基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法。它基于光场的位移传感器，该传感器不包含物理实体的栅线载体，而是通过干涉技术形成光场作为绝对坐标系，记录平台在光场中的运动。该方法在保证高精度的同时，简化了测量系统的结构，减小了安装误差。

Displacement measuring device and method based on light field grating

The invention discloses a displacement measuring device based on an optical field gate and a displacement measuring method thereof. It is based on the displacement sensor of the optical field, which does not contain the grid line carrier of the physical entity, but forms the optical field through the interference technology as the absolute coordinate system to record the movement of the platform in the optical field. This method not only ensures high precision, but also simplifies the structure of the measurement system and reduces the installation error.

【技术实现步骤摘要】
基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法
本专利技术涉及光学测量
，特别是涉及一种基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法。
技术介绍
大量程位移传感技术是精密加工及测量领域的关键技术之一，在高精度领域，大体可分为波长计数式(如激光干涉仪)和栅线计数式(可称之为X栅，如磁栅、容栅、光栅等)。考虑到成本及环境适应性，后者在工业生产领域应用更广。栅线计数式传感器依赖于物理实体，即X栅。该X栅固定于物理平台作为动子，其读数头固定于基座作为定子，以此记录平台的相对运动。这对定子和动子的安装提出了较高要求，而且不利于为已有运动系统加装位移传感器。物理实体的栅线载体另一缺陷是，作为坐标轴的栅线载体随平台一同运动，很难形成固定坐标系。此外，受限于栅线线距制备工艺(传统光栅、磁栅、容栅的栅线线距多在几十微米量级)，传统栅线计数式传感器的精度大多在微米量级。当前，光栅刻线已达到微米甚至亚微米量级，但其栅线工作面缺少稳定性和鲁棒性，极易发生氧化、污损或物理划伤。其敏感元件的维护和更换又将带来显著的经济成本和时间成本。
技术实现思路
本专利技术提供了基于光场栅的位移测量装置及其位移测量方法，其克服了
技术介绍
中光学测量装置所存在的不足。本专利技术解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：基于光场栅的位移测量装置，包括测量系统、线性位移工作平台和光电探测器模块；所述线性位移工作平台和光电探测器模块能固定在一起；所述测量系统包括系统光源、半透半反分光平面镜、第一激光扩束准直器、第二激光扩束准直器、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述系统光源、半透半反分光平面镜、第一激光扩束准直器、第二激光扩束准直器和第二平面反射镜相对固定以构成一个整体；所述第一平面反射镜能相对该整体摆动以能调节偏转角度，所述线性位移工作平台能相对该整体平移和旋转；所述半透半反分光平面镜设置在系统光源之前，以使系统光源发出的一束光入射到半透半反分光平面镜后被分为传播方向互相垂直且能量相等的两束相干光；所述第一激光扩束准直器和第二激光扩束准直器垂直布置且都适配半透半反分光平面镜，以使两束相干光分别经第一激光扩束准直器与第二激光扩束准直器放大直径；所述第一平面反射镜设于第一激光扩束准直器和线性位移工作平台间，所述第二平面反射镜设于第二激光扩束准直器和线性位移工作平台间，以通过第一平面反射镜和第二平面反射镜控制光路，使两束相干光都打在线性位移工作平台上表面以能产生两个椭圆光斑。上述的基于光场栅的位移测量装置的位移测量方法，包括：步骤1，调整第一平面反射镜偏转角度，以定制干涉光场的空间体积和条纹间距；步骤2，对线性位移工作平台进行平移与旋转，调整两个光斑形状与位置，使二个光斑完全重合，从而形成明暗相间的干涉条纹；重合后光斑的长轴决定系统的量程，干涉条纹的宽度决定系统的分辨率；步骤3，光电探测器模块位于干涉光场之中并与线性位移工作平台相对固定，用于采集至少两路相位差为90°的信号；步骤4，由四细分辨向计数得到位移量，并获知方向。本专利技术解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：基于光场栅的位移测量装置，包括测量系统、线性位移工作平台和光电探测器模块；所述线性位移工作平台和光电探测器模块能固定在一起；所述测量系统包括系统光源、激光扩束准直器、第一平面反射镜、第二平面反射镜和半透半反分光棱镜；所述半导体激光器、激光扩束准直器、第二平面反射镜和半透半反分光棱镜相对固定构成一个整体；所述第一平面反射镜能相对该整体摆动以能调节偏转角度，所述线性位移工作平台能相对该整体平移和旋转；所述激光扩束准直器位于系统光源之前，以通过激光扩束准直器放大系统光源发出的一束光的光束直径；所述半透半反分光棱镜位于激光扩束准直器之前以将光束分为两路能量相等且垂直的相干光；所述第一平面反射镜与第二平面反射镜配合半透半反分光棱镜和线性位移工作平台，以通过第一平面反射镜与第二平面反射镜令光路返回，再次经过半透半反分光棱镜后两束光重新汇合形成干涉场，最终在线性位移工作平台的上表面形成一个圆形光斑，其内部为明暗相间的干涉条纹。上述的基于光场栅的位移测量装置的位移测量方法，包括：步骤1，调整第一平面反射镜的偏转角度，实现干涉条纹宽度；步骤2，光电探测器模块位于干涉光场之中并与线性位移工作平台相对固定，以采集至少两路相位差为90°的干涉信号；步骤3，由四细分辨向计数得到位移量，并获知方向。本专利技术解决其技术问题的所采用的技术方案之三是：基于光场栅的位移测量装置，包括测量系统、线性位移工作平台和光电探测器模块；所述线性位移工作平台和光电探测器模块能固定在一起；所述线性位移工作平台包括两块表面光滑的玻璃板，两块玻璃板叠在一起，其中两玻璃板具有背向的第一侧和第二侧，所述两玻璃板第一侧接触，所述两玻璃板第二侧之间垫设垫块，第二侧的垫高使两玻璃板之间形成一个微小夹角进而形成空气劈尖；所述测量系统包括系统光源和激光扩束准直器；所述激光扩束准直器位于系统光源之前，以通过激光扩束准直器放大系统光源发出的一束光的光束直径，在线性位移工作平台上表面便形成一个椭圆光斑，其内部为明暗相间的等厚干涉条纹。上述的基于光场栅的位移测量装置的位移测量方法，包括：步骤1，通过微调两玻璃板之间的夹角控制测量系统的量程与分辨率；步骤2，光电探测器模块位于干涉光场之中并与线性位移工作平台相对固定，以采集至少两路相位相差90°的干涉信号；步骤3，由四细分辨向计数得到位移量，并获知方向。本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：本专利技术的系基于光场的位移传感器，该传感器不包含物理实体的栅线载体，而是通过干涉技术形成光场作为绝对坐标系，记录平台在光场中的运动。该方法在保证高精度的同时，简化了测量系统的结构，减小了安装误差。它能产生如下技术效果：1)无物理实体的X栅位移传感器。通过在测量空间形成光场栅，当探测器做垂直栅线方向运动时，其位移可被测得；2)可重构的测量范围和精度。通过形成不同间距和空间体积的干涉光场，测量范围和精度可实现定制化；3)基于数字运算的信号误差修正和计数细分算法；4)基于光电探测器阵列的超静定运算结构。通过在干涉光场中分布多个光电探测器以实现随机误差的减小和精度的提升。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术实施例一的精密位移测量装置及方法的示意图；图2为本专利技术实施例二的精密位移测量装置及方法的示意图；图3为本专利技术实施例三的精密位移测量装置及方法的示意图。具体实施方式下面实施例所用的系统光源，如采用波长为635nm，功率10mW，出光孔直径为2.5mm的半导体激光器，激光具有高方向性、高单色性、高相干性与高亮度的特性。实施例一基于光场栅的精密位移测量装置，请查阅图1，包括测量系统、线性位移工作平台7和光电探测器阵列8。所述线性位移工作平台7能相对测量系统活动，所述活动包括平移和旋转，所述线性位移工作平台7和光电探测器阵列8能固定在一起。所述测量系统构成定子，所述光电探测器阵列8构成动子。所述测量系统包括半导体激光器1、半透半反分光平面镜2、第一激光扩束准直器3、第二激光扩束准直器4、第一平面反射镜5和第二平面反射镜6，所述半导体激光器1、半透半反分光平面镜2、第一激光扩束准直器3、第二激光扩束准直器4和第二平面反射镜6相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于光场栅的位移测量装置，其特征在于：包括测量系统、线性位移工作平台和光电探测器模块；所述线性位移工作平台和光电探测器模块能固定在一起；所述测量系统包括系统光源、半透半反分光平面镜、第一激光扩束准直器、第二激光扩束准直器、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述系统光源、半透半反分光平面镜、第一激光扩束准直器、第二激光扩束准直器和第二平面反射镜相对固定以构成一个整体；所述第一平面反射镜能相对该整体摆动以能调节偏转角度，所述线性位移工作平台能相对该整体平移和旋转；所述半透半反分光平面镜设置在系统光源之前，以使系统光源发出的一束光入射到半透半反分光平面镜后被分为传播方向互相垂直且能量相等的两束相干光；所述第一激光扩束准直器和第二激光扩束准直器垂直布置且都适配半透半反分光平面镜，以使两束相干光分别经第一激光扩束准直器与第二激光扩束准直器放大直径；所述第一平面反射镜设于第一激光扩束准直器和线性位移工作平台间，所述第二平面反射镜设于第二激光扩束准直器和线性位移工作平台间，以通过第一平面反射镜和第二平面反射镜控制光路，使两束相干光都打在线性位移工作平台上表面以能产生两个椭圆光斑。

【技术特征摘要】
1.基于光场栅的位移测量装置，其特征在于：包括测量系统、线性位移工作平台和光电探测器模块；所述线性位移工作平台和光电探测器模块能固定在一起；所述测量系统包括系统光源、半透半反分光平面镜、第一激光扩束准直器、第二激光扩束准直器、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述系统光源、半透半反分光平面镜、第一激光扩束准直器、第二激光扩束准直器和第二平面反射镜相对固定以构成一个整体；所述第一平面反射镜能相对该整体摆动以能调节偏转角度，所述线性位移工作平台能相对该整体平移和旋转；所述半透半反分光平面镜设置在系统光源之前，以使系统光源发出的一束光入射到半透半反分光平面镜后被分为传播方向互相垂直且能量相等的两束相干光；所述第一激光扩束准直器和第二激光扩束准直器垂直布置且都适配半透半反分光平面镜，以使两束相干光分别经第一激光扩束准直器与第二激光扩束准直器放大直径；所述第一平面反射镜设于第一激光扩束准直器和线性位移工作平台间，所述第二平面反射镜设于第二激光扩束准直器和线性位移工作平台间，以通过第一平面反射镜和第二平面反射镜控制光路，使两束相干光都打在线性位移工作平台上表面以能产生两个椭圆光斑。2.根据权利要求1所述的基于光场栅的位移测量装置的位移测量方法，其特征在于：包括：步骤1，调整第一平面反射镜偏转角度，以定制干涉光场的空间体积和条纹间距；步骤2，对线性位移工作平台进行平移与旋转，调整两个光斑形状与位置，使二个光斑完全重合，从而形成明暗相间的干涉条纹；重合后光斑的长轴决定系统的量程，干涉条纹的宽度决定系统的分辨率；步骤3，光电探测器模块位于干涉光场之中并与线性位移工作平台相对固定，用于采集至少两路相位差为90°的信号；步骤4，由四细分辨向计数得到位移量，并获知方向。3.基于光场栅的位移测量装置，其特征在于：包括测量系统、线性位移工作平台和光电探测器模块；所述线性位移工作平台和光电探测器模块能固定在一起；所述测量系统包括系统光源、激光扩束准直器、第一平面反射镜、第二平面反射镜和半透半反分光棱镜；所述半导体激光器、激光扩束准直器、第二平面反射镜和半透半反分光棱镜相对固定构成一个整体；所述第一平面反射镜能相对该整体摆动以能调节偏转角度，所述线性位移工作平台能相对该整体平移和旋转；所述激光扩束准直器位于系统光源之前，以通过激光扩束准直器放大系统光源发出的一束光的光束直径；所述半透半反分光棱镜位于激光扩束准直器之前以将光束分为两路能量相等...

【专利技术属性】
技术研发人员：程方，叶瑞芳，苏杭，崔长彩，余卿，王寅，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35