CN115854884A - 孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器及测量方法，利用微纳光学结构干涉成像过程的自修复效应，孪生构建高精度(超越微纳结构本体精度)、高稳定(无热变形)的结构光场，作为测量基准。传感器包括光场孪生、光场调制、光场感知、解调电路等模块，测量过程为：所述光场孪生模块固定，投影结构光场作为测量基准；所述光场调制模块产生调制信号S₁，调制得到动态结构光场；所述光场感知模块随被测目标运动，探测动态结构光场产生时空传感信号S₂；所述解调电路模块，通过对S₁和S₂进行高频时钟脉冲插分，解得被测位移。本发明实现了测量基准从传统栅线向结构光场的演变、感知信息从传统空域向时空域的拓展，具有高精度、高分辨等特点。

Description

孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器及其测量方法

技术领域

本发明属于精密位移测量技术领域，特别涉及一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器及测量方法。

背景技术

纳米位移测量技术及传感器件，作为超精密定位的“眼睛”，是精密工程和前沿科学发展的引领性技术基础。纵观精密位移测量技术的发展历程，测量原理和测量精度一定程度上就是随着测量基准内涵的变化或补充而发展的。随着激光技术和微/纳米制造的发展，激光干涉测量技术和光栅干涉测量技术成为备受关注的纳米位移测量技术。

激光干涉仪以激光波长为测量基准，是当前公认精度最高的大量程纳米位移测量技术，能够在百毫米量程内实现纳米精度测量。激光干涉仪干涉臂长，对温漂、气流、振动等环境扰动敏感，现场环境或长时服役过程的精度保持性是其面临的挑战。

光栅干涉仪以光栅栅线结构为测量基准，测量精度仅次于激光干涉仪，且其受温漂、气流、振动等环境扰动的影响小，服役环境中的精度保持性优于激光干涉仪。但光栅干涉仪面临着光栅制造精度难以突破、结构微观缺陷难以控制、材料服役热变形难以避免的瓶颈问题，国内外短期内都很难实现测量精度的进一步下探。

因此，测量基准的精度及精度保持性，是传感器件实现纳米测量的基础前提。面向超精密工程及前沿科学发展中的纳米精度、皮米分辨力位移测量需求，激光干涉和光栅干涉测量技术面临测量基准精度或精度保持性不足的问题，需要对现有测量基准及其构建模式进行创新。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器及测量方法，实现纳米精度、皮米分辨力的位移测量。

为了实现上述目的，本发明从测量基准构建的角度，利用微纳光学结构干涉成像过程的自修复效应，孪生构建结构光场，实现纳米精度的测量基准构建；从测量基准感知的角度，通过结构光场的动态时域调制与时-空域感知，实现皮米分辨力的位移解调。

本发明采用的技术方案如下：

一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，包括光场孪生模块、光场调制电路模块、光场感知模块、解调电路模块、时间频率基准装置等。所述光场孪生模块位置固定，用于孪生构建并投影结构光场作为测量基准；所述光场调制电路模块对结构光场进行周期性强度调制，产生含有时域和空域信息的动态结构光场；所述光场感知模块随被测目标沿X方向运动，探测动态结构光场信息，得到时-空传感信号；所述解调电路模块对时-空传感信号进行时域解调，得到被测目标位移x。所述光场调制电路模块和解调电路模块的时钟频率都以时间频率基准装置为基准，以实现位移传感器时钟频率基准的统一。

进一步地，所述光场孪生模块包括激光光源、微纳光学结构、光场投影镜组。

进一步地，所述激光光源为VCSEL；所述微纳光学结构为微纳相位光栅或微纳超构表面；所述孪生结构光场的周期尺度p为1～20微米，其周期精度及一致性优于±0.2nm，失真度小于-90dB。

进一步地，所述光场调制电路模块采用DDS电路。

进一步地，所述光场感知模块包括光敏阵列和时空信号合成电路。

进一步地，所述光敏阵列的光敏单元为硅光电池，单个光敏单元宽度为结构光场周期的1/4；光敏单元的暗电流小于10nA@5V，且电流输出一致性优于2％，响应频率300～500KHz。

进一步地，一种孪生结构光场动态调制的纳米位移测量方法，包括以下步骤：

S1：将光场孪生模块位置固定，利用微纳光学结构干涉成像过程的自修复效应，孪生构建孪生结构光场作为测量基准，其空域周期为p；

S2：通过光场调制电路模块对激光光源施加周期性正弦电流激励，产生周期性交变调制电流S₁＝sin(2πft)，对所述结构光场进行周期性强度调制，产生含有时域和空域信息的动态结构光场；

S3：光场感知模块随被测目标沿X方向运动，所述光敏阵列对动态结构光场进行探测，产生四路相位依次相差90°的传感信号。所述时空信号合成电路对所述四路传感信号进行合成，产生1路时-空域传感信号S₂：

其中，

为与被测目标位移x对应的相位，其表达式为：

S4：所述解调电路模块通过高频时钟脉冲对S₁和S₂进行插分获得相位

而/>

在时域坐标系上表现为信号S₁和S₂的时间差Δt。因此，可以通过高频时钟脉冲对S₁和S₂进行插分计数获得时间差Δt，进而求得相位/>

和被测目标位移x：

x＝(N₁-N₀)p/N₀

其中，N₁为时空域传感信号S₂周期内插入的高频脉冲数，N₀为时域调制信号S₁周期内插入的高频脉冲数；

进而反求获得被测目标的位移

其中，N₁为时空域传感信号S₂周期内插入的高频脉冲数，N₀为时域调制信号S₁周期内插入的高频脉冲数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)采用孪生构建的结构光场作为测量基准，实现测量基准从实物栅线(栅尺)向结构光场(光尺)的演变。其优势在于：(i)结构光场孪生构建过程对微纳光学结构微观缺陷的自修复效应，实现纳米精度测量基准的构建；(ii)结构光场无机械/热变形、污染失效等问题，满足对测量基准的服役精度保持性要求。

(2)以时空传感信号作为位移测量的传感信号，实现感知信息从空域向时-空域的拓展。其优势在于：规避了反正切、锁相环等传统解调方法难以兼顾精度、分辨力、频响等综合指标的局限性，通过时域比相和高频时钟脉冲插分，实现位移在时域内的高精度、高分辨力、实时解调。

附图说明

图1为本发明的传感器组成及其测量原理。

图2为光场孪生模块的结构示意图。

图3为结构光场孪生过程的自修复效应。

图4为光场调制电路模块的DDS模型图。

图5为光场感知模块的结构光场探测与时-空传感信号合成。

图6为解调电路模块的时-空传感信号解调原理示意图。

图中：1—光场孪生模块；2—光场调制电路模块；3—光场感知模块；4—解调电路模块；5—时间频率基准装置；101—激光光源；102—微纳光学结构；103—光场投影镜组；301—光敏阵列；302—时空信号合成电路。

具体实施方式

下面对本发明的实施示例作详细说明，本实施示例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例：

一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，如图1所示，包括光场孪生模块1、光场调制电路模块2、光场感知模块3、解调电路模块4、时间频率基准装置5等。所述光场孪生模块1位置固定，用于孪生构建并投影结构光场作为测量基准；所述光场调制电路模块2对结构光场进行周期性强度调制，产生含有时域和空域信息的动态结构光场；所述光场感知模块3随被测目标沿X方向运动，探测动态结构光场信息，得到时-空传感信号；所述解调电路模块4对时-空传感信号进行时域解调，得到被测目标位移x。所述光场调制电路模块2和解调电路模块4的时钟频率都以时间频率基准装置5为基准，以实现位移传感器时钟频率基准的统一。

所述光场孪生模块1的结构，如图2所示，包括激光光源101、微纳光学结构102、光场投影镜组103，利用微纳光学结构102干涉成像过程的自修复效应，孪生构建孪生结构光场作为测量基准。结构光场孪生构建过程的自修复效应，如图3所示，结构光场孪生构建过程中，结构光场是由多个周期的微纳光学结构干涉成像叠加而成，由于干涉成像叠加过程的误差及缺陷均化效应，微纳光学结构102的微观缺陷(如：栅距偏差、栅线毛刺、栅线缺失等)在孪生结构光场中得到大幅度修复，因此孪生结构光场精度超越微纳光学结构102本体精度。

优选地，所述激光光源101为VCSEL(垂直腔面发射激光器)；

优选地，所述微纳光学结构102为微纳相位光栅或微纳超构表面；

优选地，所述孪生结构光场的周期尺度p为1～20微米，其周期精度及一致性优于±0.2nm，失真度小于-90dB。

所述光场调制电路模块2，如图4所示，采用DDS(直接数字式频率合成器)电路，生成时域调制信号S₁，对所述激光光源101施加周期性交变电流调制，产生耦合结构光场空域信息和时域调制信号时域信息的动态结构光场。

优选地，对激光施加周期性正弦电流激励，即时域调制信号S₁的表达式为：

S₁＝sin(2πft) (1)

优选地，DDS模块的RTL程序代码如下：

所述光场感知模块3，如图5所示，包括光敏阵列301、时空信号合成电路302。所述光敏阵列301对动态结构光场进行探测，产生四路相位依次相差90°的传感信号。所述时空信号合成电路302对所述四路传感信号进行合成，如图5所示，产生1路时-空域传感信号S₂：

其中，

为与被测目标位移x对应的相位，其表达式为：

优选地，所述光敏阵列301的光敏单元为硅光电池，单个光敏单元宽度为结构光场周期的1/4；光敏单元的暗电流小于10nA@5V，且电流输出一致性优于2％，响应频率300～500KHz。

所述解调电路模块4，如图6所示，以所述时-空域传感信号S₂为待解调信号，以所述时域调制信号S₁为基准信号。从时域的角度来看，待测空域位移x在信号S2里引入了调制相位

而/>

在时域坐标系上表现为信号S1和S₂的时间差Δt。因此，可以通过高频时钟脉冲对S₁和S₂进行插分计数获得时间差Δt，进而求得相位/>

和被测目标位移x：

x＝(N₁-N₀)p/N₀ (4)

其中，N₁为时空域传感信号S₂周期内插入的高频脉冲数，N₀为时域调制信号S₁周期内插入的高频脉冲数。

相应地，一种孪生结构光场动态调制的纳米位移测量方法，其测量过程包括如下步骤：S1：所述光场孪生模块1位置固定，用于孪生构建并投影结构光场作为测量基准，其空域周期为p；

S2：所述光场调制电路模块2产生周期性交变调制电流S₁＝sin(2πft)，对所述结构光场进行周期性强度调制，产生动态结构光场；

S3：所述光场感知模块3随被测目标沿X方向运动，探测动态结构光场信息，得到时空域传感信号

S4：所述解调电路模块4，通过高频时钟脉冲对S₁和S₂进行插分，解调得被测目标的位移x，如公式(4)所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，其特征在于，包括光场孪生模块(1)、光场调制电路模块(2)、光场感知模块(3)、解调电路模块(4)、时间频率基准装置(5)；所述光场孪生模块(1)位置固定，用于孪生构建并投影结构光场作为测量基准；所述光场调制电路模块(2)对结构光场进行周期性强度调制，产生含有时域和空域信息的动态结构光场；所述光场感知模块(3)随被测目标沿X方向运动，探测动态结构光场信息，得到时-空传感信号；所述解调电路模块(4)对时-空传感信号进行时域解调，得到被测目标位移x；所述光场调制电路模块(2)和解调电路模块(4)的时钟频率都以时间频率基准装置(5)为基准，以实现位移传感器时钟频率基准的统一。

2.如权利要求1所述的一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，其特征在于，所述光场孪生模块(1)包括激光光源(101)、微纳光学结构(102)、光场投影镜组(103)。

3.如权利要求2所述的一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，其特征在于，所述激光光源(101)为VCSEL；所述微纳光学结构(102)为微纳相位光栅或微纳超构表面；所述孪生结构光场的周期尺度p为1～20微米，其周期精度及一致性优于±0.2nm，失真度小于-90dB。

4.如权利要求1所述的一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，其特征在于，所述光场调制电路模块(2)采用DDS电路。

5.如权利要求1所述的一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，其特征在于，所述光场感知模块(3)包括光敏阵列(301)和时空信号合成电路(302)。

6.如权利要求1所述的一种孪生结构光场动态调制的纳米位移传感器，其特征在于，所述光敏阵列(301)的光敏单元为硅光电池，单个光敏单元宽度为结构光场周期的1/4；光敏单元的暗电流小于10nA@5V，且电流输出一致性优于2％，响应频率300～500KHz。

7.一种采用权利要求1-6中任意一项所述的纳米位移传感器对孪生结构光场动态调制的纳米位移测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将光场孪生模块位置固定，利用微纳光学结构(102)干涉成像过程的自修复效应，孪生构建孪生结构光场作为测量基准，其空域周期为p；

S2：通过光场调制电路模块对激光光源(101)施加周期性正弦电流激励，产生周期性交变调制电流S₁＝sin(2πft)，对所述结构光场进行周期性强度调制，产生含有时域和空域信息的动态结构光场；

S3：光场感知模块随被测目标沿X方向运动，所述光敏阵列(301)对动态结构光场进行探测，产生四路相位依次相差90°的传感信号；所述时空信号合成电路(302)对所述四路传感信号进行合成，产生1路时-空域传感信号S₂：

其中，

为与被测目标位移x对应的相位，其表达式为：

S4：所述解调电路模块(4)通过高频时钟脉冲对S₁和S₂进行插分获得相位

而/>

在时域坐标系上表现为信号S₁和S₂的时间差Δt；因此，可以通过高频时钟脉冲对S₁和S₂进行插分计数获得时间差Δt，进而求得相位/>

和被测目标位移x：/>

x＝(N₁-N₀)p/N₀

其中，N₁为时空域传感信号S₂周期内插入的高频脉冲数，N₀为时域调制信号S₁周期内插入的高频脉冲数；

进而反求获得被测目标的位移

其中，N₁为时空域传感信号S₂周期内插入的高频脉冲数，N₀为时域调制信号S₁周期内插入的高频脉冲数。/>

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