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

摘要

本发明公开了一种基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量装置，该装置包括：同步辐射加速器，用于产生平行同步X射线光；双晶单色器将X射线光转换为单一波长、高准直的平行X射线；X射线垂直照射顺序平行放置的指示光栅和标尺光栅，以产生莫尔条纹；标尺光栅与运动部件连接在一起；X射线探测器，用于探测莫尔条纹并输出相应的电信号；条纹细分和显示装置，用于对X射线探测器输出的电信号进行条纹细分和显示处理。本发明还公开了一种基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量方法。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。

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：

优点一：利用短波长的X射线作为光源，在产生明显几何投影莫尔条 纹的情况下，使用的光栅周期最小可以降低至纳米量级，经过条纹细分技 术，该方法进行位移测量的分辨率可以达到皮米量级（1皮米=10^-12米）。 而目前可见光光栅衍射莫尔条纹位移测量的分辨率约为1-10nm，因此利用 该方法进行精密位移测量，分辨率可以提高2～3个量级；

优点二：用几何投影莫尔条纹代替光栅衍射莫尔条纹进行精密位移测 量，两块光栅之间的间隙不再受到Talbot距离的限制，可以根据实际情况 自由调节，这大大方便了两块光栅的安装固定，从而提高了系统的稳定性 和抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量装置结构 示意图；

图2是本发明基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量方法的流 程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明基于X射线几何投影莫尔条纹位移测量方案使用的是X射线， 考虑到X射线对人体的危害，本发明又需要同步辐射加速器来产生高性能 的X射线光源。因此，本发明适用于在同步辐射加速器内建立超精密位移 测量中心，用于非常特殊场合下的位移测量以及相关的角度、偏心量、应 力变形测量。

图1是本发明基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量装置结构 示意图，如图1所示，所述基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量 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；

其中，所述X射线为短波长X射线，其波长范围为0.01-10nm。

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；

在本发明一实施例中，所述指示光栅3和标尺光栅4的光栅周期相等， 所述标尺光栅4与指示光栅3的栅线之间形成一个微小的夹角θ。

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。

所述条纹细分和显示装置6一般包括前置放大电路、整形电路、译码 电路、倍频电路、误差校正电路、存储电路及显示电路等。

图2是本发明基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量方法的流 程图，如图2所示，所述基于X射线几何投影莫尔条纹的精密位移测量方 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，其中，指示光栅和标尺光栅的周期相等，均为P₀， 两块光栅栅线间形成一个微小的夹角θ；

其中，所述X射线为短波长X射线，其波长范围为0.01-10nm。

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；

所述莫尔条纹的周期为$P=\frac{\sqrt{P_0^2+P_0^2+2P_0{P}_0\cos \theta }}{2\mathrm{SIN\theta }}=\frac{P_0}{2\sin (\theta /2)},$当夹角θ很 小的时候，另外，莫尔条纹的方向近似与标尺光栅 的刻线垂直。

如果一块光栅在垂直于栅线的方向上移动一个光栅周期P₀，则莫尔条 纹相应的移过一个摩尔条纹周期P，由上式看出，莫尔条纹的周期远远大 于光栅的周期，因此，莫尔条纹对于光栅的周期具有明显的放大作用。

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，为了达到更高 的运动位移测量精度，还可利用现有技术中的电子细分技术对于莫尔条纹 进行细分，这样可以精确分辨到一个莫尔条纹周期的百分之一到千分之一。

其中，所述运动部件的运动方向与标尺光栅的刻线方向近似垂直。

由于本发明采用的是短波长X射线，光栅周期P₀最小可以达到纳米级 别，所以本发明进行位移测量的分辨率可以达到皮米量级（1皮米=10^-12米）。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。