基于自聚焦原理的光柵精密測量結構及測量方法
【專利摘要】本發明涉及傳感系統光學結構。基于自聚焦原理的光柵精密測量結構及測量方法，包括用于產生激光光束的激光器、光學棱鏡、光柵、光電探測器，光學棱鏡包括一反射鏡、一分光鏡、一準直鏡；光柵包括第一光柵、第二光柵，以第一光柵作為一分光光柵，以第二光柵作為一測量光柵；激光器的出光口設有分光光柵，分光光柵將激光器發出的激光分為三束衍射光，分光光柵上方設有分光鏡，分光鏡的左方設有反射鏡，反射鏡的反射面位于右側，反射鏡向左傾斜設置，反射鏡的上方設有準直鏡，準直鏡的上方設有物鏡，物鏡的上方設有測量光柵；分光鏡的右方設有一柱面鏡，柱面鏡右方設有光電探測器。本發明讀數系統成本低，且體積小、集成化程度高。
【專利說明】基于自聚焦原理的光柵精密測量結構及測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及精密儀器和精密測量【技術領域】，具體涉及傳感系統光學結構。
【背景技術】
[0002]光柵位移傳感器作為制造、檢測設備的關鍵測量器件，綜合光、機、電技術將機械位置信息轉換成相應的電信號輸出，實現對角度、尺寸、位移等相關機械幾何量的測量，具有測量精度高、行程大、非接觸、無磨損、抗干擾能力強等優點，廣泛應用于機床數顯數控、測量儀器、精密制造等【技術領域】。
[0003]光柵線位移傳感器作為精密制造行業和精密測量儀器的關鍵部件，隨著光電技術的進步，幾何遮光原理的光柵傳感方法難以滿足微納米測量的需要，因而我國科學家也急需開發新型微納米傳感器以滿足我國工業發展的需要。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于，提供一種基于自聚焦原理的光柵精密測量結構及測量方法，解決以上技術問題。
[0005]本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現:
[0006]基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，包括用于產生激光光束的激光器、光學棱鏡、光柵、光電探測器，其特征在于，所述光學棱鏡包括一反射鏡、一分光鏡、一準直鏡；
[0007]所述光柵包括一第一光柵、第二光柵，以所述第一光柵作為一分光光柵，以所述第二光柵作為一測量光柵；
[0008]所述激光器的出光口設有所述分光光柵，所述分光光柵將激光器發出的激光分為三束衍射光，所述分光光柵上方設有所述分光鏡，所述分光鏡的左方設有所述反射鏡，所述反射鏡的反射面位于右側，且所述反射鏡向左傾斜設置，所述反射鏡的上方設有所述準直鏡，所述準直鏡的上方設有所述物鏡，所述物鏡的上方設有所述測量光柵；
[0009]所述分光鏡的右方設有一柱面鏡，所述柱面鏡右方設有所述光電探測器。
[0010]本發明激光器發出的光束經分光光柵衍射后分為O級和± I級光束,O級光束用于測量，±1級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向。將三束衍射光依次途徑所述分光鏡、所述反射鏡、所述準直鏡、所述物鏡后聚焦到所述測量光柵上；經準直鏡后成三束平行光束，進入物鏡聚焦于測量光柵上，測量光柵上測量信號的反射光束按原路返回至分光鏡后經柱面鏡后聚焦在光電探測器上，光電探測器接收到的正弦波信號用于后續專用光柵信號處理與細分電路，對信號進行整形計數和細分處理。
[0011]所述分光光柵是透射式光柵，所述測量光柵是反射式光柵。
[0012]所述激光器可以采用分布反饋式半導體激光器。分布反饋式具有無跳模、輸出波長溫度變化系數較小的優點。
[0013]所述激光器也可以采用量子阱式半導體激光器。以便減少本發明的體積。
[0014]所述激光器包括一激光二極管。用以發出光束。[0015]所述光電探測器是一六象限光電探測器，所述六象限光電探測器內設有一檢測電路，所述六象限光電探測器通過所述檢測電路連接一信號處理電路，所述信號處理電路連接一 PID反饋控制電路；
[0016]所述PID反饋控制電路連接一壓電陶瓷驅動器，所述壓電陶瓷驅動器固定連接所述物鏡。
[0017]六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)經六象限光電探測器的檢測電路后，通過信號處理電路送PID反饋控制電路，PID反饋控制電路驅動壓電陶瓷驅動器，從而帶動物鏡移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，實現自動聚焦。六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)隨測量光柵平面位置離物鏡焦平面距離變化呈現S型。當被測點離焦距離大于物鏡的景深即出現失焦現象時，壓電陶瓷驅動器在電壓下形變，帶動物鏡移動，使物鏡焦點移至被測表面，此即自動聚焦原理。
[0018]所述光電探測器的感光面正對朝向所述柱面鏡的出射光。
[0019]所述反射鏡沿水平方向上的傾斜角度為20°?70°。以便更好的將衍射光束射入其他光學棱鏡。
[0020]所述六象限光電探測器設有三個感光區域，用于感應O級光束的第一感光區域、用于感應-1級光束的第二感光區域、用于感應+1級光束的第三感光區域，所述第二感光區域與所述第三感光區域分別位于所述第一感光區域的左右兩側。三個感光區域強弱對應測量點離開物鏡的焦平面的距離，這三個聚焦點對應光柵余弦起伏表明固定的相位差信息，結合三感測區信號的大小，實現實時判定光柵運動方向。
[0021 ] 所述光電探測器內設有一光電池，所述光電池為一薄膜光電池，所述薄膜光電池均勻的涂覆于所述三個感光區域的上方或下方。從而實現自發電，便于工作所需用電。
[0022]所述薄膜光電池連接有一電量存儲裝置，所述電量存儲裝置設有一電源輸出端。用于連接本發明的其他用電器件，提供本發明的用電器件所需的電量。
[0023]還包括一驅動模塊，所述驅動模塊連接所述信號處理電路；
[0024]所述分光鏡下方設有一旋轉機座，所述驅動模塊通過一傳動機構連接所述旋轉基座。
[0025]從而實現調整分光鏡角度(狹縫或焦距)。
[0026]基于自聚焦原理的光柵精密測量方法，所述激光器發出的光束經所述分光光柵衍射后分為O級和±1級光束，O級光束用于測量，±1級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向；
[0027]O級和土 I級光束三光束依次經過所述分光鏡，所述反射鏡、經所述準直鏡后成三束平行光束，進入所述物鏡聚焦于所述測量光柵上；
[0028]所述測量光柵上測量信號的反射光束按原路返回至所述分光鏡；
[0029]O級和±1級光束三光束后經所述柱面鏡后聚焦在所述六象限光電探測器上，所述六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)經檢測電路、信號處理電路傳輸信號至PID反饋控制電路，反饋控制電路驅動壓電陶瓷驅動器帶動所述物鏡移動，使得所述物鏡焦點和所述測量光柵平面位置重合，實現自動聚焦。
[0030]有益效果:本發明將光柵精密測量系統和激光器的掃描特性進行結合，利用激光器的激光頭聚焦和自動聚焦兩種測量方法的互補優勢，實現對光柵柵線的精密測量。基于直讀光柵柵線的微納米光柵測量系統，實現讀數頭與光柵面之間的自適應讀數，降低了傳統光柵尺因與讀數頭裝夾定位對準而引入的誤差對測量結果的影響。同時該讀數方法利用激光頭鎖軌信號，突破傳統辯向方法，提高了測量精度。采用光存儲技術的產業化成果，讀數系統成本較低，且體積小、集成化程度較高，可為精密制造、精密測量提供嵌入式的納米測量設備。本發明最終實現位移測量范圍:40mm ;測量重復性:10nm ;系統分辨率達到:lnm。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]圖1為本發明的一種整體結構示意圖；
[0032]圖2為本發明六象限光電探測器的結構示意圖；
[0033]圖3為本發明激光器衍射出的三束光束在測量光柵上的聚焦示意圖。
【具體實施方式】
[0034]為了使本發明實現的技術手段、創作特征、達成目的與功效易于明自了解，下面結合具體圖示進一步闡述本發明。
[0035]參照圖1、圖2、圖3，基于自聚焦原理的光柵精密測量結構及測量方法，包括用于產生激光光束的激光器1、光學棱鏡、光柵、光電探測器9,光學棱鏡包括一反射鏡4、一分光鏡3、一準直鏡5 ;光柵包括一第一光柵、第二光柵，以第一光柵作為一分光光柵2,以第二光柵作為一測量光柵7 ;激光器I的出光口設有分光光柵2，分光光柵2將激光器I發出的激光分為三束衍射光，分光光柵2上方設有分光鏡3,分光鏡3的左方設有反射鏡4,反射鏡4的反射面位于右側，且反射鏡4向左傾斜設置，反射鏡4的上方設有準直鏡5，準直鏡5的上方設有物鏡6，物鏡6的上方設有測量光柵7 ;分光鏡3的右方設有一柱面鏡8，柱面鏡8右方設有光電探測器9。本發明激光器I發出的光束經分光光柵2衍射后分為+1級光束α、-1級光束Y和O級光束β這三束光束，O級光束用于測量，±1級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向。將三束衍射光依次途徑分光鏡3、反射鏡4、準直鏡5、物鏡6后聚焦到測量光柵7上；經準直鏡5后成三束平行光束，進入物鏡6聚焦于測量光柵7上，測量光柵7上測量信號的反射光束按原路返回至分光鏡3后經柱面鏡8后聚焦在光電探測器9上，光電探測器9接收到的正弦波信號用于后續專用光柵信號處理與細分電路，對信號進行整形計數和細分處理。
[0036]分光光柵是透射式光柵，測量光柵是反射式光柵。
[0037]激光器I可以采用分布反饋式半導體激光器。分布反饋式具有無跳模、輸出波長溫度變化系數較小的優點。激光器I也可以采用量子阱式半導體激光器。以便減少本發明的體積。激光器I包括一激光二極管。用以發出光束。
[0038]光電探測器9的感光面正對朝向柱面鏡8的出射光。反射鏡4沿水平方向上的傾斜角度為20°?70°。以便更好的將衍射光束射入其他光學棱鏡。
[0039]光電探測器9是一六象限光電探測器，六象限光電探測器內設有一檢測電路10，六象限光電探測器通過檢測電路10連接一信號處理電路11，信號處理電路11連接一 PID反饋控制電路12 ；PID反饋控制電路12連接一壓電陶瓷驅動器12，壓電陶瓷驅動器12固定連接物鏡6。
[0040]六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)經六象限光電探測器的檢測電路后，通過信號處理電路送PID反饋控制電路，PID反饋控制電路驅動壓電陶瓷驅動器，從而帶動物鏡移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，實現自動聚焦。六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)隨測量光柵平面位置離物鏡焦平面距離變化呈現S型。當被測點離焦距離大于物鏡的景深即出現失焦現象時，壓電陶瓷驅動器在電壓下形變，帶動物鏡移動，使物鏡焦點移至被測表面，此即自動聚焦原理。
[0041]物鏡自動鎖焦于測量光柵的被測反射面上，始終隨著測量光柵的被測反射面的表面微形貌起伏，物鏡位移量和壓電陶瓷驅動器的驅動電壓信號成一一對應關系，而壓電陶瓷驅動器的驅動電壓取決于六象限探測器輸出的聚焦誤差信號。由于聚焦誤差信號具有高分辨率與高精度的特性，從而能自適應光柵對準姿態，實現讀數頭與光柵面之間的自適應讀數。
[0042]六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號的線性范圍原理上為7um左右，在應用中難以對準，測量時采用分兩步實現:首先，基于該聚焦誤差信號經處理后送高精度壓電陶瓷驅動器帶動物鏡移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，找到測量光柵焦平面，實現自動聚焦，此時維持物鏡位置不變，即鎖定焦平面。然后運用該聚焦誤差信號進行光柵柵線周期測量，根據光柵柵線的輪廓測試曲線結合信號處理技術計算出光柵相對于讀數頭的位移量
[0043]參見圖2，六象限光電探測器設有三個感光區域，用于感應O級光束的第一感光區域21、用于感應-1級光束的第二感光區域22、用于感應+1級光束的第三感光區域23，第二感光區域22與第三感光區域23分別位于第一感光區域21的左右兩側。第二感光區域22、第三感光區域23對應于光盤讀取時的鎖軌信號(即在光盤讀取某軌道信號時防止變軌的信號)，三個感光區域強弱對應測量點離開物鏡的焦平面的距離，這三個聚焦點對應光柵余弦起伏表明固定的相位差信息，結合三感測區信號的大小，實現實時判定光柵運動方向。測量過程中，六象限光電探測器中A/B/C/D、E、F三個感光區域對應O級、+1級和-1級光束。第一感光區域通過感應O級光束聚焦在第一感光區域的焦點形狀，通過光電探測器輸出不同的電壓信號，得到測量光柵平面位置離物鏡焦平面距離變化情況。
[0044]光電探測器內設有一光電池，光電池為一薄膜光電池，薄膜光電池均勻的涂覆于三個感光區域的上方或下方。從而實現自發電，便于工作所需用電。薄膜光電池連接有一電量存儲裝置，電量存儲裝置設有一電源輸出端。用于連接本發明的其他用電器件，提供本發明的用電器件所需的電量。
[0045]還包括一驅動模塊，驅動模塊連接信號處理電路；分光鏡下方設有一旋轉機座，驅動模塊通過一傳動機構連接旋轉基座。從而實現調整分光鏡角度(狹縫或焦距)。
[0046]基于自聚焦原理的光柵精密測量方法，激光器I發出的光束經分光光柵2衍射后分為O級和±1級光束，O級光束用于測量，±1級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向；O級和土 I級光束三光束依次經過分光鏡3，反射鏡4、經準直鏡5后成三束平行光束，進入物鏡6聚焦于測量光柵7上；測量光柵7上測量信號的反射光束按原路返回至分光鏡3 ；0級和±1級光束三光束后經柱面鏡8后聚焦在六象限光電探測器上，六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)經檢測電路10、信號處理電路11傳輸信號至PID反饋控制電路12，反饋控制電路12驅動壓電陶瓷驅動器13帶動物鏡6移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，實現自動聚焦。[0047]有益效果:本發明將光柵精密測量系統和激光器的掃描特性進行結合，利用激光器的激光頭聚焦和自動聚焦兩種測量方法的互補優勢，實現對光柵柵線的精密測量。基于直讀光柵柵線的微納米光柵測量系統，實現讀數頭與光柵面之間的自適應讀數，降低了傳統光柵尺因與讀數頭裝夾定位對準而引入的誤差對測量結果的影響。同時該讀數方法利用激光頭鎖軌信號，突破傳統辯向方法，提高了測量精度。采用光存儲技術的產業化成果，讀數系統成本較低，且體積小、集成化程度較高，可為精密制造、精密測量提供嵌入式的納米測量設備。本發明最終實現位移測量范圍:40mm ;測量重復性:10nm ;系統分辨率達到:lnm。
[0048]以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，包括用于產生激光光束的激光器、光學棱鏡、光柵、光電探測器，其特征在于，所述光學棱鏡包括一反射鏡、一分光鏡、一準直鏡； 所述光柵包括一第一光柵、第二光柵，以所述第一光柵作為一分光光柵，以所述第二光柵作為一測量光柵； 所述激光器的出光口設有所述分光光柵，所述分光光柵將激光器發出的激光分為三束衍射光，所述分光光柵上方設有所述分光鏡，所述分光鏡的左方設有所述反射鏡，所述反射鏡的反射面位于右側，且所述反射鏡向左傾斜設置，所述反射鏡的上方設有所述準直鏡，所述準直鏡的上方設有所述物鏡，所述物鏡的上方設有所述測量光柵； 所述分光鏡的右方設有一柱面鏡，所述柱面鏡右方設有所述光電探測器。
2.根據權利要求1所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，其特征在于:所述激光器是分布反饋式半導體激光器。
3.根據權利要求2所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，其特征在于:所述激光器是量子阱式半導體激光器。
4.根據權利要求1、2或3所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，其特征在于:所述激光器包括一激光二極管。
5.根據權利要求1所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，其特征在于:所述光電探測器是一六象限光電探測器，所述六象限光電探測器內設有一檢測電路，所述六象限光電探測器通過所述檢測電路連接一信號處理電路，所述信號處理電路連接一 PID反饋控制電路； 所述PID反饋控制電路連接一壓電陶瓷驅動器，所述壓電陶瓷驅動器固定連接所述物鏡。
6.根據權利要求1所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，其特征在于:所述光電探測器的感光面正對朝向所述柱面鏡的出射光。
7.根據權利要求1所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，其特征在于:所述反射鏡沿水平方向上的傾斜角度為20°?70°。
8.根據權利要求5所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，其特征在于:所述六象限光電探測器設有三個感光區域，用于感應O級光束的第一感光區域、用于感應-1級光束的第二感光區域、用于感應+1級光束的第三感光區域，所述第二感光區域與所述第三感光區域分別位于所述第一感光區域的左右兩側。
9.根據權利要求5所述的基于自聚焦原理的光柵精密測量結構的測量方法，其特征在于:所述激光器發出的光束經所述分光光柵衍射后分為O級和±1級光束，O級光束用于測量，±1級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向； O級和±1級光束三光束依次經過所述分光鏡，所述反射鏡、經所述準直鏡后成三束平行光束，進入所述物鏡聚焦于所述測量光柵上； 所述測量光柵上測量信號的反射光束按原路返回至所述分光鏡； O級和±1級光束三光束后經所述柱面鏡后聚焦在所述六象限光電探測器上，所述六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號經檢測電路、信號處理電路傳輸信號至PID反饋控制電路，反饋控制電路壓電陶瓷驅動器帶動所述物鏡移動，使得所述物鏡焦點和所述測量光柵平面位置重合，實現自動聚焦。
【文檔編號】G01B11/02GK103994722SQ201410142452
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月10日 優先權日:2014年4月10日
【發明者】蔣敏蘭, 鄭華清 申請人:浙江師范大學