[发明专利]基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及精密位移测量技术领域，尤其是一种基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量装置及方法。

背景技术

基于可见光光栅莫尔条纹的位移测量方法在科学技术和工业制造中取得了广泛的应用，莫尔条纹位移测量的分辨率主要取决于光栅周期和条纹细分技术，光栅周期越小，位移测量的分辨率就越高。

可见光莫尔条纹位移测量方法有两种：第一种是基于可见光几何投影莫尔条纹进行位移测量，但是当光栅周期小于20um的时候，由于光栅衍射效应增强，几何投影莫尔条纹对比度非常模糊，测量分辨率和测量精度大大降低，因此这种方法很少用于位移测量；第二种是基于可见光光栅衍射莫尔条纹进行位移测量，其利用微米量级的光栅，通过100～1000倍的条纹电子细分技术，即可实现纳米级位移测量分辨率，该方法获得了较为广泛的应用。但是为了产生明显的衍射，要求光栅缝隙宽度约大于光波波长，但当光栅周期小于光波波长时，光的散射现象明显，莫尔条纹对比度急剧降低，测量分辨率和精度大大降低。国内外目前使用的衍射光栅最小周期为0.5um，因此基于可见光光栅衍射莫尔条纹位移测量的分辨率同样受到了理论限制，目前光栅衍射莫尔条纹位移测量的精度约为1-10nm。

在可见光光栅衍射位移测量的具体实施过程中，要求第二个光栅必须位于第一个光栅的Talbot平面内，两块光栅的安装间隙误差必须远小于Talbot距离（d²/λ），可见光衍射光栅周期一般为0.5-20um，这就要求两块光栅间隙在微米量级，实际间隙与理论间隙的偏差容限非常小，这就对两块光栅的安装精度提出了非常高的要求。此外，当两块光栅之间的间隙很小时，对环境条件的要求也随之提高，即使很小的灰尘都会对光栅造成毁灭性的损伤。具体可参见参考文献：“楚兴春，纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究，国防科学技术大学工学博士学位论文，第9-14页，2005年9月”；和“李琳，基于光栅衍射光干涉的位移测量技术研究，中国科学院研究生院工学博士学位论文，第1-2页，2010年4月”。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量装置及方法，本发明能够提高现有光栅莫尔条纹位移测量技术的分辨率和灵敏度，增加两块光栅之间的距离，降低光栅安装过程中的难度，提高系统使用的稳定性和可靠性。

根据本发明的一方面，提出一种基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量装置，该装置包括：同步辐射加速器1、双晶单色器2、指示光栅3、标尺光栅4、X射线探测器5和条纹细分和显示装置6，其中：

所述同步辐射加速器1用于产生平行同步X射线光；

所述双晶单色器2用于将所述同步辐射加速器1产生的平行同步X射线光转换为单一波长、高准直的平行X射线；

所述平行X射线垂直照射顺序平行放置的指示光栅3和标尺光栅4，以产生莫尔条纹；

其中，所述指示光栅3用于对X射线进行振幅调制；

所述标尺光栅4用于对穿过指示光栅3的X射线进行振幅调制；

所述标尺光栅4与运动部件连接在一起，所述运动部件的运动方向与所述标尺光栅4的刻线方向近似垂直；

所述X射线探测器5置于所述标尺光栅4之后，用于探测所述莫尔条纹，并输出相应的电信号；

所述条纹细分和显示装置6置于所述X射线探测器5之后，用于对所述X射线探测器5输出的电信号进行条纹细分和显示处理，以进行数显控制。

根据本发明的另一方面，还提出一种基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，使用平行、单色的X射线作为光源，垂直照射顺序平行放置的指示光栅和标尺光栅；

步骤2，利用X射线探测器在所述吸收光栅后探测得到周期较大的莫尔条纹图案，所述莫尔条纹图案中，暗条纹是由一系列光栅刻槽交叉线组成的不透光部分，而白条纹则是由一系列四菱形构成的透光部分；

步骤3，将标尺光栅固定在运动部件上进行运动，测量得到莫尔条纹移动的周期数量n，即而得到被测量的运动位移量为l=nP₀，其中，P₀为标尺光栅的周期。

目前广泛应用的莫尔条纹位移测量方法是基于可见光光栅衍射莫尔条纹，而在本发明中，利用短波长的X射线（波长范围0.01-10nm）替换可见光（波长范围400-700nm），用几何投影莫尔条纹替换光栅衍射莫尔条纹，主要具有以下优点：