CN203811135U - 基于自聚焦原理的传感系统光学结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感系统光学结构。基于自聚焦原理的传感系统光学结构，包括用于产生激光光束的激光器、光学棱镜、光栅、光电探测器，光学棱镜包括一反射镜、一分光镜、一准直镜；光栅包括第一光栅、第二光栅，以第一光栅作为一分光光栅，以第二光栅作为一测量光栅；激光器的出光口设有分光光栅，分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，分光光栅上方设有分光镜，分光镜的左方设有反射镜，反射镜的反射面位于右侧，反射镜向左倾斜设置，反射镜的上方设有准直镜，准直镜的上方设有物镜，物镜的上方设有测量光栅；分光镜的右方设有一柱面镜，柱面镜右方设有光电探测器。本实用新型读数系统成本低，且体积小、集成化程度高。

Description

基于自聚焦原理的传感系统光学结构

技术领域

本实用新型涉及精密仪器和精密测量技术领域，具体涉及传感系统光学结构。

背景技术

随着精密制造技术和超精密加工技术的迅速发展，其精度参数多为微纳米数量级（1nm-10nm），目前同时满足大测量范围和纳米级分辨率要求的应用最为广泛的测量仪器是激光干涉仪，但是激光干涉仪易受测量环境影响，使用过程调整繁琐，同时体积庞大，不利于系统集成，不符合现代精密机械设计的理念。

光栅位移传感器作为制造、检测设备的关键测量器件，综合光、机、电技术将机械位置信息转换成相应的电信号输出，实现对角度、尺寸、位移等相关机械几何量的测量，具有测量精度高、行程大、非接触、无磨损、抗干扰能力强等优点，广泛应用于机床数显数控、测量仪器等技术领域。

随着光栅加工和信号处理技术的不断进步，目前高精度光栅测量系统测量精度基本可以和激光干涉仪媲美，而且在实际使用中具有比激光干涉仪更强的适应性，且光栅测量系统集成化程度较高，如若将光栅技术增设到精密仪器和精密测量技术中就可以有效的弥补激光干涉仪存在的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于自聚焦原理的传感系统光学结构，解决以上技术问题。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于自聚焦原理的传感系统光学结构，包括用于产生激光光束的激光器、光学棱镜、光栅、光电探测器，其特征在于，所述光学棱镜包括一反射镜、一分光镜、一准直镜；

所述光栅包括一第一光栅、第二光栅，以所述第一光栅作为一分光光栅，以所述第二光栅作为一测量光栅；

所述激光器的出光口设有所述分光光栅，所述分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，所述分光光栅上方设有所述分光镜，所述分光镜的左方设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向左倾斜设置，所述反射镜的上方设有所述准直镜，所述准直镜的上方设有所述物镜，所述物镜的上方设有所述测量光栅；

所述分光镜的右方设有一柱面镜，所述柱面镜右方设有所述光电探测器；

所述光电探测器连接一信号处理电路，所述信号处理电路连接一PID反馈控制电路；

所述PID反馈控制电路连接一压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器固定连接所述物镜。

本实用新型激光器发出的光束经分光光栅衍射后分为0级和±1级光束，0级光束用于测量，±1级光束获得循迹伺服信号用于判别光栅位移方向。将三束衍射光依次途径所述分光镜、所述反射镜、所述准直镜、所述物镜后聚焦到所述测量光栅上；经准直镜后成三束平行光束，进入物镜聚焦于测量光栅上，测量光栅上测量信号的反射光束按原路返回至分光镜后经柱面镜后聚焦在光电探测器上，光电探测器接收到的正弦波信号用于后续专用光栅信号处理与细分电路，对信号进行整形计数和细分处理。

光电探测器输出的聚焦误差信号（电压信号）通过信号处理电路送PID反馈控制电路，PID反馈控制电路驱动压电陶瓷驱动器，从而带动物镜移动，使得物镜焦点和测量光栅平面位置重合，实现自动聚焦。光电探测器输出的聚焦误差信号（电压信号）随测量光栅平面位置离物镜焦平面距离变化呈现S型。当被测点离焦距离大于物镜的景深即出现失焦现象时，压电陶瓷驱动器在电压下形变，带动物镜移动，使物镜焦点移至被测表面，此即自动聚焦原理。

所述分光光栅是透射式光栅，所述测量光栅是反射式光栅。

所述激光器可以采用分布反馈式半导体激光器。分布反馈式具有无跳模、输出波长温度变化系数较小的优点。

所述激光器也可以采用量子阱式半导体激光器。以便减少本实用新型的体积。

所述激光器包括一激光二极管。用以发出光束。

所述光电探测器的感光面正对朝向所述柱面镜的出射光。

所述反射镜沿水平方向上的倾斜角度为20°～70°。以便更好的将衍射光束射入其他光学棱镜。

所述光电探测器是六象限光电探测器，所述六象限光电探测器内设有一检测电路，所述六象限光电探测器通过所述检测电路连接所述信号处理电路。

所述六象限光电探测器设有三个感光区域，用于感应0级光束的第一感光区域、用于感应-1级光束的第二感光区域、用于感应+1级光束的第三感光区域，所述第二感光区域与所述第三感光区域分别位于所述第一感光区域的左右两侧。三个感光区域强弱对应测量点离开物镜的焦平面的距离，这三个聚焦点对应光栅余弦起伏表明固定的相位差信息，结合三感测区信号的大小，实现实时判定光栅运动方向。

有益效果：本实用新型将光栅精密测量系统和激光器的扫描特性进行结合，利用激光器的激光头聚焦和自动聚焦两种测量方法的互补优势，实现对光栅栅线的精密测量。基于直读光栅栅线的微纳米光栅测量系统，实现读数头与光栅面之间的自适应读数，降低了传统光栅尺因与读数头装夹定位对准而引入的误差对测量结果的影响。同时该读数方法利用激光头锁轨信号，突破传统辩向方法，提高了测量精度。采用光存储技术的产业化成果，读数系统成本较低，且体积小、集成化程度较高，可为精密制造、精密测量提供嵌入式的纳米测量设备。本实用新型最终实现位移测量范围：40mm；测量重复性：10nm；系统分辨率达到：1nm。

附图说明

图1为本实用新型的一种整体结构示意图；

图2为本实用新型六象限光电探测器的结构示意图；

图3为本实用新型激光器衍射出的三束光束在测量光栅上的聚焦示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。

参照图1、图2、图3，基于自聚焦原理的传感系统光学结构，包括用于产生激光光束的激光器1、光学棱镜、光栅、光电探测器9，光学棱镜包括一反射镜4、一分光镜3、一准直镜5；光栅包括一第一光栅、第二光栅，以第一光栅作为一分光光栅2，以第二光栅作为一测量光栅7；激光器1的出光口设有分光光栅2，分光光栅2将激光器1发出的激光分为三束衍射光，分光光栅2上方设有分光镜3，分光镜3的左方设有反射镜4，反射镜4的反射面位于右侧，且反射镜4向左倾斜设置，反射镜4的上方设有准直镜5，准直镜5的上方设有物镜6，物镜6的上方设有测量光栅7；分光镜3的右方设有一柱面镜8，柱面镜8右方设有光电探测器9。本实用新型激光器1发出的光束经分光光栅2衍射后分为+1级光束α、-1级光束γ和0级光束β这三束光束，0级光束α用于测量，±1级光束获得循迹伺服信号用于判别光栅位移方向。将三束衍射光依次途径分光镜3、反射镜4、准直镜5、物镜6后聚焦到测量光栅7上；经准直镜5后成三束平行光束，进入物镜6聚焦于测量光栅7上，测量光栅7上测量信号的反射光束按原路返回至分光镜3后经柱面镜8后聚焦在光电探测器9上，光电探测器9接收到的正弦波信号用于后续专用光栅信号处理与细分电路，对信号进行整形计数和细分处理。

光电探测器9是一六象限光电探测器，六象限光电探测器内设有一检测电路10，六象限光电探测器通过检测电路10连接一信号处理电路11，信号处理电路11连接一PID反馈控制电路12；PID反馈控制电路12连接一压电陶瓷驱动器12，压电陶瓷驱动器12固定连接物镜6。

六象限光电探测器输出的聚焦误差信号（电压信号）经六象限光电探测器的检测电路后，通过信号处理电路送PID反馈控制电路，PID反馈控制电路驱动压电陶瓷驱动器，从而带动物镜移动，使得物镜焦点和测量光栅平面位置重合，实现自动聚焦。六象限光电探测器输出的聚焦误差信号（电压信号）随测量光栅平面位置离物镜焦平面距离变化呈现S型。当被测点离焦距离大于物镜的景深即出现失焦现象时，压电陶瓷驱动器在电压下形变，带动物镜移动，使物镜焦点移至被测表面，此即自动聚焦原理。

物镜自动锁焦于测量光栅的被测反射面，始终随着测量光栅的被测反射面的表面微形貌起伏，物镜位移量和压电陶瓷驱动器的驱动电压信号成一一对应关系，而压电陶瓷驱动器的驱动电压取决于六象限探测器输出的聚焦误差信号。由于聚焦误差信号具有高分辨率与高精度的特性，从而能自适应光栅对准姿态，实现读数头与光栅面之间的自适应读数。

六象限光电探测器输出的聚焦误差信号的线性范围原理上为7um左右，在应用中难以对准，测量时采用分两步实现：首先，基于该聚焦误差信号经处理后送高精度压电陶瓷驱动器带动物镜移动，使得物镜焦点和测量光栅平面位置重合，找到测量光栅焦平面，实现自动聚焦，此时维持物镜位置不变，即锁定焦平面。然后运用该聚焦误差信号进行光栅栅线周期测量，根据光栅栅线的轮廓测试曲线结合信号处理技术计算出光栅相对于读数头的位移量

参见图2，六象限光电探测器设有三个感光区域，用于感应0级光束的第一感光区域21、用于感应-1级光束的第二感光区域22、用于感应+1级光束的第三感光区域23，第二感光区域22与第三感光区域23分别位于第一感光区域21的左右两侧。第二感光区域22、第三感光区域23对应于光盘读取时的锁轨信号（即在光盘读取某轨道信号时防止变轨的信号），三个感光区域强弱对应测量点离开物镜的焦平面的距离，这三个聚焦点对应光栅余弦起伏表明固定的相位差信息，结合三感测区信号的大小，实现实时判定光栅运动方向。测量过程中，六象限光电探测器中A/B/C/D、E、F三个感光区域对应0级、+1级和-1级光束。第一感光区域通过感应0级光束聚焦在第一感光区域的焦点形状，通过光电探测器输出不同的电压信号，得到测量光栅平面位置离物镜焦平面距离变化情况。

分光光栅2是透射式光栅，测量光栅7是反射式光栅。

激光器1可以采用分布反馈式半导体激光器。分布反馈式具有无跳模、输出波长温度变化系数较小的优点。激光器1也可以采用量子阱式半导体激光器。以便减少本实用新型的体积。激光器1包括一激光二极管。用以发出光束。

光电探测器9的感光面正对朝向柱面镜8的出射光。反射镜4沿水平方向上的倾斜角度为20°～70°。以便更好的将衍射光束射入其他光学棱镜。

有益效果：本实用新型将光栅精密测量系统和激光器的扫描特性进行结合，利用激光器的激光头聚焦和自动聚焦两种测量方法的互补优势，实现对光栅栅线的精密测量。基于直读光栅栅线的微纳米光栅测量系统，实现读数头与光栅面之间的自适应读数，降低了传统光栅尺因与读数头装夹定位对准而引入的误差对测量结果的影响。同时该读数方法利用激光头锁轨信号，突破传统辩向方法，提高了测量精度。采用光存储技术的产业化成果，读数系统成本较低，且体积小、集成化程度较高，可为精密制造、精密测量提供嵌入式的纳米测量设备。本实用新型最终实现位移测量范围：40mm；测量重复性：10nm；系统分辨率达到：1nm。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.基于自聚焦原理的传感系统光学结构，包括用于产生激光光束的激光器、光学棱镜、光栅、光电探测器，其特征在于，所述光学棱镜包括一反射镜、一分光镜、一准直镜； 

所述光栅包括一第一光栅、第二光栅，以所述第一光栅作为一分光光栅，以所述第二光栅作为一测量光栅； 

所述激光器的出光口设有所述分光光栅，所述分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，所述分光光栅上方设有所述分光镜，所述分光镜的左方设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向左倾斜设置，所述反射镜的上方设有所述准直镜，所述准直镜的上方设有物镜，所述物镜的上方设有所述测量光栅； 

所述分光镜的右方设有一柱面镜，所述柱面镜右方设有所述光电探测器； 

所述光电探测器连接一信号处理电路，所述信号处理电路连接一PID反馈控制电路； 

所述PID反馈控制电路连接一压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器固定连接所述物镜。 

2.根据权利要求1所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述激光器是分布反馈式半导体激光器。 

3.根据权利要求2所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述激光器是量子阱式半导体激光器。 

4.根据权利要求1、2或3所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述激光器包括一激光二极管。 

5.根据权利要求1所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述光电探测器的感光面正对朝向所述柱面镜的出射光。 

6.根据权利要求1所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述反射镜沿水平方向上的倾斜角度为20°～70°。 

7.根据权利要求1所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述光电探测器是六象限光电探测器，所述六象限光电探测器内设有 一检测电路，所述六象限光电探测器通过所述检测电路连接所述信号处理电路。 

8.根据权利要求7所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述六象限光电探测器设有三个感光区域，用于感应0级光束的第一感光区域、用于感应-1级光束的第二感光区域、用于感应+1级光束的第三感光区域，所述第二感光区域与所述第三感光区域分别位于所述第一感光区域的左右两侧。 

9.根据权利要求1所述的基于自聚焦原理的传感系统光学结构，其特征在于：所述分光光栅是透射式光栅，所述测量光栅是反射式光栅。