基于自聚焦原理的光栅精密测量结构及测量方法技术

本发明专利技术涉及传感系统光学结构。基于自聚焦原理的光栅精密测量结构及测量方法，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，光学棱镜包括一反射镜、一分光镜、一准直镜；光栅包括第一光栅、第二光栅，以第一光栅作为一分光光栅，以第二光栅作为一测量光栅；激光器的出光口设有分光光栅，分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，分光光栅上方设有分光镜，分光镜的左方设有反射镜，反射镜的反射面位于右侧，反射镜向左倾斜设置，反射镜的上方设有准直镜，准直镜的上方设有物镜，物镜的上方设有测量光栅；分光镜的右方设有一柱面镜，柱面镜右方设有光电探测器。本发明专利技术读数系统成本低，且体积小、集成化程度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及精密仪器和精密测量
，具体涉及传感系统光学结构。
技术介绍
光栅位移传感器作为制造、检测设备的关键测量器件，综合光、机、电技术将机械位置信息转换成相应的电信号输出，实现对角度、尺寸、位移等相关机械几何量的测量，具有测量精度高、行程大、非接触、无磨损、抗干扰能力强等优点，广泛应用于机床数显数控、测量仪器、精密制造等
。光栅线位移传感器作为精密制造行业和精密测量仪器的关键部件，随着光电技术的进步，几何遮光原理的光栅传感方法难以满足微纳米测量的需要，因而我国科学家也急需开发新型微纳米传感器以满足我国工业发展的需要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种，解决以上技术问题。本专利技术所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现:基于自聚焦原理的光栅精密测量结构，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、一分光镜、一准直镜；所述光栅包括一第一光栅、第二光栅，以所述第一光栅作为一分光光栅，以所述第二光栅作为一测量光栅；所述激光器的出光口设有所述分光光栅，所述分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，所述分光光栅上方设有所述分光镜，所述分光镜的左方设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向左倾斜设置，所述反射镜的上方设有所述准直镜，所述准直镜的上方设有所述物镜，所述物镜的上方设有所述测量光栅；所述分光镜的右方设有一柱面镜，所述柱面镜右方设有所述光电探测器。本专利技术激光器发出的光束经分光光栅衍射后分为O级和± I级光束,O级光束用于测量，±1级光束获得循迹伺服信号用于判别光栅位移方向。将三束衍射光依次途径所述分光镜、所述反射镜、所述准直镜、所述物镜后聚焦到所述测量光栅上；经准直镜后成三束平行光束，进入物镜聚焦于测量光栅上，测量光栅上测量信号的反射光束按原路返回至分光镜后经柱面镜后聚焦在光电探测器上，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。所述分光光栅是透射式光栅，所述测量光栅是反射式光栅。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。以便减少本专利技术的体积。所述激光器包括一激光二极管。用以发出光束。所述光电探测器是一六象限光电探测器，所述六象限光电探测器内设有一检测电路，所述六象限光电探测器通过所述检测电路连接一信号处理电路，所述信号处理电路连接一 PID反馈控制电路；所述PID反馈控制电路连接一压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器固定连接所述物镜。六象限光电探测器输出的聚焦误差信号(电压信号)经六象限光电探测器的检测电路后，通过信号处理电路送PID反馈控制电路，PID反馈控制电路驱动压电陶瓷驱动器，从而带动物镜移动，使得物镜焦点和测量光栅平面位置重合，实现自动聚焦。六象限光电探测器输出的聚焦误差信号(电压信号)随测量光栅平面位置离物镜焦平面距离变化呈现S型。当被测点离焦距离大于物镜的景深即出现失焦现象时，压电陶瓷驱动器在电压下形变，带动物镜移动，使物镜焦点移至被测表面，此即自动聚焦原理。所述光电探测器的感光面正对朝向所述柱面镜的出射光。所述反射镜沿水平方向上的倾斜角度为20°?70°。以便更好的将衍射光束射入其他光学棱镜。所述六象限光电探测器设有三个感光区域，用于感应O级光束的第一感光区域、用于感应-1级光束的第二感光区域、用于感应+1级光束的第三感光区域，所述第二感光区域与所述第三感光区域分别位于所述第一感光区域的左右两侧。三个感光区域强弱对应测量点离开物镜的焦平面的距离，这三个聚焦点对应光栅余弦起伏表明固定的相位差信息，结合三感测区信号的大小，实现实时判定光栅运动方向。[0021 ] 所述光电探测器内设有一光电池，所述光电池为一薄膜光电池，所述薄膜光电池均匀的涂覆于所述三个感光区域的上方或下方。从而实现自发电，便于工作所需用电。所述薄膜光电池连接有一电量存储装置，所述电量存储装置设有一电源输出端。用于连接本专利技术的其他用电器件，提供本专利技术的用电器件所需的电量。还包括一驱动模块，所述驱动模块连接所述信号处理电路；所述分光镜下方设有一旋转机座，所述驱动模块通过一传动机构连接所述旋转基座。从而实现调整分光镜角度(狭缝或焦距)。基于自聚焦原理的光栅精密测量方法，所述激光器发出的光束经所述分光光栅衍射后分为O级和±1级光束，O级光束用于测量，±1级光束获得循迹伺服信号用于判别光栅位移方向；O级和土 I级光束三光束依次经过所述分光镜，所述反射镜、经所述准直镜后成三束平行光束，进入所述物镜聚焦于所述测量光栅上；所述测量光栅上测量信号的反射光束按原路返回至所述分光镜；O级和±1级光束三光束后经所述柱面镜后聚焦在所述六象限光电探测器上，所述六象限光电探测器输出的聚焦误差信号(电压信号)经检测电路、信号处理电路传输信号至PID反馈控制电路，反馈控制电路驱动压电陶瓷驱动器带动所述物镜移动，使得所述物镜焦点和所述测量光栅平面位置重合，实现自动聚焦。有益效果:本专利技术将光栅精密测量系统和激光器的扫描特性进行结合，利用激光器的激光头聚焦和自动聚焦两种测量方法的互补优势，实现对光栅栅线的精密测量。基于直读光栅栅线的微纳米光栅测量系统，实现读数头与光栅面之间的自适应读数，降低了传统光栅尺因与读数头装夹定位对准而引入的误差对测量结果的影响。同时该读数方法利用激光头锁轨信号，突破传统辩向方法，提高了测量精度。采用光存储技术的产业化成果，读数系统成本较低，且体积小、集成化程度较高，可为精密制造、精密测量提供嵌入式的纳米测量设备。本专利技术最终实现位移测量范围:40mm ;测量重复性:10nm ;系统分辨率达到:lnm。【附图说明】图1为本专利技术的一种整体结构示意图；图2为本专利技术六象限光电探测器的结构示意图；图3为本专利技术激光器衍射出的三束光束在测量光栅上的聚焦示意图。【具体实施方式】为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明自了解，下面结合具体图示进一步阐述本专利技术。参照图1、图2、图3，，包括用于产生激光光束的激光器1、光学棱镜、光栅、光电探测器9,光学棱镜包括一反射镜4、一分光镜3、一准直镜5 ;光栅包括一第一光栅、第二光栅，以第一光栅作为一分光光栅2,以第二光栅作为一测量光栅7 ;激光器I的出光口设有分光光栅2，分光光栅2将激光器I发出的激光分为三束衍射光，分光光栅2上方设有分光镜3,分光镜3的左方设有反射镜4,反射镜4的反射面位于右侧，且反射镜4向左倾斜设置，反射镜4的上方设有准直镜5，准直镜5的上方设有物镜6，物镜6的上方设有测量光栅7 ;分光镜3的右方设有一柱面镜8，柱面镜8右方设有光电探测器9。本专利技术激光器I发出的光束经分光光栅2衍射后分为+1级光束α、-1级光束Y和O级光束β这三束光束，O级光束用于测量，±1级光束获得循迹伺服信号用于判别光栅位移方向。将三束衍射光依次途径分光镜3、反射镜4、准直镜5、物镜6后聚焦到测量光栅7上；经准直镜5后成三束平行光束，进入物镜6聚焦于测量光栅7上，测量光栅7上测量信号的反射光束按原路返回至分光镜3后经柱面镜8后聚焦在光电探测器9上，光电本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于自聚焦原理的光栅精密测量结构，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、一分光镜、一准直镜；所述光栅包括一第一光栅、第二光栅，以所述第一光栅作为一分光光栅，以所述第二光栅作为一测量光栅；所述激光器的出光口设有所述分光光栅，所述分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，所述分光光栅上方设有所述分光镜，所述分光镜的左方设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向左倾斜设置，所述反射镜的上方设有所述准直镜，所述准直镜的上方设有所述物镜，所述物镜的上方设有所述测量光栅；所述分光镜的右方设有一柱面镜，所述柱面镜右方设有所述光电探测器。

【技术特征摘要】
1.基于自聚焦原理的光栅精密测量结构，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、一分光镜、一准直镜； 所述光栅包括一第一光栅、第二光栅，以所述第一光栅作为一分光光栅，以所述第二光栅作为一测量光栅； 所述激光器的出光口设有所述分光光栅，所述分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，所述分光光栅上方设有所述分光镜，所述分光镜的左方设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向左倾斜设置，所述反射镜的上方设有所述准直镜，所述准直镜的上方设有所述物镜，所述物镜的上方设有所述测量光栅； 所述分光镜的右方设有一柱面镜，所述柱面镜右方设有所述光电探测器。2.根据权利要求1所述的基于自聚焦原理的光栅精密测量结构，其特征在于:所述激光器是分布反馈式半导体激光器。3.根据权利要求2所述的基于自聚焦原理的光栅精密测量结构，其特征在于:所述激光器是量子阱式半导体激光器。4.根据权利要求1、2或3所述的基于自聚焦原理的光栅精密测量结构，其特征在于:所述激光器包括一激光二极管。5.根据权利要求1所述的基于自聚焦原理的光栅精密测量结构，其特征在于:所述光电探测器是一六象限光电探测器，所述六象限光电探测器内设有一检测电路，所述六象限光电探测器通过所述检测电路连接一信号处理电路，所述信号处理电路连接一 PID反馈控制电路； 所述PID反馈控制电路连接一压电陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋敏兰，郑华清，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33