) (1)

U_-45°＝cos t cos45°-sin t cos45°＝cos(t+45°) (2)

由此可看出偏振分光棱镜分出的两束干涉光具有90°相位差，最终由探测器测得，获得A、B相信号。

其中，当满足占空比

刻划深度

时，有各级次衍射光傅里叶系数变化为

对于一级次衍射光衍射效率计算公式为

其中，若t取足够大的数，此处取99，且m为奇数。

计算结果为η＝81.4％。

如图3、图4所示，采用的光栅是光栅周期为4μm，占空比为0.5，刻划深度为160nm的Al光栅，仿真结果表明可以实现衍射效率较大的一级衍射光。所以在经反射衍射4次后仍能达到入射光44％的光强，具有较好的干涉效果。

其中，光栅位移引入的相位变化是基于多普勒频移原理造成的，当衍射次数增加时其频移量同时也累加。

如图5所示，当入射光垂直入射到光栅上时，若移动速度为v，衍射次数为 k，对于衍射角为θ的±m级衍射光多普勒频移为

同理可得，-m级衍射光的多普勒频移为：

采用光学结构使±m级衍射光合束，两束光同振向、等幅、频率相差很小，将产生物理学中的拍频干涉。

拍频干涉的含义是：两束光频率不同，但差频较小，干涉光强就会以频率差随时间变化，这种强度的周期性变化，称之为拍频干涉。其光强公式为

其中，A₀为振幅，

为干涉光束空间相位差，且

其中ΔL₂-ΔL₁为光程差，

为激光器初相位差，激光器的初相位差

变化缓慢，光程差ΔL₂-ΔL₁约为常数，因此相位差

可以近似为常数。

由上述可知，干涉光强的变化只与变量(f₁-f₂)t相关。公式8变量变化关系式如下：

由此可知，基于多普勒频移原理，干涉条纹的光强变化与位移变化相关。

另外，结合公式8可知，干涉信号随着位移变化光强为正弦型输出。

在本结构中，k＝4，由公式9可得，干涉光强的变化频率因4次衍射变为只采用一级衍射光时的4倍。

综上，光强与位移关系式为

其中，c为常数且

由上述推导可知，当位移移动一个光栅周期时，即x＝4时，光强周期变化8 次，即通过采用4次反射衍射的光路实现了8倍的光学细分倍数，提高了位移传感器的灵敏度；同时，通过对光栅的参数设置，使其在4次衍射过程中保证了40％以上的衍射效率，保证了测量信号的可用性，最终实现了高灵敏度的位移测量。

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 (6)

1.一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，其特征在于：包括激光器(1)、偏振片(2)、分光镜(3)、半波片(4)、第一反射镜(51)、第二反射镜(52)、第三反射镜(53)、光栅(6)、四分之一波片(7)、偏振分光棱镜(8)、第一探测器(91)和第二探测器(92)，所述激光器(1)的直射光路上依次设置有偏振片(2)和分光镜(3)，所述激光器(1)发出的光通过偏振片(2)后成为线偏光，所述第一反射镜(51)、第二反射镜(52)分别设置在分光镜(3)的两侧，所述分光镜(3)与第一反射镜(51)之间设置有半波片(4)，所述线偏光经过分光镜(3)分为两路光束，所述两路光束包括第一光束、第二光束，所述第一光束通过半波片(4)使得第一光束的偏振方向偏转90°，所述第一光束、第二光束分别经过第一反射镜(51)、第二反射镜(52)反射后垂直射入所述光栅(6)上，所述光栅(6)的一侧设置有两个第三反射镜(53)，两个第三反射镜(53)均与光栅(6)平行，两个第三反射镜(53)设置在同一水平线上，两个第三反射镜(53)之间的中点的一侧依次设置有四分之一波片(7)、偏振分光棱镜(8)，所述第一光束、第二光束经光栅(6)和两个第三反射镜(53)多次衍射后通过四分之一波片(7)射入偏振分光棱镜(8)，所述第一探测器(91)和第二探测器(92)分别设置在偏振分光棱镜(8)的分光方向上。

2.根据权利要求1所述的一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，其特征在于：所述激光器(1)的波长为0.635μm，所述激光器(1)的功率为1.2mW。

3.根据权利要求1所述的一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，其特征在于：所述光栅(6)的材料采用Al，所述光栅(6)的周期为4μm，所述光栅(6)的占空比为0.5，所述光栅(6)的刻划深度为0.16μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，其特征在于：所述半波片(4)的光轴方向与第一光束的偏振方向相差45°。

5.根据权利要求1所述的一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，其特征在于：所述四分之一波片(7)光轴方向与第一光束的偏振方向重合。

6.根据权利要求1所述的一种基于单层光栅多次衍射的位移传感器，其特征在于：所述偏振分光棱镜(8)的分光的偏振方向与两路光束偏振方向的夹角为45°。

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