[发明专利]基于变间距光栅衍射的二维位移测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置，尤其涉及一种二维位移测量装置。

背景技术

用于位移测量的装置，在机械加工业中有广泛的应用。目前，精密位移测量装置大多是一维的，公知的用来精密测量物体的移动的工具包括光栅尺、磁栅尺、球栅尺等，这些都是测量一个方向上位移的，而在实际应用中被测点的位移大多产生在两个方向上，利用它们也可以构成测量平面位置的系统。但是，在某些比较特殊的领域，比如半导体工业测量，测量显微镜，要求测量系统体积相对较小，移动方便等。公知的一种二维位移测量装置所用测量光栅为等宽、等间隔光栅，其衍射光分析相对复杂，信号处理过程繁琐，不易于实验分析与测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于变间距光栅衍射的二维位移测量装置，该装置具有抗干扰性强的优点，它能够准确测量物体微小位移，而且数学表达式简单。

基于变间距光栅衍射的二维位移测量装置，该装置包括光源、反射镜、聚焦透镜、光阑、准直透镜、二维测量光栅、二维位移平台、第一探测器、第二探测器和光谱仪。光源发出的宽带光经反射镜入射到聚焦透镜上，聚焦后的光通过光阑和准直透镜垂直入射到二维测量光栅上，光束在二维测量光栅上发生衍射，衍射光以固定角度被第一探测器、第二探测器接收，探测的信号通过光谱仪分析处理。

使用的光栅是变间距光栅，光栅的栅格呈等比数列变化，可以得到移动位移与光栅周期之间的关系。由光栅方程可知，在衍射情况下测得的衍射波长与该位置处的光栅周期具有一一对应的关系，在变间距光栅表面不同点所测得的衍射波长不同。第一探测器位于y-z平面，与x轴方向平行的光栅刻槽所衍射的光线被第一探测器接收，可得x方向上一级衍射光与光栅周期的关系；第二探测器位于x-z平面，与y轴方向平行的光栅刻槽所衍射的光线被第二探测器接收，可得y方向一级衍射光与光栅周期的关系。

进一步，通过光谱仪得到衍射光的衍射光谱，分析出光强最大值所对应的波长，一级衍射光光谱的光强度峰值对应的中心波长与传感器的位移一一对应，这样就精确地测出了平面二维位移。

本发明的有益效果：二维测量光栅和二维位移平台粘合在一起，测量过程中只需要移动二维位移平台，操作简单方便。

再者，本发明装置中二维测量光栅采用变间距光栅，通过测量光的波长可直接得到平台移动位移，而波长是光的本质属性之一，不受压力、温度等外界环境的影响，测量精确度大大提高。

附图说明

图1二维测量装置结构示意图；

图2二维测量光栅元件局部放大示意图；

图3变间距光栅衍射在θ位置的合成光强度I和波长λ的关系曲线。

具体实施方式

如图1所示，二维位移测量的装置，包括：光源1、反射镜2、聚焦透镜3、光阑4、准直透镜5、二维测量光栅6、二维位移平台7、第一探测器8、第二探测器9、光谱仪10。光源1发出的宽带光经反射镜2入射到聚焦透镜3上，聚焦后的光通过光阑4和准直透镜5垂直入射到二维测量光栅6上，光束在二维测量光栅上发生衍射，第一探测器8和第二探测器9以固定角度接收衍射光，探测的信号经光谱仪分析处理。

如图2所示，光栅是由大量变栅距的狭缝构成。二维测量光栅的尺寸为20mm×20mm。

当宽带光垂直入射到光栅表面，以y-z平面测量为例，由光栅方程可知(取一级衍射光)：

dnsinθ＝λn            (1)

变间距光栅的栅距d按等比数列变化，狭缝距离a不变。设变间距光栅栅距方程为

d_k＝d₀(1-q)^k            (2)

k为栅距序号，1-q为栅距公比。设d₀处对应位移X₀＝0，该点对应一级衍射光中心波长λ₀。d_n处对应的位移为X_n，根据等比数列前n项和求和公式得：