[实用新型]纳米测量光栅传感系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及纳米计量技术领域，具体涉及一种测量传感系统。

背景技术

纳米测量(1nm～100nm)技术是纳米科学的一个重要分支。亚微米到纳米精度的测量已成为当前工业发展和科学发展中迫切需要解决的问题。

现有的高精度激光干涉仪成为目前纳米精度测量最广泛应用的工具，但这些测量设备大多体积较大，使用中占用较大的空间，不利于测量实践，难以与检测装置实现精巧集成，不符合现代精密机械精度设计的理念，且干涉测量技术容易受到测量环境的影响，使用时调整过程较为繁琐。

同时，随着光栅加工技术的不断进步，纳米光栅成为精密计量光栅的发展方向，精度稳定并且广泛应用的光栅测量方法可实现纳米精度的测量。目前光栅测量系统分辨率已经达到纳米级，测量性能基本可以和激光干涉仪媲美，而且光栅测量系统在实际应用中具有比激光干涉仪更强的适应性。

因此，研制微型纳米精度的光栅干涉测量传感器，为目前纳米科技的发展提供必要的精巧测量装置，其中的纳米测量基础理论和实用方法的研究也是纳米科技发展亟待解决的共性问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种纳米测量光栅传感系统，解决以上技术问题。

本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

纳米测量光栅传感系统，包括用于产生激光光束的激光器、光学棱镜、光栅、光电探测器，其特征在于，所述光学棱镜包括一反射镜、两个直角棱镜、两个四分之一波片、一非偏振分光棱镜、两个偏振分光棱镜；所述光电探测器包括两个；

所述激光器的出光口左侧设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向右倾斜设置，所述反射镜的下方设有所述光栅，所述光栅的右侧设有一所述直角棱镜，一所述直角棱镜的入光面前方设有一所述四分之一波片；所述光栅的左侧设有另一所述直角棱镜，两个所述直角棱镜的斜边均朝向所述光栅，两个所述直角棱镜相对设置；

所述光栅上方设有所述非偏振分光棱镜，所述非偏振分光棱镜设置在所述反射镜的左侧；所述非偏振分光棱镜的右侧设有另一所述四分之一波片，另一所述四分之一波片的右侧设有一所述偏振分光棱镜，一所述偏振分光棱镜的右侧设有一所述光电探测器；所述非偏振分光棱镜上方设有另一所述偏振分光棱镜，另一所述偏振分光棱镜的左侧设有另一所述光电探测器。

本实用新型激光器产生的激光光束的光路和传感原理如下：激光器产生的激光光束经反射镜进行反射到光栅上一点，产生第一次衍射，衍射光束有两束，分别为+1级衍射光束和-1级衍射光束，衍射光束分别经左右两边的两个直角棱镜回到光栅上第二点，产生第二次衍射。由于-1级衍射光束由四分之一波片移向90°，所以回到第二点时与+1级衍射光束相位相差90°，还不能产生干涉。经光栅第二次衍射后的两束光经非偏振分光棱镜分为两束，再经偏振分光棱镜后，使得偏振方向分别旋转+45°和-45°，从而+1级和-1级衍射光束具有相同的偏振方向，并产生干涉，并被偏振分光棱镜前方的光电探测器接收。当光栅相对光电探测器做相对运动时，两路具有180°相移的调制信号在两个偏振分光棱镜的输出端输出，通过反向光电池抵消直流分量，从而在输出端获得两路相位差90°对称的正弦波信号。光电探测器接收到的正弦波信号用于后续专用光栅信号处理与细分电路，对信号进行整形计数和细分处理。

本实用新型采用二次衍射的光路基本结构，在一定程度上降低了对被测运动的直线度要求。基于衍射光栅，半导体激光光源的纳米传感装置，构建了易于调节小巧紧凑的纳米测量光路。该测量传感装置易于调整定位，对测量环境要求相对激光干涉仪较低，且可实现微型化系统结构，同时该测量传感装置输出脉冲信号可以用来实现对平面位置的实时闭环驱动控制。

考虑到光栅工作面的均匀性和周期性，所述光栅优选采用全息光栅。采用全息光栅，输出正交信号比普通光栅信号频率高，且信号不存在零漂、正交误差以及随机干扰。

所述激光器可以采用分布反馈式半导体激光器。分布反馈式具有无跳模、输出波长温度变化系数较小的优点。

所述激光器也可以采用量子阱式半导体激光器。以便减少本实用新型的体积。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本实用新型偏振光路设计，将环境影响光源之因素减到最低，且零阶衍射光经由偏转转向，不致回到激光头；二次衍射光路设计，可自我补偿光栅移动时的偏摆转角，大大提高光栅偏摆的公差，抑制光栅运动直线度误差对测量信号的影响；集成化光路设计，减小整个测头的体积，实现紧凑小巧的光路结构，缩短了测量光路的光程，提高了系统的抗环境干扰的能力。

附图说明