[发明专利]大量程纳米级光栅位移传感器

说明书

本发明涉及一种大量程光栅式精密位移测量技术。

现代科学技术尤其是现代武器制造技术的发展，对测量和定位提出了越来越高的要求。例如在微电子行业、超精密加工行业，已经要求定位对准或位移测量的分辨率达到纳米量级，而定位或测量的范围达到100～300mm，定位或测量的分辨率越来越小而范围越来越大，这构成了尖锐的矛盾。目前解决这个矛盾的方法主要有两种，一是用激光干涉仪，但当测量分辨率达到纳米量级时，激光干涉仪由于空气的流动、扰动和折射率的影响，常常测不准，稳定性和重复性都很差；二是用光栅位移传感器，它具有精度高、抗干扰能力强、可实现动态测量和较高的测量速度等特点。如德国Heidenhain公司生产的LIP382光栅位移测量系统，它采用了高线数光栅(1000～2000l/mm)，经过1到4倍光学细分，再配以100～1000倍的电子细分，从而使最终分辨率达到1nm。但它仍存在如下难以克服的缺点，一是高精度、高线数、大尺寸的光栅刻制极其困难，体现在测长上就是测量分辨率与量程的矛盾；二是测量精度受加工工艺的影响很大；三是造价昂贵。为克服测量分辨率与量程的矛盾，美国学者D.Post于1971年提出了用非对称双级闪耀参考光栅实现莫尔条纹倍增的思想，该方法的灵敏度与细光栅的栅距成反比，而量程由粗光栅的长度决定，较好地解决了高线数光栅不能做得太长所带来的问题，但在非对称双光栅位移测量中使用高线数的锯齿型闪耀光栅，由于其衍射效率较低、光路调整困难、条纹对比度差等原因造成了使用效果的不理想。

为解决上述问题，本发明提供了一种用于大量程、高分辨率位移测量的光栅位移传感器，它能实现300mm的量程，0.625μm的光学位移分辨率。

本发明是通过如下方式实现的：该光栅位移传感器包括光路和电路两部分，光路部分由激光器、半透半反分光镜、全反镜、光栅、光阑和显微镜头组成，光栅固定在被测物体上，可随被测物体在垂直于光栅法线的方向上移动，激光器、半透半反分光镜、全反镜、光阑和显微镜头安装在固定于地面的机座上；激光器、半透半反分光镜和全反镜位于光栅的左侧，光阑和显微镜头位于光栅的右侧，激光器的轴线与半透半反分光镜和全反镜的光心在同一条直线上，且该直线与光栅的轴线平行。电路部分由光电转换器和信号调理电路组成。

本发明的大量程纳米级光栅位移传感器具有如下的积极效果：

1、测量精度高，可实现0.625μm的光学位移分辨率，配以成熟的电子细分和计数电路后位移分辨率可达1nm。

2、测量量程大，可实现的最大量程为300mm。

3、采用制造相对容易的低线数长光栅和简捷的光路设计，大大降低了制造成本，具有很高的性能价格比。

附图：1．单光栅法测量原理光路图

      2．大量程纳米级光栅位移传感器结构示意图

现结合附图对本发明进行详细说明：参照图1，图中G为每毫米50线的计量光栅、B为半透半反镜，L为薄的凸透镜，M为接收屏。当P光束、Q光束射过光栅G时，分别分散成多束光，P光出射形成标记为(P,0)、(P,-1)、(P,-2)、(P,-3)等编号的衍射序列；Q光出射形成标记为(Q,0)、(Q,1)、(Q,2)、(Q,3)等编号的衍射序列。调整激光入射角i为适当值，可以使光束P和Q经光栅G衍射后形成的衍射光束两两平行。相互平行的两束光经薄透镜L会聚于光屏M上的一点，在光屏M上形成干涉条纹，且对于不同的光束会聚于不同的点。实验发现，当光栅在垂直于光轴的方向上发生位移时，条纹就会发生明暗变化，而且光栅每移过位移1μm，条纹就会明暗变化n次，即实现了n倍的光学细分。条纹信号由光电探测器接收后再经过进一步的电子细分和计数电路后即可得到光栅的位移量。