[实用新型]基于自聚焦原理的传感系统光学结构

说明书

技术领域

本实用新型涉及精密仪器和精密测量技术领域，具体涉及传感系统光学结构。

背景技术

随着精密制造技术和超精密加工技术的迅速发展，其精度参数多为微纳米数量级（1nm-10nm），目前同时满足大测量范围和纳米级分辨率要求的应用最为广泛的测量仪器是激光干涉仪，但是激光干涉仪易受测量环境影响，使用过程调整繁琐，同时体积庞大，不利于系统集成，不符合现代精密机械设计的理念。

光栅位移传感器作为制造、检测设备的关键测量器件，综合光、机、电技术将机械位置信息转换成相应的电信号输出，实现对角度、尺寸、位移等相关机械几何量的测量，具有测量精度高、行程大、非接触、无磨损、抗干扰能力强等优点，广泛应用于机床数显数控、测量仪器等技术领域。

随着光栅加工和信号处理技术的不断进步，目前高精度光栅测量系统测量精度基本可以和激光干涉仪媲美，而且在实际使用中具有比激光干涉仪更强的适应性，且光栅测量系统集成化程度较高，如若将光栅技术增设到精密仪器和精密测量技术中就可以有效的弥补激光干涉仪存在的缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种基于自聚焦原理的传感系统光学结构，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：

基于自聚焦原理的传感系统光学结构，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、一分光镜、一准直镜；

所述光栅包括一第一光栅、第二光栅，以所述第一光栅作为一分光光栅，以所述第二光栅作为一测量光栅；

所述激光器的出光口设有所述分光光栅，所述分光光栅将激光器发出的激光分为三束衍射光，所述分光光栅上方设有所述分光镜，所述分光镜的左方设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向左倾斜设置，所述反射镜的上方设有所述准直镜，所述准直镜的上方设有所述物镜，所述物镜的上方设有所述测量光栅；

所述分光镜的右方设有一柱面镜，所述柱面镜右方设有所述光电探测器；

所述光电探测器连接一信号处理电路，所述信号处理电路连接一PID反馈控制电路；

所述PID反馈控制电路连接一压电陶瓷驱动器，所述压电陶瓷驱动器固定连接所述物镜。

本实用新型激光器发出的光束经分光光栅衍射后分为0级和±1级光束，0级光束用于测量，±1级光束获得循迹伺服信号用于判别光栅位移方向。将三束衍射光依次途径所述分光镜、所述反射镜、所述准直镜、所述物镜后聚焦到所述测量光栅上；经准直镜后成三束平行光束，进入物镜聚焦于测量光栅上，测量光栅上测量信号的反射光束按原路返回至分光镜后经柱面镜后聚焦在光电探测器上，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。

光电探测器输出的聚焦误差信号（电压信号）通过信号处理电路送PID反馈控制电路，PID反馈控制电路驱动压电陶瓷驱动器，从而带动物镜移动，使得物镜焦点和测量光栅平面位置重合，实现自动聚焦。光电探测器输出的聚焦误差信号（电压信号）随测量光栅平面位置离物镜焦平面距离变化呈现S型。当被测点离焦距离大于物镜的景深即出现失焦现象时，压电陶瓷驱动器在电压下形变，带动物镜移动，使物镜焦点移至被测表面，此即自动聚焦原理。

所述分光光栅是透射式光栅，所述测量光栅是反射式光栅。

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。

所述激光器包括一激光二极管。用以发出光束。

所述光电探测器的感光面正对朝向所述柱面镜的出射光。

所述反射镜沿水平方向上的倾斜角度为20°～70°。以便更好的将衍射光束射入其他光学棱镜。

所述光电探测器是六象限光电探测器，所述六象限光电探测器内设有一检测电路，所述六象限光电探测器通过所述检测电路连接所述信号处理电路。

所述六象限光电探测器设有三个感光区域，用于感应0级光束的第一感光区域、用于感应-1级光束的第二感光区域、用于感应+1级光束的第三感光区域，所述第二感光区域与所述第三感光区域分别位于所述第一感光区域的左右两侧。三个感光区域强弱对应测量点离开物镜的焦平面的距离，这三个聚焦点对应光栅余弦起伏表明固定的相位差信息，结合三感测区信号的大小，实现实时判定光栅运动方向。