专利名称：纳米测量光栅传感系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及纳米计量技术领域，具体涉及一种测量传感系统。
背景技术：
纳米测量(Inm IOOnm)技术是纳米科学的一个重要分支。亚微米到纳米精度的测量已成为当前工业发展和科学发展中迫切需要解决的问题。现有的高精度激光干涉仪成为目前纳米精度测量最广泛应用的工具，但这些测量设备大多体积较大，使用中占用较大的空间，不利于测量实践，难以与检测装置实现精巧集成，不符合现代精密机械精度设计的理念，且干涉测量技术容易受到测量环境的影响，使用时调整过程较为繁琐。同时，随着光栅加工技术的不断进步，纳米光栅成为精密计量光栅的发展方向，精度稳定并且广泛应用的光栅测量方法可实现纳米精度的测量。目前光栅测量系统分辨率已经达到纳米级，测量性能基本可以和激光干涉仪媲美，而且光栅测量系统在实际应用中具有比激光干涉仪更强的适应性。因此，研制微型纳米精度的光栅干涉测量传感器，为目前纳米科技的发展提供必要的精巧测量装置，其中的纳米测量基础理论和实用方法的研究也是纳米科技发展亟待解决的共性问题。

实用新型内容本实用新型的目的在于，提供一种纳米测量光栅传感系统，解决以上技术问题。本实用新型所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现纳米测量光栅传感系统，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、两个直角棱镜、两个四分之一波片、一非偏振分光棱镜、两个偏振分光棱镜；所述光电探测器包括两个；所述激光器的出光口左侧设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向右倾斜设置，所述反射镜的下方设有所述光栅，所述光栅的右侧设有一所述直角棱镜，一所述直角棱镜的入光面前方设有一所述四分之一波片；所述光栅的左侧设有另一所述直角棱镜，两个所述直角棱镜的斜边均朝向所述光栅，两个所述直角棱镜相对设置；所述光栅上方设有所述非偏振分光棱镜，所述非偏振分光棱镜设置在所述反射镜的左侧；所述非偏振分光棱镜的右侧设有另一所述四分之一波片，另一所述四分之一波片的右侧设有一所述偏振分光棱镜，一所述偏振分光棱镜的右侧设有一所述光电探测器；所述非偏振分光棱镜上方设有另一所述偏振分光棱镜，另一所述偏振分光棱镜的左侧设有另一所述光电探测器。本实用新型激光器产生的激光光束的光路和传感原理如下激光器产生的激光光束经反射镜进行反射到光栅上一点，产生第一次衍射，衍射光束有两束，分别为+1级衍射光束和-ι级衍射光束，衍射光束分别经左右两边的两个直角棱镜回到光栅上第二点，产生第二次衍射。由于-1级衍射光束由四分之一波片移向90°，所以回到第二点时与+1级衍射光束相位相差90°，还不能产生干涉。经光栅第二次衍射后的两束光经非偏振分光棱镜分为两束，再经偏振分光棱镜后，使得偏振方向分别旋转+45°和-45°，从而+1级和-1级衍射光束具有相同的偏振方向，并产生干涉，并被偏振分光棱镜前方的光电探测器接收。当光栅相对光电探测器做相对运动时，两路具有180°相移的调制信号在两个偏振分光棱镜的输出端输出，通过反向光电池抵消直流分量，从而在输出端获得两路相位差90°对称的正弦波信号。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。本实用新型采用二次衍射的光路基本结构，在一定程度上降低了对被测运动的直线度要求。基于衍射光栅，半导体激光光源的纳米传感装置，构建了易于调节小巧紧凑的纳米测量光路。该测量传感装置易于调整定位，对测量环境要求相对激光干涉仪较低，且可实现微型化系统结构，同时该测量传感装置输出脉冲信号可以用来实现对平面位置的实时闭环驱动控制。考虑到光栅工作面的均勻性和周期性，所述光栅优选采用全息光栅。采用全息光栅，输出正交信号比普通光栅信号频率高，且信号不存在零漂、正交误差以及随机干扰。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。以便减少本实用新型的体积。有益效果由于采用了上述技术方案，本实用新型偏振光路设计，将环境影响光源之因素减到最低，且零阶衍射光经由偏转转向，不致回到激光头；二次衍射光路设计，可自我补偿光栅移动时的偏摆转角，大大提高光栅偏摆的公差，抑制光栅运动直线度误差对测量信号的影响；集成化光路设计，减小整个测头的体积，实现紧凑小巧的光路结构，缩短了测量光路的光程，提高了系统的抗环境干扰的能力。

图1为本实用新型的光路结构示意图。
具体实施方式
为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本实用新型。参照图1，纳米测量光栅传感系统，包括用于产生激光光束的激光器1、光学棱镜、 光栅3、光电探测器，光学棱镜包括一反射镜21、直角棱镜12、直角棱镜22、四分之一波片 13、四分之一波片23、一非偏振分光棱镜24、偏振分光棱镜15、偏振分光棱镜25。光电探测器包括两个，分别为光电探测器41、光电探测器42。激光器1的出光口前方设有反射镜21， 反射镜21的反射面设置在右侧，且反射镜21向后倾斜设置，反射镜21的下方设有光栅3， 光栅3的右侧设有直角棱镜12，直角棱镜12的入光面前方设有一四分之一波片13。光栅3 的左侧设有另一直角棱镜22，两个直角棱镜的斜边均朝向光栅3，两个直角棱镜相对设置。光栅3上方设有非偏振分光棱镜24，非偏振分光棱镜24设置在反射镜21的左侧。非偏振分光棱镜24的右侧设有另一四分之一波片23，四分之一波片23的右侧设有一偏振分光棱镜15，一偏振分光棱镜15的右侧设有一光电探测器41。非偏振分光棱镜24上方设有另一偏振分光棱镜25，偏振分光棱镜25的左侧设有另一光电探测器42。本实用新型激光器产生的激光光束的光路和传感原理如下激光器1产生的激光光束经反射镜进行反射到光栅3上01点，产生第一次衍射，衍射光束有两束，分别为+1级衍射光束和-1级衍射光束，衍射光束分别经左右两边的两个直角棱镜回到光栅3上02点， 产生第二次衍射。由于-1级衍射光束由四分之一波片13移向90°，所以回到02点时与 +1级衍射光束相位相差90°，还不能产生干涉。经光栅3第二次衍射后的两束光经非偏振分光棱镜24仍分为两束，一束再经偏振分光棱镜25、而另一束再经偏振分光棱镜15，随后这两束光各自在偏振方向分别旋转+45°和-45°，从而+1级和-1级衍射光束具有相同的偏振方向，并产生干涉，并被偏振分光棱镜25、15前方的光电探测器42、41接收。当光栅3 相对光电探测器做相对运动时，两路具有180°相移的调制信号在两个偏振分光棱镜的输出端输出，通过反向光电池抵消直流分量，从而在输出端获得两路相位差90°对称的正弦波信号。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。在上述光路中，整个测量系统的主要的技术参数为位移测量范围25mm ；测量重复性30nm ；分辨率彡IOnm;测量速度< 50mm/sec ；整体外观尺寸XXYXZ(mm) :30X30X 12。光传感器侦测到的光强为Ipdi C A2+B2+2ABsin2 Δ ω tIpd2 oc A2+B2+2ABcos2 Δ cot (1)其中A、B分别为左、右光臂的振幅。由多普勒频移原理可知，衍射光栅的多普勒频
移与光栅移动的速度ν和衍射级次m成正比，与光栅常数d成反比，S卩Δ ω =m(v/d)0若
采用二次衍射的光路，其对称士1级衍射光的频移为
v_V= +2—=ωο~2~7
+1 ° d d (2)由此可得干涉条纹的相位差为
^Φ = Γ 2π(Αω+ι _ Δ ).dt = Γ 2π. 4 ；. dt =8π|
J0J0 dα(3)当光栅移动四分之一栅距时，条纹信号会有一个周期(2 π)的相位变化，且Dl与 D2具有正交性，利用适当的信号处理方法即可计算出实际位移量。本系统采用周期约为 0.8ym(12001/mm)的一维光栅，则光栅每移动约0. 2um正交信号变化一个周期。利用细分技术可将光栅的位移量解析到nm等级。本实用新型采用二次衍射的光路基本结构，在一定程度上降低了对被测运动的直线度要求。基于衍射光栅，半导体激光光源的纳米传感装置，构建了易于调节小巧紧凑的纳
5米测量光路。该测量传感装置易于调整定位，对测量环境要求相对激光干涉仪较低，且可实现微型化系统结构，同时该测量传感装置输出脉冲信号可以用来实现对平面位置的实时闭环驱动控制。激光器1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。或者激光器1也可以采用量子阱式半导体激光器，以便减少本实用新型的体积。考虑到光栅工作面的均勻性和周期性，光栅优3选采用全息光栅。采用全息光栅， 输出正交信号比普通光栅信号频率高，且信号不存在零漂、正交误差以及随机干扰。以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求1.纳米测量光栅传感系统，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、两个直角棱镜、两个四分之一波片、一非偏振分光棱镜、两个偏振分光棱镜；所述光电探测器包括两个；所述激光器的出光口左侧设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，所述反射镜向右倾斜设置，所述反射镜的下方设有所述光栅，所述光栅的右侧设有一所述直角棱镜， 一所述直角棱镜的入光面前方设有一所述四分之一波片；所述光栅的左侧设有另一所述直角棱镜，两个所述直角棱镜的斜边均朝向所述光栅，两个所述直角棱镜相对设置；所述光栅上方设有所述非偏振分光棱镜，所述非偏振分光棱镜设置在所述反射镜的左侧；所述非偏振分光棱镜的右侧设有另一所述四分之一波片，另一所述四分之一波片的右侧设有一所述偏振分光棱镜，一所述偏振分光棱镜的右侧设有一所述光电探测器；所述非偏振分光棱镜上方设有另一所述偏振分光棱镜，另一所述偏振分光棱镜的左侧设有另一所述光电探测器。
2.根据权利要求1所述的纳米测量光栅传感系统，其特征在于所述光栅采用全息光栅。
3.根据权利要求1或2所述的纳米测量光栅传感系统，其特征在于所述激光器采用分布反馈式半导体激光器。
4.根据权利要求1或2所述的纳米测量光栅传感系统，其特征在于所述激光器采用量子阱式半导体激光器。
专利摘要本实用新型涉及纳米计量技术领域，具体涉及一种传感装置。纳米测量光栅传感系统，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，所述光学棱镜包括一反射镜、两个直角棱镜、两个四分之一波片、一非偏振分光棱镜、两个偏振分光棱镜，光电探测器包括两个。本实用新型基于衍射光栅，半导体激光光源的微型纳米测量系统，利用这些元件构建一纳米测量光路。由于采用了上述技术方案，本实用新型将环境光源的影响降至最低，通过提高了光栅偏摆的公差，抑制光栅运动直线度误差的影响，并实现了紧凑小巧的光路结构，缩短了测量光路的光程，提高了系统的抗环境干扰的能力。
文档编号G01B11/02GK202229730SQ201120349390
公开日2012年5月23日 申请日期2011年9月16日 优先权日2011年9月16日
发明者李付鹏, 蒋敏兰, 陆鑫潮 申请人:浙江师范大学