基于變間距光柵衍射的二維位移測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種位移測量裝置，尤其涉及一種二維位移測量裝置。
【背景技術】
[0002] 用于位移測量的裝置，在機械加工業中有廣泛的應用。目前，精密位移測量裝置 大多是一維的，公知的用來精密測量物體的移動的工具包括光柵尺、磁柵尺、球柵尺等，這 些都是測量一個方向上位移的，而在實際應用中被測點的位移大多產生在兩個方向上，利 用它們也可以構成測量平面位置的系統。但是，在某些比較特殊的領域，比如半導體工業測 量，測量顯微鏡，要求測量系統體積相對較小，移動方便等。公知的一種二維位移測量裝置 所用測量光柵為等寬、等間隔光柵，其衍射光分析相對復雜，信號處理過程繁瑣，不易于實 驗分析與測量。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是提供一種基于變間距光柵衍射的二維位移測量裝置，該裝置具有 抗干擾性強的優點，它能夠準確測量物體微小位移，而且數學表達式簡單。
[0004] 基于變間距光柵衍射的二維位移測量裝置，該裝置包括光源、反射鏡、聚焦透鏡、 光闌、準直透鏡、二維測量光柵、二維位移平臺、第一探測器、第二探測器和光譜儀。光源發 出的寬帶光經反射鏡入射到聚焦透鏡上，聚焦后的光通過光闌和準直透鏡垂直入射到二維 測量光柵上，光束在二維測量光柵上發生衍射，衍射光以固定角度被第一探測器、第二探測 器接收，探測的信號通過光譜儀分析處理。
[0005] 使用的光柵是變間距光柵，光柵的柵格呈等比數列變化，可以得到移動位移與光 柵周期之間的關系。由光柵方程可知，在衍射情況下測得的衍射波長與該位置處的光柵周 期具有一一對應的關系，在變間距光柵表面不同點所測得的衍射波長不同。第一探測器位 于y-z平面，與X軸方向平行的光柵刻槽所衍射的光線被第一探測器接收，可得X方向上一 級衍射光與光柵周期的關系；第二探測器位于χ-ζ平面，與y軸方向平行的光柵刻槽所衍射 的光線被第二探測器接收，可得y方向一級衍射光與光柵周期的關系。
[0006] 進一步，通過光譜儀得到衍射光的衍射光譜，分析出光強最大值所對應的波長，一 級衍射光光譜的光強度峰值對應的中心波長與傳感器的位移一一對應，這樣就精確地測出 了平面二維位移。
[0007] 本發明的有益效果：二維測量光柵和二維位移平臺粘合在一起，測量過程中只需 要移動二維位移平臺，操作簡單方便。
[0008] 再者，本發明裝置中二維測量光柵采用變間距光柵，通過測量光的波長可直接得 到平臺移動位移，而波長是光的本質屬性之一，不受壓力、溫度等外界環境的影響，測量精 確度大大提高。
【附圖說明】
[0009] 圖1二維測量裝置結構示意圖；
[0010] 圖2二維測量光柵元件局部放大示意圖；
[0011] 圖3變間距光柵衍射在Θ位置的合成光強度I和波長λ的關系曲線。
【具體實施方式】
[0012] 如圖1所示，二維位移測量的裝置，包括：光源1、反射鏡2、聚焦透鏡3、光闌4、準 直透鏡5、二維測量光柵6、二維位移平臺7、第一探測器8、第二探測器9、光譜儀10。光源1 發出的寬帶光經反射鏡2入射到聚焦透鏡3上，聚焦后的光通過光闌4和準直透鏡5垂直 入射到二維測量光柵6上，光束在二維測量光柵上發生衍射，第一探測器8和第二探測器9 以固定角度接收衍射光，探測的信號經光譜儀分析處理。
[0013] 如圖2所示，光柵是由大量變柵距的狹縫構成。二維測量光柵的尺寸為 20mmX 20mm〇
[0014] 當寬帶光垂直入射到光柵表面，以y-ζ平面測量為例，由光柵方程可知（取一級衍 射光）：
[0015] dnsin θ = λ n (I)
[0016] 變間距光柵的柵距d按等比數列變化，狹縫距離a不變。設變間距光柵柵距方程 為
[0017] dk = d〇(l-q)k (2)
[0018] k為柵距序號，1-q為柵距公比。設Cltl處對應位移Xtl = 0,該點對應一級衍射光中 心波長Acitj dn處對應的位移為Xn，根據等比數列前η項和求和公式得：
[0019] (3)
[0020]
[0021] (5)
[0022]
[0023] (6)
[0024]
[0025] (7)
[0026] 即得到了二維位移與一級衍射光中心波長的關系，可以看出Χη、Υη與λ "成簡單的 線性關系。只要測出一級衍射中心波長就可以得出二維位移值。通過探測器得到衍射光譜， 分析出光強最大值所對應的波長，一級衍射光光譜的光強度峰值對應的中心波長與二維位 移平臺移動的位移一一對應，這樣就精確地測出了平面二維位移。
[0027] 如圖3所示，為二維測量時變間距光柵衍射在Θ位置的合成光強度I和波長λ 的關系曲線，以y_z平面測量為例。對于等狹縫變間距光柵，每一種確定的波長λπ，可按光 強公式計算出它們在Θ方向的合成光強度Im。用積分法求得通過第η個單縫的衍射光在 焦平面上的合成振動公式為：
[0028]
(8)
[0029] 式中Etl-光波振幅；a_光縫寬度；λ m-單色平行光波長；
[0030] β -第η條狹縫衍射光合成振幅系數；
[0031]
(9)
[0032] Θ -出射角；
[0033] Θ = arcsin (λ m/d〇) (10)
[0034] d。-起始柵距。
[0035] 通過N條光縫的N束衍射平行光，其相位均不相同，則通過第η條光縫的衍射光， 其光波的向量表達式為：
[0036] Mn= βΕ〇θ1(ω^Γ+δη)(η = 0,1,2, -,N-1) (11)
[0037] 式中，ω-圓頻率，常數；t_時間r_初相位；c-常數；dn-第η個柵距；δ η-第η條 狹縫衍射光相位角
[0038]
(12)
[0039] 求解N束相干光的合成問題是向量求和問題，它們合成向量的表達式為：
[0040]
(13)
[0041] 適當的選擇單位，可將合成光強度I用合成光向量M振幅的平方表示為：
[0042]
(14)
[0043] 式中，I。-入射光強，I。= E02。
[0044] 應用光柵衍射強度分布的一般公式計算該傳感器焦平面處各種波長的合成光強 度。傳感器入射光為寬帶光（設波長下限位λζ，波長上線為At)，但各種波長是不相干的。 按上式計算光柵衍射強度分布，以起始柵距Cltl為基準柵距，λ m = λ ^為基準波長，則出射角 Θ由下式確定：
[0045] Θ = arcsin ( λ 〇/d〇) (15)
[0046] 對每一種確定的波長λ m，可按光強公式計算出它們在Θ方向的合成光強度Im。 分別計算出對應λ z~λ t每種波長的合成光強度Iz~It，則可得變柵距光柵在Θ方向的 合成衍射光強度I與波長λ的關系曲線I = f ( λ )。找到合成光強峰值點對應的波長λ n， 從而得出x方向的位移Xn。同理可得y方向的位移Yn。
[0047] 計算表明，當光斑照射該變間距光柵不同位置時，其一級衍射光均為窄帶光，但帶 寬隨柵線密度增加而減小；并且，合成光強度最大值對應的波長，均近似等于相應窄帶光中 心波長。
[0048] 當平面移動時，引起光學系統聚焦點掃描光柵，一級衍射光合成光強最大值對應 的中心波長發生變化，通過中心波長的變化，最終得到二維位移平臺的運動軌跡。所以在測 量過程中，只需要找到合成光強度最大值對應的波長，即可得光域中心柵距相對應的位移。
【主權項】
1. 基于變間距光柵衍射的二維位移測量裝置，該裝置包括光源、反射鏡、聚焦透鏡、光 闌、準直透鏡、二維測量光柵、二維位移平臺、第一探測器、第二探測器和光譜儀，光源發出 的寬帶光經反射鏡入射到聚焦透鏡上，聚焦后的光通過光闌和準直透鏡垂直入射到二維測 量光柵上，光束在二維測量光柵上發生衍射，衍射光以固定角度被第一探測器、第二探測器 接收，探測的信號通過光譜儀分析處理。2. 根據權利要求1所述的基于變間距光柵衍射的二維位移測量裝置，其特征在于：第 一探測器位于y-z平面，與X軸方向平行的光柵刻槽所衍射的光線被第一探測器接收，第二 探測器位于x-z平面，與y軸方向平行的光柵刻槽所衍射的光線被第二探測器接收。3. 根據權利要求1所述的基于變間距光柵衍射的二維位移測量裝置，其特征在于：使 用的二維測量光柵是變間距光柵，光柵的柵格呈等比數列變化，得到移動位移與光柵周期 之間的關系。
【專利摘要】本發明公開了一種基于變間距光柵衍射的二維位移測量裝置，解決了現有二維位移測量中，測量系統體積較大，數學處理方法復雜的問題，包括：光源、反射鏡、聚焦透鏡、光闌、準直透鏡、二維測量光柵、二維位移平臺、第一探測器、第二探測器和光譜儀。當光源發出的寬帶光通過反射鏡后平行入射到聚焦透鏡上，聚焦后的光通過光闌、準直透鏡垂直入射到二維測量光柵上，光束在二維測量光柵上發生衍射，探測器以固定角度接收衍射光，探測的信號經光譜儀分析處理。本發明所述的裝置在測量過程中準確方便，并減少了裝置的體積。
【IPC分類】G01B11/02
【公開號】CN104913725
【申請號】CN201410100218
【發明人】樓俊, 李本沖, 許宏志, 譚耀成, 徐賁, 黃杰, 沈為民
【申請人】中國計量學院
【公開日】2015年9月16日
【申請日】2014年3月14日