[发明专利]一种位移测量系统及测量方法

说明书

本发明公开了一种位移测量系统，其特征在于，所述系统包括：光源；Alvarez透镜组，所述Alvarez透镜组由面形互补的第一Alvarez透镜和第二Alvarez透镜组成，且所述第二Alvarez透镜相对于所述第一Alvarez透镜沿垂直于光轴方向移动，通过调整移动距离调整所述Alvarez透镜组焦距，进而控制所述平行光到达针孔的光能量；针孔，用于透过所述Alvarez透镜组射出会聚光；光探测器，用于探测从所述针孔透过的光能量。本发明提供的测量系统结构简单，仅几个器件结合光学知识就能实现位移的高精度测量，测量精度可达1.33nm。这对于高精度位移传感领域的应用来说，具有很重要的意义。

技术领域

本发明属于位移测量领域，具体涉及一种位移测量系统及测量方法。

背景技术

现有技术中，测量位移的方式有很多，精确地测量微小位移时通常采用位移传感器。位移传感器还应用于物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量，在民用和军用领域有着广泛的应用前景。

Alvarez透镜是由Alvarez提出的一种多项式表面面形的透镜，通过一组两片这样的透镜沿垂直于光轴方向的相对运动可以产生焦距变化。

现有技术中，位移传感器主要分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

发明内容

鉴于上述，本发明提出了一种位移测量系统及测量方法，该测量方法能够高精度地测量位移。

本发明的第一实施方式提供了一种位移测量系统，包括：

光源；

Alvarez透镜组，所述Alvarez透镜组由面形互补的第一Alvarez透镜和第二Alvarez透镜组成，且所述第二Alvarez透镜相对于所述第一Alvarez透镜沿垂直于光轴方向移动，通过调整移动距离调整所述Alvarez透镜组焦距，进而控制所述平行光到达针孔的光能量；

针孔，用于透过所述Alvarez透镜组射出的会聚光；

探测器，用于探测从所述针孔透过的光能量。

本发明实施方式提供的测量系统的工作原理为：

Alvarez透镜表面多项式方程为：

产生焦距f为：

其中，f为两个Alvarez透镜组合焦距，A为多项式系数，2δ为两个Alvarez透镜之间的移动的距离，n为Alvarez透镜的材料折射率；

当两个Alvarez透镜在垂直于光轴方向有一个微小的位移时，会导致组合焦距产生大的变化，由公式(2)可知：

当两个Alvarez透镜产生Δδ的距离变化时，导致组合焦距产生Δf的变化，原来聚焦在针孔位置的光斑大小变为：

其中r为焦距的变化情况下针孔平面上的光斑半径的大小，D为照射在Alvarez透镜上的光束口径；

由公式(3)和(4)可以得到：

假设针孔的半径为r₀，且光斑的能量分布是均匀的，由于焦距的变化，针孔接收的能量μ变为：

由式(6)可以看出，Alvarez透镜的位置产生变化，导致透过针孔的能量产生非常敏感的变化。通过探测透过针孔的能量就可以精确地测量Alvarez透镜的位移量。