CN111536883B - 一种基于复合式光栅的微位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微位移传感器技术领域，具体涉及一种基于复合式光栅的微位移传感器，所述激光器的下方设置有分束光栅，所述分束光栅的正一级衍射光路和负一级衍射光路上分别设置有第一反射镜、第二反射镜，所述第二反射镜的反射光路上设置有第三反射镜，所述第三反射镜的反射光路上设置有分束镜，所述分束镜的透射光路上设置有位移反射镜，所述干涉仪探测器设置在分束镜的一侧，所述第一反射镜的反射光路上设置有上层光栅，所述第一下层光栅的下方设置有第一探测器，所述第二下层光栅的下方设置有第二探测器。本发明在Talbot像离面方向上光强呈正弦变化的原理实现了位移测量。本发明用于微位移的测量。

Description

一种基于复合式光栅的微位移传感器

技术领域

本发明属于微位移传感器技术领域，具体涉及一种基于复合式光栅的微位移传感器。

背景技术

超精密定位检测技术是现代精密制造的一个重要技术领域，而纳米级的位移测量技术又是制约超精密定位技术发展的一个核心。其中，纳米光栅检测法由于其高分辨率、体积小、抗电磁干扰等优点获得了广泛应用。目前，光栅检测位移的主要原理是激光器发出的光经光栅衍射后，其正负级衍射光经过反射光路后重合，进而使其发生干涉。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。所以，通过对干涉光的测量即可计算出位移量。但是，为产生两路具有固定相位差的输出信号，传统测量方法存在着以下问题：1.多利用偏振光学元件实现干涉测量，结构复杂、成本较高；2.采用周期性刻蚀光栅等方法实现辅助定位，缺乏通用性等问题。以上问题限制了它在很多场合的应用。

发明内容

针对上述偏振光学元件结构复杂、成本较高，周期性刻蚀光栅方法缺乏通用性的技术问题，本发明提供了一种结构简单、成本低、精度高的基于复合式光栅的微位移传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于复合式光栅的微位移传感器，包括激光器、分束光栅、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、分束镜、干涉仪探测器、上层光栅、位移反射镜、第一下层光栅、第二下层光栅、第一探测器、第二探测器，所述激光器的下方设置有分束光栅，所述分束光栅的正一级衍射光路和负一级衍射光路上分别设置有第一反射镜、第二反射镜，所述第二反射镜的反射光路上设置有第三反射镜，所述第三反射镜的反射光路上设置有分束镜，所述分束镜的透射光路上设置有位移反射镜，所述干涉仪探测器设置在分束镜的一侧，所述第一反射镜的反射光路上设置有上层光栅，所述上层光栅的下方设置有第一下层光栅、第二下层光栅，所述第一下层光栅、第二下层光栅并列设置，所述第一下层光栅的下方设置有第一探测器，所述第二下层光栅的下方设置有第二探测器；所述激光器发出的光经分束光栅衍射出正一级衍射光和负一级衍射光，所述正一级衍射光经第一反射镜反射后垂直入射上层光栅，经上层光栅衍射后产生Talbot像，所述Talbot像区域内放置第一下层光栅、第二下层光栅，所述第一下层光栅、第二下层光栅透过的光束由第一探测器、第二探测器接收；所述负一级衍射光经第二反射镜反射后垂直入射分束镜，经分束镜分出反射光和透射光，所述反射光入射到第三反射镜，所述透射光入射到位移反射镜上，所述第三反射镜、位移反射镜的反射光再经分束镜透射和反射后光路重合，产生的干涉光束由干涉仪探测器接收。

所述上层光栅与位移反射镜并列设置在底座上。

所述第一下层光栅、第二下层光栅的基底厚度相差四分之一个Talbot像的长度。

所述分束光栅、上层光栅、第一下层光栅、第二下层光栅的材料均采用Si，所述分束光栅、上层光栅、第一下层光栅、第二下层光栅的光栅占空比为0.5，所述分束光栅、上层光栅、第一下层光栅、第二下层光栅的光栅周期均为800nm。

所述分束光栅的光栅厚度为200nm，所述上层光栅6的光栅厚度为766nm。

所述激光器的波长为0.635μm，所述激光器1的功率为1.2mW。

所述干涉仪探测器的测量分辨率为317.5nm。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明在Talbot像离面方向上光强呈正弦变化的原理实现了位移测量；本发明通过下层光栅两区域光栅基底厚度相差四分之一个Talbot像的方法形成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；且本发明通过引入光程差的方法实现了粗略位移测量，对上层光栅的离面运动进行位置标定，提高了整体结构的定位精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明分束光栅各级衍射光衍射效率图；

图3为本发明Talbot像仿真结果图；

图4为本发明离面方向上Talbot像光强分布图；

图5为本发明上层光栅及位移反射镜的结构示意图；

图6为本发明第一下层光栅与第二下层光栅的侧面图；

其中：1为激光器，2为分束光栅，31为第一反射镜，32为第二反射镜，33为第三反射镜，4为分束镜，5为干涉仪探测器，6为上层光栅，7为位移反射镜，81为第一下层光栅，82为第二下层光栅，91为第一探测器，92为第二探测器，10为底座。

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。

一种基于复合式光栅的微位移传感器，如图1所示，包括激光器1、分束光栅2、第一反射镜31、第二反射镜32、第三反射镜33、分束镜4、干涉仪探测器5、上层光栅6、位移反射镜7、第一下层光栅81、第二下层光栅82、第一探测器91、第二探测器92，激光器1的下方设置有分束光栅2，分束光栅2的正一级衍射光路和负一级衍射光路上分别设置有第一反射镜31、第二反射镜32，第二反射镜32的反射光路上设置有第三反射镜33，第三反射镜33的反射光路上设置有分束镜4，分束镜4的透射光路上设置有位移反射镜7，干涉仪探测器5设置在分束镜4的一侧，第一反射镜31的反射光路上设置有上层光栅6，上层光栅6的下方设置有第一下层光栅81、第二下层光栅82，第一下层光栅81、第二下层光栅82并列设置，第一下层光栅81的下方设置有第一探测器91，第二下层光栅82的下方设置有第二探测器92；激光器1发出的光经分束光栅2衍射出正一级衍射光和负一级衍射光，正一级衍射光经第一反射镜31反射后垂直入射上层光栅6，经上层光栅6衍射后产生Talbot像，Talbot像区域内放置第一下层光栅81、第二下层光栅82，第一下层光栅81、第二下层光栅82透过的光束由第一探测器91、第二探测器92接收；负一级衍射光经第二反射镜32反射后垂直入射分束镜4，经分束镜4分出反射光和透射光，反射光入射到第三反射镜33，透射光入射到位移反射镜7上，第三反射镜33、位移反射镜7的反射光再经分束镜4透射和反射后光路重合，产生的干涉光束由干涉仪探测器5接收。

进一步，上层光栅6与位移反射镜7并列设置在底座10上，上层光栅6与位移反射镜7做相同位移运动。

进一步，优选的，第一下层光栅81、第二下层光栅82的基底厚度相差四分之一个Talbot像的长度。

进一步，优选的，分束光栅2、上层光栅6、第一下层光栅81、第二下层光栅82的材料均采用Si，分束光栅2、上层光栅6、第一下层光栅81、第二下层光栅82的光栅占空比为0.5，分束光栅2、上层光栅6、第一下层光栅81、第二下层光栅82的光栅周期均为800nm。

进一步，优选的，分束光栅2的光栅厚度为200nm，上层光栅6的光栅厚度为766nm。

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，干涉仪探测器5的测量分辨率为317.5nm。

本发明的工作原理为：

如图2所示，当光束入射至分束光栅2时，一级衍射光衍射效率达到71.6％，负一级衍射光入射到第一反射镜31上反射，进而垂直入射到上层光栅6上，最终实现了基于Talbot像原理的位移精确测量；正一级衍射光入射到第二反射镜32上反射，进而垂直入射到分束镜4上，最终实现基于光束干涉原理的粗略位移测量。

其中，如图3所示，当上层光栅6采用Si材料的黑白光栅时，设定其光栅厚度为766μm，在栅线的垂直平面上会有倒三角形的Talbot像区域。其中，在离面方向上的每个Talbot像周期内都有一个正像和一个负像，正像和负像大小一致，并且单个Talbot像的光强分布相同，但正像光强的强弱分布与光栅的栅缝和栅线相对应，负像光强的强弱分布与光栅的栅线和栅缝相对应，即正像和负像相错一个栅缝大小的距离，如图2所示。因此，在光栅的离面方向上，对光强进行探测，可获得呈正弦型变化的光强信号，如图4所示。在面内方向上，Talbot像周期大小与光栅周期大小相同。因此，在上层光栅Talbot像区域内放置相同参数的下层光栅，当上层光栅有在下层光栅离面方向上的运动时，下层光栅的透射光光强便随位移产生正弦变化。

其中，Talbot像在离面方向上的周期为

其中，d为光栅周期，λ为激光器波长，Z为Talbot像在离面方向上的周期，当光栅周期为0.8μm，激光器波长为0.635μm时，由上式可得Z＝2μm，即Talbot像在离面方向上的周期为2μm。

其中，如图6所示，第一下层光栅81和第二下层光栅82的基底采用SiO₂材料，且第一下层光栅81的基底厚度设定为500μm，第二下层光栅82的基底厚度设定为500.5μm，故当上层光栅6做离面方向上的运动时，整个Talbot像区域随之做离面运动，第一下层光栅81和第二下层光栅82上表面所接触的Talbot像的位置相差四分之一个Talbot像周期，所以在第一探测器91和第二探测器92上接收到的光强信号相差四分之一个周期，再转化为电压信号输出，故而形成了电学信号上的A、B相。

其中，第三反射镜33位置固定，其入射至干涉仪探测器5上的反射光光程恒定，而位移反射镜7和上层光栅6固定在底座10上，共同做相对于第一下层光栅81和第二下层光栅82的离面运动，如图5所示，所以当位移反射镜7有离面方向的位移时，经其入射至探测器5上的反射光光程随位移变化，所以干涉仪探测器5接收的两束光存在随位移变化的光程差，所以在干涉仪探测器5上会形成等间距的干涉条纹，且干涉条纹随光程差变化发生平移，由干涉仪探测器5光敏面上平移过的条纹数目即可计算出位移反射镜7移动的距离：

其中，Δd为位移反射镜7移动的距离，Δn为干涉仪探测器5光敏面上平移过的条纹数目。

由此可知，位移反射镜7移动的距离可由干涉仪探测器5上光强变化曲线求得，且其分辨率为二分之一个波长的大小，即317.5nm。

由上述可知，当底座10在离面方向上发生移动时，由第一探测器91和第二探测器92的输出信号可得出位移，并且经电路细分可实现0.8nm的分辨率；同时，采用干涉仪探测器5对底座10位移进行粗略测量，用以消除只采用Talbot像测量时长距离移动所造成的累计误差，提高了定位精度，且该结构没有使用偏振片、玻片和偏振分光棱镜等结构，简化了测量结构。

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)

1.一种基于复合式光栅的微位移传感器，其特征在于：包括激光器(1)、分束光栅(2)、第一反射镜(31)、第二反射镜(32)、第三反射镜(33)、分束镜(4)、干涉仪探测器(5)、上层光栅(6)、位移反射镜(7)、第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)、第一探测器(91)、第二探测器(92)，所述激光器(1)的下方设置有分束光栅(2)，所述分束光栅(2)的正一级衍射光路和负一级衍射光路上分别设置有第一反射镜(31)、第二反射镜(32)，所述第二反射镜(32)的反射光路上设置有第三反射镜(33)，所述第三反射镜(33)的反射光路上设置有分束镜(4)，所述分束镜(4)的透射光路上设置有位移反射镜(7)，所述干涉仪探测器(5)设置在分束镜(4)的一侧，所述第一反射镜(31)的反射光路上设置有上层光栅(6)，所述上层光栅(6)的下方设置有第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)，所述第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)并列设置，所述第一下层光栅(81)的下方设置有第一探测器(91)，所述第二下层光栅(82)的下方设置有第二探测器(92)；所述激光器(1)发出的光经分束光栅(2)衍射出正一级衍射光和负一级衍射光，所述正一级衍射光经第一反射镜(31)反射后垂直入射上层光栅(6)，经上层光栅(6)衍射后产生Talbot像，所述Talbot像区域内放置第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)，所述第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)透过的光束由第一探测器(91)、第二探测器(92)接收；所述负一级衍射光经第二反射镜(32)反射后垂直入射分束镜(4)，经分束镜(4)分出反射光和透射光，所述反射光入射到第三反射镜(33)，所述透射光入射到位移反射镜(7)上，所述第三反射镜(33)、位移反射镜(7)的反射光再经分束镜(4)透射和反射后光路重合，产生的干涉光束由干涉仪探测器(5)接收。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合式光栅的微位移传感器，其特征在于：所述上层光栅(6)与位移反射镜(7)并列设置在底座(10)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合式光栅的微位移传感器，其特征在于：所述第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)的基底厚度相差四分之一个Talbot像的长度。

4.根据权利要求1所述的一种基于复合式光栅的微位移传感器，其特征在于：所述分束光栅(2)、上层光栅(6)、第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)的材料均采用Si，所述分束光栅(2)、上层光栅(6)、第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)的光栅占空比为0.5，所述分束光栅(2)、上层光栅(6)、第一下层光栅(81)、第二下层光栅(82)的光栅周期均为800nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于复合式光栅的微位移传感器，其特征在于：所述分束光栅(2)的光栅厚度为200nm，所述上层光栅(6)的光栅厚度为766nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于复合式光栅的微位移传感器，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。

7.根据权利要求1所述的一种基于复合式光栅的微位移传感器，其特征在于：所述干涉仪探测器(5)的测量分辨率为317.5nm。

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