專利名稱：納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及納米計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)量傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
納米測(cè)量(Inm IOOnm)技術(shù)是納米科學(xué)的一個(gè)重要分支。亞微米到納米精度的測(cè)量已成為當(dāng)前工業(yè)發(fā)展和科學(xué)發(fā)展中迫切需要解決的問(wèn)題?，F(xiàn)有的高精度激光干涉儀成為目前納米精度測(cè)量最廣泛應(yīng)用的工具，但這些測(cè)量設(shè)備大多體積較大，使用中占用較大的空間，不利于測(cè)量實(shí)踐，難以與檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)精巧集成，不符合現(xiàn)代精密機(jī)械精度設(shè)計(jì)的理念，且干涉測(cè)量技術(shù)容易受到測(cè)量環(huán)境的影響，使用時(shí)調(diào)整過(guò)程較為繁瑣。同時(shí)，隨著光柵加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米光柵成為精密計(jì)量光柵的發(fā)展方向，精度穩(wěn)定并且廣泛應(yīng)用的光柵測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)納米精度的測(cè)量。目前光柵測(cè)量系統(tǒng)分辨率已經(jīng)達(dá)到納米級(jí)，測(cè)量性能基本可以和激光干涉儀媲美，而且光柵測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有比激光干涉儀更強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，研制微型納米精度的光柵干涉測(cè)量傳感器，為目前納米科技的發(fā)展提供必要的精巧測(cè)量裝置，其中的納米測(cè)量基礎(chǔ)理論和實(shí)用方法的研究也是納米科技發(fā)展亟待解決的共性問(wèn)題。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，提供一種納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，解決以上技術(shù)問(wèn)題。本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問(wèn)題可以采用以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器、光學(xué)棱鏡、光柵、光電探測(cè)器，其特征在于，所述光學(xué)棱鏡包括一反射鏡、兩個(gè)直角棱鏡、兩個(gè)四分之一波片、一非偏振分光棱鏡、兩個(gè)偏振分光棱鏡；所述光電探測(cè)器包括兩個(gè)；所述激光器的出光口左側(cè)設(shè)有所述反射鏡，所述反射鏡的反射面位于右側(cè)，且所述反射鏡向右傾斜設(shè)置，所述反射鏡的下方設(shè)有所述光柵，所述光柵的右側(cè)設(shè)有一所述直角棱鏡，一所述直角棱鏡的入光面前方設(shè)有一所述四分之一波片；所述光柵的左側(cè)設(shè)有另一所述直角棱鏡，兩個(gè)所述直角棱鏡的斜邊均朝向所述光柵，兩個(gè)所述直角棱鏡相對(duì)設(shè)置；所述光柵上方設(shè)有所述非偏振分光棱鏡，所述非偏振分光棱鏡設(shè)置在所述反射鏡的左側(cè)；所述非偏振分光棱鏡的右側(cè)設(shè)有另一所述四分之一波片，另一所述四分之一波片的右側(cè)設(shè)有一所述偏振分光棱鏡，一所述偏振分光棱鏡的右側(cè)設(shè)有一所述光電探測(cè)器；所述非偏振分光棱鏡上方設(shè)有另一所述偏振分光棱鏡，另一所述偏振分光棱鏡的左側(cè)設(shè)有另一所述光電探測(cè)器。本實(shí)用新型激光器產(chǎn)生的激光光束的光路和傳感原理如下激光器產(chǎn)生的激光光束經(jīng)反射鏡進(jìn)行反射到光柵上一點(diǎn)，產(chǎn)生第一次衍射，衍射光束有兩束，分別為+1級(jí)衍射光束和-ι級(jí)衍射光束，衍射光束分別經(jīng)左右兩邊的兩個(gè)直角棱鏡回到光柵上第二點(diǎn)，產(chǎn)生第二次衍射。由于-1級(jí)衍射光束由四分之一波片移向90°，所以回到第二點(diǎn)時(shí)與+1級(jí)衍射光束相位相差90°，還不能產(chǎn)生干涉。經(jīng)光柵第二次衍射后的兩束光經(jīng)非偏振分光棱鏡分為兩束，再經(jīng)偏振分光棱鏡后，使得偏振方向分別旋轉(zhuǎn)+45°和-45°，從而+1級(jí)和-1級(jí)衍射光束具有相同的偏振方向，并產(chǎn)生干涉，并被偏振分光棱鏡前方的光電探測(cè)器接收。當(dāng)光柵相對(duì)光電探測(cè)器做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩路具有180°相移的調(diào)制信號(hào)在兩個(gè)偏振分光棱鏡的輸出端輸出，通過(guò)反向光電池抵消直流分量，從而在輸出端獲得兩路相位差90°對(duì)稱的正弦波信號(hào)。光電探測(cè)器接收到的正弦波信號(hào)用于后續(xù)專用光柵信號(hào)處理與細(xì)分電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形計(jì)數(shù)和細(xì)分處理。本實(shí)用新型采用二次衍射的光路基本結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了對(duì)被測(cè)運(yùn)動(dòng)的直線度要求?；谘苌涔鈻?，半導(dǎo)體激光光源的納米傳感裝置，構(gòu)建了易于調(diào)節(jié)小巧緊湊的納米測(cè)量光路。該測(cè)量傳感裝置易于調(diào)整定位，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求相對(duì)激光干涉儀較低，且可實(shí)現(xiàn)微型化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)該測(cè)量傳感裝置輸出脈沖信號(hào)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)平面位置的實(shí)時(shí)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。考慮到光柵工作面的均勻性和周期性，所述光柵優(yōu)選采用全息光柵。采用全息光柵，輸出正交信號(hào)比普通光柵信號(hào)頻率高，且信號(hào)不存在零漂、正交誤差以及隨機(jī)干擾。所述激光器可以采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器。分布反饋式具有無(wú)跳模、輸出波長(zhǎng)溫度變化系數(shù)較小的優(yōu)點(diǎn)。所述激光器也可以采用量子阱式半導(dǎo)體激光器。以便減少本實(shí)用新型的體積。有益效果由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型偏振光路設(shè)計(jì)，將環(huán)境影響光源之因素減到最低，且零階衍射光經(jīng)由偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向，不致回到激光頭；二次衍射光路設(shè)計(jì)，可自我補(bǔ)償光柵移動(dòng)時(shí)的偏擺轉(zhuǎn)角，大大提高光柵偏擺的公差，抑制光柵運(yùn)動(dòng)直線度誤差對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響；集成化光路設(shè)計(jì)，減小整個(gè)測(cè)頭的體積，實(shí)現(xiàn)緊湊小巧的光路結(jié)構(gòu)，縮短了測(cè)量光路的光程，提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾的能力。
圖1為本實(shí)用新型的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示進(jìn)一步闡述本實(shí)用新型。參照?qǐng)D1，納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器1、光學(xué)棱鏡、 光柵3、光電探測(cè)器，光學(xué)棱鏡包括一反射鏡21、直角棱鏡12、直角棱鏡22、四分之一波片 13、四分之一波片23、一非偏振分光棱鏡24、偏振分光棱鏡15、偏振分光棱鏡25。光電探測(cè)器包括兩個(gè)，分別為光電探測(cè)器41、光電探測(cè)器42。激光器1的出光口前方設(shè)有反射鏡21， 反射鏡21的反射面設(shè)置在右側(cè)，且反射鏡21向后傾斜設(shè)置，反射鏡21的下方設(shè)有光柵3， 光柵3的右側(cè)設(shè)有直角棱鏡12，直角棱鏡12的入光面前方設(shè)有一四分之一波片13。光柵3 的左側(cè)設(shè)有另一直角棱鏡22，兩個(gè)直角棱鏡的斜邊均朝向光柵3，兩個(gè)直角棱鏡相對(duì)設(shè)置。光柵3上方設(shè)有非偏振分光棱鏡24，非偏振分光棱鏡24設(shè)置在反射鏡21的左側(cè)。非偏振分光棱鏡24的右側(cè)設(shè)有另一四分之一波片23，四分之一波片23的右側(cè)設(shè)有一偏振分光棱鏡15，一偏振分光棱鏡15的右側(cè)設(shè)有一光電探測(cè)器41。非偏振分光棱鏡24上方設(shè)有另一偏振分光棱鏡25，偏振分光棱鏡25的左側(cè)設(shè)有另一光電探測(cè)器42。本實(shí)用新型激光器產(chǎn)生的激光光束的光路和傳感原理如下激光器1產(chǎn)生的激光光束經(jīng)反射鏡進(jìn)行反射到光柵3上01點(diǎn)，產(chǎn)生第一次衍射，衍射光束有兩束，分別為+1級(jí)衍射光束和-1級(jí)衍射光束，衍射光束分別經(jīng)左右兩邊的兩個(gè)直角棱鏡回到光柵3上02點(diǎn)， 產(chǎn)生第二次衍射。由于-1級(jí)衍射光束由四分之一波片13移向90°，所以回到02點(diǎn)時(shí)與 +1級(jí)衍射光束相位相差90°，還不能產(chǎn)生干涉。經(jīng)光柵3第二次衍射后的兩束光經(jīng)非偏振分光棱鏡24仍分為兩束，一束再經(jīng)偏振分光棱鏡25、而另一束再經(jīng)偏振分光棱鏡15，隨后這兩束光各自在偏振方向分別旋轉(zhuǎn)+45°和-45°，從而+1級(jí)和-1級(jí)衍射光束具有相同的偏振方向，并產(chǎn)生干涉，并被偏振分光棱鏡25、15前方的光電探測(cè)器42、41接收。當(dāng)光柵3 相對(duì)光電探測(cè)器做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩路具有180°相移的調(diào)制信號(hào)在兩個(gè)偏振分光棱鏡的輸出端輸出，通過(guò)反向光電池抵消直流分量，從而在輸出端獲得兩路相位差90°對(duì)稱的正弦波信號(hào)。光電探測(cè)器接收到的正弦波信號(hào)用于后續(xù)專用光柵信號(hào)處理與細(xì)分電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形計(jì)數(shù)和細(xì)分處理。在上述光路中，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的主要的技術(shù)參數(shù)為位移測(cè)量范圍25mm ；測(cè)量重復(fù)性30nm ；分辨率彡IOnm;測(cè)量速度< 50mm/sec ；整體外觀尺寸XXYXZ(mm) :30X30X 12。光傳感器偵測(cè)到的光強(qiáng)為Ipdi C A2+B2+2ABsin2 Δ ω tIpd2 oc A2+B2+2ABcos2 Δ cot (1)其中A、B分別為左、右光臂的振幅。由多普勒頻移原理可知，衍射光柵的多普勒頻
移與光柵移動(dòng)的速度ν和衍射級(jí)次m成正比，與光柵常數(shù)d成反比，S卩Δ ω =m(v/d)0若
采用二次衍射的光路，其對(duì)稱士1級(jí)衍射光的頻移為
v_V= +2—=ωο~2~7
+1 ° d d (2)由此可得干涉條紋的相位差為
^Φ = Γ 2π(Αω+ι _ Δ ).dt = Γ 2π. 4 ；. dt =8π|
J0J0 dα(3)當(dāng)光柵移動(dòng)四分之一柵距時(shí)，條紋信號(hào)會(huì)有一個(gè)周期(2 π)的相位變化，且Dl與 D2具有正交性，利用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理方法即可計(jì)算出實(shí)際位移量。本系統(tǒng)采用周期約為 0.8ym(12001/mm)的一維光柵，則光柵每移動(dòng)約0. 2um正交信號(hào)變化一個(gè)周期。利用細(xì)分技術(shù)可將光柵的位移量解析到nm等級(jí)。本實(shí)用新型采用二次衍射的光路基本結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了對(duì)被測(cè)運(yùn)動(dòng)的直線度要求?；谘苌涔鈻?，半導(dǎo)體激光光源的納米傳感裝置，構(gòu)建了易于調(diào)節(jié)小巧緊湊的納
5米測(cè)量光路。該測(cè)量傳感裝置易于調(diào)整定位，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求相對(duì)激光干涉儀較低，且可實(shí)現(xiàn)微型化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)該測(cè)量傳感裝置輸出脈沖信號(hào)可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)平面位置的實(shí)時(shí)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。激光器1可以采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器。分布反饋式具有無(wú)跳模、輸出波長(zhǎng)溫度變化系數(shù)較小的優(yōu)點(diǎn)。或者激光器1也可以采用量子阱式半導(dǎo)體激光器，以便減少本實(shí)用新型的體積。考慮到光柵工作面的均勻性和周期性，光柵優(yōu)3選采用全息光柵。采用全息光柵， 輸出正交信號(hào)比普通光柵信號(hào)頻率高，且信號(hào)不存在零漂、正交誤差以及隨機(jī)干擾。以上顯示和描述了本實(shí)用新型的基本原理和主要特征和本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實(shí)用新型不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本實(shí)用新型的原理，在不脫離本實(shí)用新型精神和范圍的前提下，本實(shí)用新型還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本實(shí)用新型范圍內(nèi)。本實(shí)用新型要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書(shū)及其等效物界定。
權(quán)利要求1.納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器、光學(xué)棱鏡、光柵、光電探測(cè)器，其特征在于，所述光學(xué)棱鏡包括一反射鏡、兩個(gè)直角棱鏡、兩個(gè)四分之一波片、一非偏振分光棱鏡、兩個(gè)偏振分光棱鏡；所述光電探測(cè)器包括兩個(gè)；所述激光器的出光口左側(cè)設(shè)有所述反射鏡，所述反射鏡的反射面位于右側(cè)，所述反射鏡向右傾斜設(shè)置，所述反射鏡的下方設(shè)有所述光柵，所述光柵的右側(cè)設(shè)有一所述直角棱鏡， 一所述直角棱鏡的入光面前方設(shè)有一所述四分之一波片；所述光柵的左側(cè)設(shè)有另一所述直角棱鏡，兩個(gè)所述直角棱鏡的斜邊均朝向所述光柵，兩個(gè)所述直角棱鏡相對(duì)設(shè)置；所述光柵上方設(shè)有所述非偏振分光棱鏡，所述非偏振分光棱鏡設(shè)置在所述反射鏡的左側(cè)；所述非偏振分光棱鏡的右側(cè)設(shè)有另一所述四分之一波片，另一所述四分之一波片的右側(cè)設(shè)有一所述偏振分光棱鏡，一所述偏振分光棱鏡的右側(cè)設(shè)有一所述光電探測(cè)器；所述非偏振分光棱鏡上方設(shè)有另一所述偏振分光棱鏡，另一所述偏振分光棱鏡的左側(cè)設(shè)有另一所述光電探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于所述光柵采用全息光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于所述激光器采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于所述激光器采用量子阱式半導(dǎo)體激光器。
專利摘要本實(shí)用新型涉及納米計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種傳感裝置。納米測(cè)量光柵傳感系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器、光學(xué)棱鏡、光柵、光電探測(cè)器，所述光學(xué)棱鏡包括一反射鏡、兩個(gè)直角棱鏡、兩個(gè)四分之一波片、一非偏振分光棱鏡、兩個(gè)偏振分光棱鏡，光電探測(cè)器包括兩個(gè)。本實(shí)用新型基于衍射光柵，半導(dǎo)體激光光源的微型納米測(cè)量系統(tǒng)，利用這些元件構(gòu)建一納米測(cè)量光路。由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型將環(huán)境光源的影響降至最低，通過(guò)提高了光柵偏擺的公差，抑制光柵運(yùn)動(dòng)直線度誤差的影響，并實(shí)現(xiàn)了緊湊小巧的光路結(jié)構(gòu)，縮短了測(cè)量光路的光程，提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾的能力。
文檔編號(hào)G01B11/02GK202229730SQ201120349390
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者李付鵬, 蔣敏蘭, 陸鑫潮 申請(qǐng)人:浙江師范大學(xué)