[发明专利]一种相位调制光栅传感器及实现测量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于位移和长度纳米精度测量的相位调制光栅传感器及实现测量的方法。

背景技术

基于纳米技术的产业和半导体设备产业，需要高度可靠、具有快速稳定定位能力、精度达到亚纳米水平的仪器。现在，激光干涉仪，电容测量仪和光栅传感器都可以达到亚纳米级分辨率，但是他们都有各自的问题，例如激光干涉仪对空气温度，湿度和大气压力的改变很敏感，影响测量的重复性。电容测量仪测量范围小，安装时调整过程困难。光栅传感器结构紧凑，综合光栅测量的误差平均效应、信号稳定与干涉测量的高灵敏特点，把干涉测量的基准由光波波长转为光栅常数，实现高精度位移测量，实际应用中比激光干涉仪具有更强的适应性。因此，尽管高端的光栅传感器由于小间距(≥0.5微米)和短行程光栅，往往需要细致的安装和信号调整，位置传感器的应用仍然越来越广泛。

目前激光光栅传感器测量分辨率已经达到纳米甚至皮米级。国内外典型高精度光栅测量传感器产品性能如表1所示。从表中可以看出，光栅测量系统目前测量性能基本可以和激光干涉仪媲美，步入纳米测量范畴。

表1典型激光光栅传感器产品系统性能指标

基于激光光栅传感器精度高、系统适用性强、结构紧凑，成本较低的技术优势，国内外科研机构对衍射光栅测量的原理与方法进行了大量研究。就研究内容来说分为两大类：基于衍射光栅的精密传感方法研究和信号处理方法研究。

图1所示为衍射式光栅传感器原理图，光源1(内置聚光镜的半导体激光器)发出平行光入射到高线数光栅2上，±1级衍射光分别由反射镜3和4反射到分光镜5，会聚于光电器件6上，当光栅移动时，两束光发生干涉，通过对干涉信号的处理得到光栅的位移信息。该种光栅传感器对光栅读数头和光栅之间的距离要求相对宽松，便于系统安装。

基于种原理的的精密传感方法，国内外一些研究机构和公司都提出了自己的想法和产品。如Heidenhain利用发光二极管(LED)与双光栅组成LIP系列干涉扫描栅尺，实现了小于1nm分辨率；M.Dobosz利用单衍射光栅测量结构在50mm量程内实现20nm的分辨率，0.1um的精度；Lee等人针对目前光栅干涉测量光路进行优化设计，提高系统安装容许公差，实现纳米测量；合肥工业大学费业泰和范光照团队研制的衍射光栅纳米位移测量系统，30mm的测量范围达到20nm的精度等等。

目前国内外针对光栅纳米测量技术提出了各种不同的原理方法，其核心目的就是降低信号噪声、提高系统容差能力，但目前光栅纳米测量技术难以满足深纳米测量的需要，其主要技术障碍为：

(1)信号直流漂、幅值波动是制约激光光栅传感器纳米测量精度、速度最重要因素。

半导体激光器功率输出不稳定、电路噪声、光源功率漂移、光电接收器都是造成直流漂移的因素。光栅纳米测量技术大多采用检偏移相法获得四个相位差为90度的信号，利用差动放大技术降低直流漂移影响，但实际使用过程中，由于光电接收器的差异等因素并不能有效去除直流分量。

幅值波动的影响因素有：光栅面光学特性的不均匀以及实际应用中测量速度变化。测量信号读取时，由于低通滤波降噪以及光电转换器件的固有特性，当测量速度较大时测量信号的幅值下降，在应用过程中，虽然可以采用数字信号处理手段实现良好的稳幅，但这些方法都是从幅值的变化规律中去预测下一时间点的信号幅值修正方法，实时性较差，从而实际应用中限制了测量速度。

(2)测量系统缺少激光光栅纳米传感器中实时误差补偿与校准修正技术。

在精密测量系统中，寻找系统运行过程中的误差特点与规律，利用电子技术进行实时误差补偿，是研制纳米精度测量设备经济有效的方法。但是目前文献报道系统没有实时误差测量补偿模块。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种能实现纳米精度位移测量的相位调制光栅传感器及实现测量的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：