[发明专利]用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器

说明书

本发明公开了一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，它包括激光器、反射型柱面全息位相光栅、对称设置的两个平面反射镜、线密度为反射型柱面全息位相光栅线密度的两倍的参考平面光栅、对称设置的两个光电探测器、分别与两个光电探测器相连接的两个信号处理装置、一端与反射型柱面全息位相光栅相连接的测量杠杆、与测量杠杆的另一端相连接且与待测工件的表面相接触的触针；反射型柱面全息位相光栅并产生衍射角为θ的±1级衍射光，经过两个平面反射镜反射后入射至参考平面光栅上的同一光栅区域并分别在±θ角方向产生两组不同级次的衍射光的干涉条纹，分别由两个光电探测器接收并转换为电信号发送至信号处理装置进行处理。

技术领域

本发明涉及一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器。

背景技术

在表面粗糙度测量中，触针法(又称泰勒法)作为一种常用的接触式测量方法，是国际上公认的二维表面形貌测量的标准方法。触针法中采用的位移转换装置有电感式、光栅干涉式、迈克耳逊干涉式、扫描白光干涉式等。其中基于光栅衍射干涉原理的光栅干涉式位移测量系统能同时获得大量程和高分辨率，其测量标准具为光栅的栅距，不易受外在环境如温度、气压和空气湿度影响，因此光栅干涉式位移测量系统是一种非常有前景的表面形貌测量方法。目前用于表面形貌测量的光栅干涉式位移位移传感器一般分单光栅位移位移传感器(如附图1所示的单柱面光栅位移传感器)和双光栅位移位移传感器(如附图2所示的双平面光栅位移传感器)。

单光栅测量结构一般利用其±m级衍射光的干涉条纹信号记录位移信息，当光栅运动一个栅距，干涉信号变化2m个周期。1994年英国Taylor Hobson公司研制了FormTalysurf装置，几乎同时国内华中科技大学也研制了用于形貌测量的CARS系统。它们均采取以柱面光栅为核心的单光栅测量方式，利用±1级衍射光的干涉信号记录位移信息，实现了干涉信号的2倍光学细分。这种装置采用严格对称的光路结构，防止了光源漂移、外界环境扰动等对测量信号的影响，但是由于装置中要采用若干分光棱镜、分光片进行分光，增大了位移传感器的尺寸和重量，也不利于仪器的调整。

双光栅位移测量原理有两类，一类是对于线密度较小(<100lp/mm)的黑白幅值双光栅系统，其采用莫尔条纹的遮光效应实现位移信息和光电信息的转换，另一类对于线密度较大(>几百线)的高精度的双位相光栅系统，其产生的干涉条纹需要应用光栅的衍射、干涉原理进行分析。2008年华中科技大学王生怀、杨旭东、谢铁邦等人发表的论文中提到了一种利用两个平行放置的直线光栅结构经过两次衍射并在特定方向形成干涉条纹的双光栅位移位移传感器。这种装置采用直线光栅代替柱面光栅，但是在机械结构上附加了一个轴承结构或不计重量的平行弹簧结构，使机械结构复杂，增加了元件个数及自由度。另外采用该结构由于两光栅距离较近，衍射光束中除了±1级衍射光外还可能存在其他高级次衍射光发生干涉而产生高级谐波分量可能为光电探测器接收，从而降低了信号质量。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于表面形貌测量的高精度干涉型双位相光栅位移传感器，以克服单柱面光栅干涉位移传感器光路复杂、结构庞大、光学分辨率不够高以及双平面光栅机械结构复杂、干涉条纹由于存在其他高级次衍射光干涉使信号质量降低的缺点，并具有光学分辨率高、机械结构简单、体积小、干涉信号质量高的特点。