基于位错二维光栅阵列的双光栅结构三维微位移传感器

摘要

本发明属于三维微位移传感器技术领域，具体涉及一种基于位错二维光栅阵列的双光栅结构三维微位移传感器，包括激光器、准直扩束镜、上层二维光栅、下层位错式光栅、四象限探测器，所述激光器的上方设置有准直扩束镜，所述准直扩束镜上设置有上层二维光栅，所述上层二维光栅上设置有下层位错式光栅，所述下层位错式光栅上设置有四象限探测器。本发明通过采用双层光栅结构，利用二维光栅在近场区域内的自成像效应，实现了透过光强随位移变化，并由四象限探测器实现光电转化，再通过整体结构输出的经细化后的电学信号进行精准三维位移测量，提高了整体结构的精度。同时，利用四象限结构实现了整体系统的高度集成化。

说明书

技术领域

本发明属于三维微位移传感器技术领域，具体涉及一种基于位错二维光栅阵列的双光栅结构三维微位移传感器。

背景技术

超精密定位检测技术是现代精密制造的一个重要技术领域，纳米级的多维度位移测量技术是制约超精密定位技术发展的关键问题之一。其中，纳米光栅检测法由于其高分辨率、体积小、抗电磁干扰等优点获得了广泛应用。目前，基于光栅位移检测技术的多维度微位移检测方法，大多基于多普勒频移原理，由多个一维位移检测单元结构组成集成系统或由多光路干涉结构组成多维位移测量系统进而实现多维位移测量。但是，上述方法存在光路复杂、体积较大、集成化低、成本高昂等问题。以上问题限制了它在集成化数控机床刀头多维位移检测与定位等方面应用。

发明内容

针对上述方法存在光路复杂、体积较大、集成化低、成本高昂的技术问题，本发明提供了一种集成化高、测量精度高、体积小的基于位错二维光栅阵列的双光栅结构三维微位移传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于位错二维光栅阵列的双光栅结构三维微位移传感器，包括激光器、准直扩束镜、上层二维光栅、下层位错式光栅、四象限探测器，所述激光器的上方设置有准直扩束镜，所述准直扩束镜上设置有上层二维光栅，所述上层二维光栅上设置有下层位错式光栅，所述下层位错式光栅上设置有四象限探测器。

所述下层位错式光栅包括第一下层位错式二维光栅、第二下层位错式二维光栅、第三下层位错式二维光栅、第四下层位错式二维光栅，所述第一下层位错式二维光栅与第二下层位错式二维光栅并列设置，所述第三下层位错式二维光栅与第四下层位错式二维光栅并列设置，定义第一下层位错式二维光栅与第二下层位错式二维光栅的方向为X轴，以右手螺旋定则建立XYZ空间坐标系，所述第一下层位错式二维光栅与第二下层位错式二维光栅在X轴方向上相错四分之一个光栅周期，所述第一下层位错式二维光栅与第三下层位错式二维光栅在Y轴方向上相错四分之一个光栅周期，所述第一下层位错式二维光栅与第四下层位错式二维光栅在Z轴方向上相错四分之一个自成像周期。

所述上层二维光栅与下层位错式光栅的光栅周期相同，所述上层二维光栅与下层位错式光栅的光栅周期为100nm-1μm，所述上层二维光栅与下层位错式光栅的厚度为50nm-1μm，所述上层二维光栅与下层位错式光栅的占空比为0.5。

所述上层二维光栅在入射波长处设置有具有良好挡光特性的材料，所述具有良好挡光特性的材料采用低透过率的半导体或金属，所述上层二维光栅的非刻蚀区域在入射波长处透过率不高于50％。

所述四象限探测器的四个象限与第一下层位错式二维光栅、第二下层位错式二维光栅、第三下层位错式二维光栅、第四下层位错式二维光栅一一对应。

所述下层位错式光栅上表面与上层二维光栅上表面之间的距离为T的整数倍，所述T为自成像在离面方向上的周期，所述

所述激光器发出的光经准直扩束镜进行准直扩束后垂直入射至上层二维光栅，经上层二维光栅衍射后产生自成像，在自成像区域内放置下层位错式光栅，所述下层位错式光栅透过的光束由四象限探测器接收，所述第一下层位错式二维光栅与第二下层位错式二维光栅在X轴方向上相错四分之一个光栅周期，所述第一下层位错式二维光栅与第三下层位错式二维光栅在Y轴方向上相错四分之一个光栅周期，所述第一下层位错式二维光栅与第四下层位错式二维光栅在Z轴方向上相错四分之一个自成像周期，所述四象限探测器上接收到的光强为四路正弦曲线，最终，实现了四象限探测器四个象限分别输出四路电压信号，其中第一象限输出信号为参考信号，另外三个象限在有相应方向位移输入的情况下的输出信号均与第一象限输出信号相错90°，进而输出相应的电压信号，从而实现了三维位移测量的电学信号的A、B相输出。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明通过采用双层光栅结构，利用二维光栅在近场区域内的自成像效应，实现了透过光强随位移变化，并由四象限探测器实现光电转化，再通过整体结构输出的经细化后的电学信号进行精准三维位移测量，提高了整体结构的精度。同时，利用四象限结构实现了整体系统的高度集成化。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明上层二维光栅的结构示意图；

图3为本发明下层位错式光栅的结构示意图；

图4为本发明下层位错式光栅的侧视图；

图5为本发明X-Y平面自成像仿真结果图；

图6为本发明X方向上自成像光强分布图；

图7为本发明Y方向上自成像光强分布图；

图8为本发明X-Z平面自成像仿真结果及Z轴上光强分布图；

图9为本发明同一光栅区域透过光强随位移量的变化情况图；

图10为本发明相邻光栅区域的透过光强相位差的变化情况图。

其中：1为激光器，2为准直扩束镜，3为上层二维光栅，4为下层位错式光栅，5为四象限探测器，401为第一下层位错式二维光栅，402为第二下层位错式二维光栅，403为第三下层位错式二维光栅，404为第四下层位错式二维光栅。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

基于位错二维光栅阵列的双光栅结构三维微位移传感器，如图1、图2所示，包括激光器1、准直扩束镜2、上层二维光栅3、下层位错式光栅4、四象限探测器5，激光器1的上方设置有准直扩束镜2，准直扩束镜2上设置有上层二维光栅3，上层二维光栅3上设置有下层位错式光栅4，下层位错式光栅4上设置有四象限探测器5。

进一步，如图3、图4所示，下层位错式光栅4包括第一下层位错式二维光栅401、第二下层位错式二维光栅402、第三下层位错式二维光栅403、第四下层位错式二维光栅404，第一下层位错式二维光栅401与第二下层位错式二维光栅402并列设置，第三下层位错式二维光栅403与第四下层位错式二维光栅404并列设置，定义第一下层位错式二维光栅401与第二下层位错式二维光栅402的方向为X轴，以右手螺旋定则建立XYZ空间坐标系，第一下层位错式二维光栅401与第二下层位错式二维光栅402在X轴方向上相错四分之一个光栅周期，第一下层位错式二维光栅401与第三下层位错式二维光栅403在Y轴方向上相错四分之一个光栅周期，第一下层位错式二维光栅401与第四下层位错式二维光栅404在Z轴方向上相错四分之一个自成像周期。

进一步，为保证输出信号对位移良好的正弦响应，上层二维光栅3与下层位错式光栅4的光栅周期相同，上层二维光栅3与下层位错式光栅4的光栅周期为100nm-1μm，上层二维光栅3与下层位错式光栅4的厚度为50nm-1μm，上层二维光栅3与下层位错式光栅4的占空比为0.5。

进一步，为实现良好的自成像光强分布，上层二维光栅3在入射波长处设置有具有良好挡光特性的材料，具有良好挡光特性的材料采用低透过率的半导体或金属，上层二维光栅3的非刻蚀区域在入射波长处透过率不高于50％。

进一步，为实现良好的四象限信号输出，四象限探测器5的四个象限与第一下层位错式二维光栅401、第二下层位错式二维光栅402、第三下层位错式二维光栅403、第四下层位错式二维光栅404一一对应。

进一步，为保证输出信号对位移良好的正弦响应，下层位错式光栅4上表面与上层二维光栅3上表面之间的距离为T的整数倍，T为自成像在离面方向上的周期，

本发明的工作流程为：激光器1发出的光经准直扩束镜2进行准直扩束后垂直入射至上层二维光栅3，经上层二维光栅3衍射后产生自成像，在自成像区域内放置下层位错式光栅4，下层位错式光栅4透过的光束由四象限探测器5接收，第一下层位错式二维光栅401与第二下层位错式二维光栅402在X轴方向上相错四分之一个光栅周期，第一下层位错式二维光栅401与第三下层位错式二维光栅403在Y轴方向上相错四分之一个光栅周期，第一下层位错式二维光栅401与第四下层位错式二维光栅404在Z轴方向上相错四分之一个自成像周期，四象限探测器5上接收到的光强为四路正弦曲线，最终，实现了四象限探测器5四个象限分别输出四路电压信号，其中第一象限输出信号为参考信号，另外三个象限在有相应方向位移输入的情况下的输出信号均与第一象限输出信号相错90°，进而输出相应的电压信号，从而实现了三维位移测量的电学信号的A、B相输出。

具体实施方式参数如下：

激光器波长：λ＝0.635μm；

激光器功率：1.2mW；

光栅周期：d＝1μm；

光栅占空比：0.5；

光栅材料：Al。

具体分析如下：

其中，当采用Al材料的黑白光栅时，设定其光栅厚度为150nm，在光栅的光束透过方向上会有倒三角形的自成像区域。其中，在离面方向上的每个自成像周期位置处都存在光栅的像，光强分布与光栅的结构相同，即光强的强弱分布与光栅的栅缝和栅线相对应，所以在距离光栅平面整数倍个自成像离面周期的位置处会存在一个自成像平面，如图5所示。在该平面的X方向和Y方向上，对光强进行探测，可获得呈正弦型的光强信号，如图6、图7所示。在面内方向上，自成像周期大小与光栅周期大小相同。在自成像空间中，沿Z轴对光强进行探测，也可获得呈正弦型的光强信号，如图8所示。因此，在上层二维光栅自成像区域内放置相同参数的下层位错式二维光栅，当上层二维光栅有在下层位错式二维光栅面内方向X轴和Y轴上和离面方向Z轴上的位移时，下层位错式光栅各象限的透射光光强便随位移分别产生正弦变化。

其中，自成像在离面方向上的周期为

其中，d为光栅周期，λ为激光器波长，T为自成像在离面方向上的周期，当光栅周期为1μm，激光器波长为0.635μm时，由上式可得Z＝2.79μm，即自成像在离面方向上的周期为2.79μm。

其中，当第一象限光栅区域与其相邻两光栅区域间距变化时，以第一象限光栅区域为参考，另一个光栅区域随相对位移变化的透过光强的相位也会随之变化，如图9所示，并且当且仅当两光栅区域间距为nd+d/2时，两光栅区域随位移变化的透过光强的相位差为90°，如图10所示。

由上述可知，当上层二维光栅结构在面内X、Y方向以及离面Z方向上发生移动时，由探测器5的四路输出信号可得出三个方向上的位移，当信号接入细分电路时，位移检测分辨率可细分至纳米级，提高了整体结构的测量精度。

同时，由于采用了高集成化二维光栅和位错式二维光栅阵列，通过光源、双层光栅及探测器等少量器件在单一光轴方向实现了三维位移检测，显著简化了测量结构、提高了系统集成度。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。