基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)?；谧跃劢乖淼膫鞲邢到y(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器、光學(xué)棱鏡、光柵、光電探測器，光學(xué)棱鏡包括一反射鏡、一分光鏡、一準直鏡；光柵包括第一光柵、第二光柵，以第一光柵作為一分光光柵，以第二光柵作為一測量光柵；激光器的出光口設(shè)有分光光柵，分光光柵將激光器發(fā)出的激光分為三束衍射光，分光光柵上方設(shè)有分光鏡，分光鏡的左方設(shè)有反射鏡，反射鏡的反射面位于右側(cè)，反射鏡向左傾斜設(shè)置，反射鏡的上方設(shè)有準直鏡，準直鏡的上方設(shè)有物鏡，物鏡的上方設(shè)有測量光柵；分光鏡的右方設(shè)有一柱面鏡，柱面鏡右方設(shè)有光電探測器。本實用新型讀數(shù)系統(tǒng)成本低，且體積小、集成化程度高。
【專利說明】基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及精密儀器和精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著精密制造技術(shù)和超精密加工技術(shù)的迅速發(fā)展，其精度參數(shù)多為微納米數(shù)量級(Inm-1Onm),目前同時滿足大測量范圍和納米級分辨率要求的應(yīng)用最為廣泛的測量儀器是激光干涉儀，但是激光干涉儀易受測量環(huán)境影響，使用過程調(diào)整繁瑣，同時體積龐大，不利于系統(tǒng)集成，不符合現(xiàn)代精密機械設(shè)計的理念。
[0003]光柵位移傳感器作為制造、檢測設(shè)備的關(guān)鍵測量器件，綜合光、機、電技術(shù)將機械位置信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出，實現(xiàn)對角度、尺寸、位移等相關(guān)機械幾何量的測量，具有測量精度高、行程大、非接觸、無磨損、抗干擾能力強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于機床數(shù)顯數(shù)控、測量儀器等【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0004]隨著光柵加工和信號處理技術(shù)的不斷進步，目前高精度光柵測量系統(tǒng)測量精度基本可以和激光干涉儀媲美，而且在實際使用中具有比激光干涉儀更強的適應(yīng)性，且光柵測量系統(tǒng)集成化程度較高，如若將光柵技術(shù)增設(shè)到精密儀器和精密測量技術(shù)中就可以有效的彌補激光干涉儀存在的缺陷。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的目的在于，提供一種基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，解決以上技術(shù)問題。
[0006]本實用新型所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器、光學(xué)棱鏡、光柵、光電探測器，其特征在于，所述光學(xué)棱鏡包括一反射鏡、一分光鏡、一準直鏡；
[0008]所述光柵包括一第一光柵、第二光柵，以所述第一光柵作為一分光光柵，以所述第二光柵作為一測量光柵；
[0009]所述激光器的出光口設(shè)有所述分光光柵，所述分光光柵將激光器發(fā)出的激光分為三束衍射光，所述分光光柵上方設(shè)有所述分光鏡，所述分光鏡的左方設(shè)有所述反射鏡，所述反射鏡的反射面位于右側(cè)，且所述反射鏡向左傾斜設(shè)置，所述反射鏡的上方設(shè)有所述準直鏡，所述準直鏡的上方設(shè)有所述物鏡，所述物鏡的上方設(shè)有所述測量光柵；
[0010]所述分光鏡的右方設(shè)有一柱面鏡，所述柱面鏡右方設(shè)有所述光電探測器；
[0011 ] 所述光電探測器連接一信號處理電路，所述信號處理電路連接一 PID反饋控制電路；
[0012]所述PID反饋控制電路連接一壓電陶瓷驅(qū)動器，所述壓電陶瓷驅(qū)動器固定連接所述物鏡。
[0013]本實用新型激光器發(fā)出的光束經(jīng)分光光柵衍射后分為O級和土 I級光束，O級光束用于測量，±1級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向。將三束衍射光依次途徑所述分光鏡、所述反射鏡、所述準直鏡、所述物鏡后聚焦到所述測量光柵上；經(jīng)準直鏡后成三束平行光束，進入物鏡聚焦于測量光柵上，測量光柵上測量信號的反射光束按原路返回至分光鏡后經(jīng)柱面鏡后聚焦在光電探測器上，光電探測器接收到的正弦波信號用于后續(xù)專用光柵信號處理與細分電路，對信號進行整形計數(shù)和細分處理。
[0014]光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)通過信號處理電路送PID反饋控制電路，PID反饋控制電路驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動器，從而帶動物鏡移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，實現(xiàn)自動聚焦。光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)隨測量光柵平面位置離物鏡焦平面距離變化呈現(xiàn)S型。當被測點離焦距離大于物鏡的景深即出現(xiàn)失焦現(xiàn)象時，壓電陶瓷驅(qū)動器在電壓下形變，帶動物鏡移動，使物鏡焦點移至被測表面，此即自動聚焦原理。
[0015]所述分光光柵是透射式光柵，所述測量光柵是反射式光柵。
[0016]所述激光器可以采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器。分布反饋式具有無跳模、輸出波長溫度變化系數(shù)較小的優(yōu)點。
[0017]所述激光器也可以采用量子阱式半導(dǎo)體激光器。以便減少本實用新型的體積。
[0018]所述激光器包括一激光二極管。用以發(fā)出光束。
[0019]所述光電探測器的感光面正對朝向所述柱面鏡的出射光。
[0020]所述反射鏡沿水平方向上的傾斜角度為20°?70°。以便更好的將衍射光束射入其他光學(xué)棱鏡。
[0021]所述光電探測器是六象限光電探測器，所述六象限光電探測器內(nèi)設(shè)有一檢測電路，所述六象限光電探測器通過所述檢測電路連接所述信號處理電路。
[0022]所述六象限光電探測器設(shè)有三個感光區(qū)域，用于感應(yīng)O級光束的第一感光區(qū)域、用于感應(yīng)-1級光束的第二感光區(qū)域、用于感應(yīng)+1級光束的第三感光區(qū)域，所述第二感光區(qū)域與所述第三感光區(qū)域分別位于所述第一感光區(qū)域的左右兩側(cè)。三個感光區(qū)域強弱對應(yīng)測量點離開物鏡的焦平面的距離，這三個聚焦點對應(yīng)光柵余弦起伏表明固定的相位差信息，結(jié)合三感測區(qū)信號的大小，實現(xiàn)實時判定光柵運動方向。
[0023]有益效果:本實用新型將光柵精密測量系統(tǒng)和激光器的掃描特性進行結(jié)合，利用激光器的激光頭聚焦和自動聚焦兩種測量方法的互補優(yōu)勢，實現(xiàn)對光柵柵線的精密測量?；谥弊x光柵柵線的微納米光柵測量系統(tǒng)，實現(xiàn)讀數(shù)頭與光柵面之間的自適應(yīng)讀數(shù)，降低了傳統(tǒng)光柵尺因與讀數(shù)頭裝夾定位對準而引入的誤差對測量結(jié)果的影響。同時該讀數(shù)方法利用激光頭鎖軌信號，突破傳統(tǒng)辯向方法，提高了測量精度。采用光存儲技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化成果，讀數(shù)系統(tǒng)成本較低，且體積小、集成化程度較高，可為精密制造、精密測量提供嵌入式的納米測量設(shè)備。本實用新型最終實現(xiàn)位移測量范圍:40mm ;測量重復(fù)性:10nm ;系統(tǒng)分辨率達到:lnm。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型的一種整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為本實用新型六象限光電探測器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為本實用新型激光器衍射出的三束光束在測量光柵上的聚焦示意圖?！揪唧w實施方式】
[0027]為了使本實用新型實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體圖示進一步闡述本實用新型。
[0028]參照圖1、圖2、圖3，基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器1、光學(xué)棱鏡、光柵、光電探測器9,光學(xué)棱鏡包括一反射鏡4、一分光鏡3、一準直鏡5 ;光柵包括一第一光柵、第二光柵，以第一光柵作為一分光光柵2,以第二光柵作為一測量光柵7 ;激光器I的出光口設(shè)有分光光柵2,分光光柵2將激光器I發(fā)出的激光分為三束衍射光，分光光柵2上方設(shè)有分光鏡3，分光鏡3的左方設(shè)有反射鏡4，反射鏡4的反射面位于右側(cè)，且反射鏡4向左傾斜設(shè)置，反射鏡4的上方設(shè)有準直鏡5，準直鏡5的上方設(shè)有物鏡
6,物鏡6的上方設(shè)有測量光柵7 ;分光鏡3的右方設(shè)有一柱面鏡8,柱面鏡8右方設(shè)有光電探測器9。本實用新型激光器I發(fā)出的光束經(jīng)分光光柵2衍射后分為+1級光束α、_1級光束Y和O級光束β這三束光束，O級光束α用于測量，± I級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向。將三束衍射光依次途徑分光鏡3、反射鏡4、準直鏡5、物鏡6后聚焦到測量光柵7上；經(jīng)準直鏡5后成三束平行光束，進入物鏡6聚焦于測量光柵7上，測量光柵7上測量信號的反射光束按原路返回至分光鏡3后經(jīng)柱面鏡8后聚焦在光電探測器9上，光電探測器9接收到的正弦波信號用于后續(xù)專用光柵信號處理與細分電路，對信號進行整形計數(shù)和細分處理。
[0029]光電探測器9是一六象限光電探測器，六象限光電探測器內(nèi)設(shè)有一檢測電路10，六象限光電探測器通過檢測電路10連接一信號處理電路11，信號處理電路11連接一 PID反饋控制電路12 ；PID反饋控制電路12連接一壓電陶瓷驅(qū)動器12，壓電陶瓷驅(qū)動器12固定連接物鏡6。
[0030]六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)經(jīng)六象限光電探測器的檢測電路后，通過信號處理電路送PID反饋控制電路，PID反饋控制電路驅(qū)動壓電陶瓷驅(qū)動器，從而帶動物鏡移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，實現(xiàn)自動聚焦。六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)隨測量光柵平面位置離物鏡焦平面距離變化呈現(xiàn)S型。當被測點離焦距離大于物鏡的景深即出現(xiàn)失焦現(xiàn)象時，壓電陶瓷驅(qū)動器在電壓下形變，帶動物鏡移動，使物鏡焦點移至被測表面，此即自動聚焦原理。
[0031]物鏡自動鎖焦于測量光柵的被測反射面，始終隨著測量光柵的被測反射面的表面微形貌起伏，物鏡位移量和壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動電壓信號成一一對應(yīng)關(guān)系，而壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動電壓取決于六象限探測器輸出的聚焦誤差信號。由于聚焦誤差信號具有高分辨率與高精度的特性，從而能自適應(yīng)光柵對準姿態(tài)，實現(xiàn)讀數(shù)頭與光柵面之間的自適應(yīng)讀數(shù)。
[0032]六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號的線性范圍原理上為7um左右，在應(yīng)用中難以對準，測量時采用分兩步實現(xiàn):首先，基于該聚焦誤差信號經(jīng)處理后送高精度壓電陶瓷驅(qū)動器帶動物鏡移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，找到測量光柵焦平面，實現(xiàn)自動聚焦，此時維持物鏡位置不變，即鎖定焦平面。然后運用該聚焦誤差信號進行光柵柵線周期測量，根據(jù)光柵柵線的輪廓測試曲線結(jié)合信號處理技術(shù)計算出光柵相對于讀數(shù)頭的位移量
[0033]參見圖2，六象限光電探測器設(shè)有三個感光區(qū)域，用于感應(yīng)O級光束的第一感光區(qū)域21、用于感應(yīng)-1級光束的第二感光區(qū)域22、用于感應(yīng)+1級光束的第三感光區(qū)域23，第二感光區(qū)域22與第三感光區(qū)域23分別位于第一感光區(qū)域21的左右兩側(cè)。第二感光區(qū)域22、第三感光區(qū)域23對應(yīng)于光盤讀取時的鎖軌信號(即在光盤讀取某軌道信號時防止變軌的信號)，三個感光區(qū)域強弱對應(yīng)測量點離開物鏡的焦平面的距離，這三個聚焦點對應(yīng)光柵余弦起伏表明固定的相位差信息，結(jié)合三感測區(qū)信號的大小，實現(xiàn)實時判定光柵運動方向。測量過程中，六象限光電探測器中A/B/C/D、E、F三個感光區(qū)域?qū)?yīng)O級、+1級和-1級光束。第一感光區(qū)域通過感應(yīng)O級光束聚焦在第一感光區(qū)域的焦點形狀，通過光電探測器輸出不同的電壓信號，得到測量光柵平面位置離物鏡焦平面距離變化情況。
[0034]分光光柵2是透射式光柵,測量光柵7是反射式光柵。
[0035]激光器I可以采用分布反饋式半導(dǎo)體激光器。分布反饋式具有無跳模、輸出波長溫度變化系數(shù)較小的優(yōu)點。激光器I也可以采用量子阱式半導(dǎo)體激光器。以便減少本實用新型的體積。激光器I包括一激光二極管。用以發(fā)出光束。
[0036]光電探測器9的感光面正對朝向柱面鏡8的出射光。反射鏡4沿水平方向上的傾斜角度為20°?70°。以便更好的將衍射光束射入其他光學(xué)棱鏡。
[0037]有益效果:本實用新型將光柵精密測量系統(tǒng)和激光器的掃描特性進行結(jié)合，利用激光器的激光頭聚焦和自動聚焦兩種測量方法的互補優(yōu)勢，實現(xiàn)對光柵柵線的精密測量?；谥弊x光柵柵線的微納米光柵測量系統(tǒng)，實現(xiàn)讀數(shù)頭與光柵面之間的自適應(yīng)讀數(shù)，降低了傳統(tǒng)光柵尺因與讀數(shù)頭裝夾定位對準而引入的誤差對測量結(jié)果的影響。同時該讀數(shù)方法利用激光頭鎖軌信號，突破傳統(tǒng)辯向方法，提高了測量精度。采用光存儲技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化成果，讀數(shù)系統(tǒng)成本較低，且體積小、集成化程度較高，可為精密制造、精密測量提供嵌入式的納米測量設(shè)備。本實用新型最終實現(xiàn)位移測量范圍:40mm ;測量重復(fù)性:10nm ;系統(tǒng)分辨率達到:lnm。
[0038]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，包括用于產(chǎn)生激光光束的激光器、光學(xué)棱鏡、光柵、光電探測器，其特征在于，所述光學(xué)棱鏡包括一反射鏡、一分光鏡、一準直鏡； 所述光柵包括一第一光柵、第二光柵，以所述第一光柵作為一分光光柵，以所述第二光柵作為一測量光柵； 所述激光器的出光口設(shè)有所述分光光柵，所述分光光柵將激光器發(fā)出的激光分為三束衍射光，所述分光光柵上方設(shè)有所述分光鏡，所述分光鏡的左方設(shè)有所述反射鏡，所述反射鏡的反射面位于右側(cè)，且所述反射鏡向左傾斜設(shè)置，所述反射鏡的上方設(shè)有所述準直鏡，所述準直鏡的上方設(shè)有物鏡，所述物鏡的上方設(shè)有所述測量光柵； 所述分光鏡的右方設(shè)有一柱面鏡，所述柱面鏡右方設(shè)有所述光電探測器； 所述光電探測器連接一信號處理電路，所述信號處理電路連接一 PID反饋控制電路； 所述PID反饋控制電路連接一壓電陶瓷驅(qū)動器，所述壓電陶瓷驅(qū)動器固定連接所述物鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述激光器是分布反饋式半導(dǎo)體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述激光器是量子阱式半導(dǎo)體激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述激光器包括一激光二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述光電探測器的感光面正對朝向所述柱面鏡的出射光。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述反射鏡沿水平方向上的傾斜角度為20°?70°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述光電探測器是六象限光電探測器，所述六象限光電探測器內(nèi)設(shè)有一檢測電路，所述六象限光電探測器通過所述檢測電路連接所述信號處理電路。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述六象限光電探測器設(shè)有三個感光區(qū)域，用于感應(yīng)O級光束的第一感光區(qū)域、用于感應(yīng)-1級光束的第二感光區(qū)域、用于感應(yīng)+1級光束的第三感光區(qū)域，所述第二感光區(qū)域與所述第三感光區(qū)域分別位于所述第一感光區(qū)域的左右兩側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自聚焦原理的傳感系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述分光光柵是透射式光柵，所述測量光柵是反射式光柵。
【文檔編號】G01B11/02GK203811135SQ201420172299
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】蔣敏蘭, 鄭華清 申請人:浙江師范大學(xué)