專利名稱：納米測量光柵傳感系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及納米計量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測量傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
納米測量(Inm IOOnm)技術(shù)是納米科學的一個重要分支。亞微米到納米精度的測量已成為當前工業(yè)發(fā)展和科學發(fā)展中迫切需要解決的問題?，F(xiàn)有的高精度激光干涉儀成為目前納米精度測量最廣泛應用的工具，但這些測量設(shè)備大多體積較大，使用中占用較大的空間，不利于測量實踐，難以與檢測裝置實現(xiàn)精巧集成，不符合現(xiàn)代精密機械精度設(shè)計的理念，且干涉測量技術(shù)容易受到測量環(huán)境的影響，使用時調(diào)整過程較為繁瑣。同時，隨著光柵加工技術(shù)的不斷進步，納米光柵成為精密計量光柵的發(fā)展方向，精度穩(wěn)定并且廣泛應用的光柵測量方法可實現(xiàn)納米精度的測量。目前光柵測量系統(tǒng)分辨率已經(jīng)達到納米級，測量性能基本可以和激光干涉儀媲美，而且光柵測量系統(tǒng)在實際應用中具有比激光干涉儀更強的適應性。因此，研制微型納米精度的光柵干涉測量傳感器，為目前納米科技的發(fā)展提供必要的精巧測量裝置，其中的納米測量基礎(chǔ)理論和實用方法的研究也是納米科技發(fā)展亟待解決的共性問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于，提供一種納米測量光柵傳感系統(tǒng)，解決以上技術(shù)問題。本實用新型所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)納米測量光柵傳感系統(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、兩個直角棱鏡、兩個四分之一波片、一非偏振分光棱鏡、兩個偏振分光棱鏡；所述光電探測器包括兩個；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，兩個所述直角棱鏡的斜邊均朝向所述光柵，兩個所述直角棱鏡相對設(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器。本實用新型激光器產(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)反射鏡進行反射到光柵上一點，產(chǎn)生第一次衍射，衍射光束有兩束，分別為+1級衍射光束和-ι級衍射光束，衍射光束分別經(jīng)左右兩邊的兩個直角棱鏡回到光柵上第二點，產(chǎn)生第二次衍射。由于-1級衍射光束由四分之一波片移向90°，所以回到第二點時與+1級衍射光束相位相差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級和-1級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器接收。當光柵相對光電探測器做相對運動時，兩路具有180°相移的調(diào)制信號在兩個偏振分光棱鏡的輸出端輸出，通過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°對稱的正弦波信號。光電探測器接收到的正弦波信號用于后續(xù)專用光柵信號處理與細分電路，對信號進行整形計數(shù)和細分處理。本實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被測運動的直線度要求?；谘苌涔鈻?，半導體激光光源的納米傳感裝置，構(gòu)建了易于調(diào)節(jié)小巧緊湊的納米測量光路。該測量傳感裝置易于調(diào)整定位，對測量環(huán)境要求相對激光干涉儀較低，且可實現(xiàn)微型化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時該測量傳感裝置輸出脈沖信號可以用來實現(xiàn)對平面位置的實時閉環(huán)驅(qū)動控制。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，輸出正交信號比普通光柵信號頻率高，且信號不存在零漂、正交誤差以及隨機干擾。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(shù)較小的優(yōu)點。所述激光器也可以采用量子阱式半導體激光器。以便減少本實用新型的體積。有益效果由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型偏振光路設(shè)計，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，可自我補償光柵移動時的偏擺轉(zhuǎn)角，大大提高光柵偏擺的公差，抑制光柵運動直線度誤差對測量信號的影響；集成化光路設(shè)計，減小整個測頭的體積，實現(xiàn)緊湊小巧的光路結(jié)構(gòu)，縮短了測量光路的光程，提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾的能力。

圖1為本實用新型的光路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示進一步闡述本實用新型。參照圖1，納米測量光柵傳感系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器1、光學棱鏡、 光柵3、光電探測器，光學棱鏡包括一反射鏡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。光電探測器包括兩個，分別為光電探測器41、光電探測器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22，兩個直角棱鏡的斜邊均朝向光柵3，兩個直角棱鏡相對設(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)有另一光電探測器42。本實用新型激光器產(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)反射鏡進行反射到光柵3上01點，產(chǎn)生第一次衍射，衍射光束有兩束，分別為+1級衍射光束和-1級衍射光束，衍射光束分別經(jīng)左右兩邊的兩個直角棱鏡回到光柵3上02點， 產(chǎn)生第二次衍射。由于-1級衍射光束由四分之一波片13移向90°，所以回到02點時與 +1級衍射光束相位相差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級和-1級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前方的光電探測器42、41接收。當光柵3 相對光電探測器做相對運動時，兩路具有180°相移的調(diào)制信號在兩個偏振分光棱鏡的輸出端輸出，通過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°對稱的正弦波信號。光電探測器接收到的正弦波信號用于后續(xù)專用光柵信號處理與細分電路，對信號進行整形計數(shù)和細分處理。在上述光路中，整個測量系統(tǒng)的主要的技術(shù)參數(shù)為位移測量范圍25mm ；測量重復性30nm ；分辨率彡IOnm;測量速度< 50mm/sec ；整體外觀尺寸XXYXZ(mm) :30X30X 12。光傳感器偵測到的光強為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
移與光柵移動的速度ν和衍射級次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，其對稱士1級衍射光的頻移為
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)當光柵移動四分之一柵距時，條紋信號會有一個周期(2 π)的相位變化，且Dl與 D2具有正交性，利用適當?shù)男盘柼幚矸椒纯捎嬎愠鰧嶋H位移量。本系統(tǒng)采用周期約為 0.8ym(12001/mm)的一維光柵，則光柵每移動約0. 2um正交信號變化一個周期。利用細分技術(shù)可將光柵的位移量解析到nm等級。本實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被測運動的直線度要求?；谘苌涔鈻?，半導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米測量光路。該測量傳感裝置易于調(diào)整定位，對測量環(huán)境要求相對激光干涉儀較低，且可實現(xiàn)微型化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時該測量傳感裝置輸出脈沖信號可以用來實現(xiàn)對平面位置的實時閉環(huán)驅(qū)動控制。激光器1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(shù)較小的優(yōu)點?；蛘呒す馄?也可以采用量子阱式半導體激光器，以便減少本實用新型的體積?？紤]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， 輸出正交信號比普通光柵信號頻率高，且信號不存在零漂、正交誤差以及隨機干擾。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本實用新型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實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型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實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
權(quán)利要求1.納米測量光柵傳感系統(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、兩個直角棱鏡、兩個四分之一波片、一非偏振分光棱鏡、兩個偏振分光棱鏡；所述光電探測器包括兩個；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，兩個所述直角棱鏡的斜邊均朝向所述光柵，兩個所述直角棱鏡相對設(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器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米測量光柵傳感系統(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體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米測量光柵傳感系統(tǒng)，其特征在于所述激光器采用量子阱式半導體激光器。
專利摘要本實用新型涉及納米計量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種傳感裝置。納米測量光柵傳感系統(tǒng)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器、光學棱鏡、光柵、光電探測器，所述光學棱鏡包括一反射鏡、兩個直角棱鏡、兩個四分之一波片、一非偏振分光棱鏡、兩個偏振分光棱鏡，光電探測器包括兩個。本實用新型基于衍射光柵，半導體激光光源的微型納米測量系統(tǒng)，利用這些元件構(gòu)建一納米測量光路。由于采用了上述技術(shù)方案，本實用新型將環(huán)境光源的影響降至最低，通過提高了光柵偏擺的公差，抑制光柵運動直線度誤差的影響，并實現(xiàn)了緊湊小巧的光路結(jié)構(gòu)，縮短了測量光路的光程，提高了系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾的能力。
文檔編號G01B11/02GK202229730SQ201120349390
公開日2012年5月23日 申請日期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 申請人:浙江師范大學