[發明專利]基于自聚焦原理的光柵精密測量結構及測量方法

有效

• 申請號: 201410142452.3
• 申請日: 2014-04-10
• 公開（公告）號: CN103994722A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 蔣敏蘭;鄭華清
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙) 31230
• 代理人: 陳偉勇

技術領域

本發明涉及精密儀器和精密測量技術領域，具體涉及傳感系統光學結構。?

背景技術

光柵位移傳感器作為制造、檢測設備的關鍵測量器件，綜合光、機、電技術將機械位置信息轉換成相應的電信號輸出，實現對角度、尺寸、位移等相關機械幾何量的測量，具有測量精度高、行程大、非接觸、無磨損、抗干擾能力強等優點，廣泛應用于機床數顯數控、測量儀器、精密制造等技術領域。?

光柵線位移傳感器作為精密制造行業和精密測量儀器的關鍵部件，隨著光電技術的進步，幾何遮光原理的光柵傳感方法難以滿足微納米測量的需要，因而我國科學家也急需開發新型微納米傳感器以滿足我國工業發展的需要。?

發明內容

本發明的目的在于，提供一種基于自聚焦原理的光柵精密測量結構及測量方法，解決以上技術問題。?

本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現：?

基于自聚焦原理的光柵精密測量結構，包括用于產生激光光束的激光器、光學棱鏡、光柵、光電探測器，其特征在于，所述光學棱鏡包括一反射鏡、一分光鏡、一準直鏡；?

所述光柵包括一第一光柵、第二光柵，以所述第一光柵作為一分光光柵，以所述第二光柵作為一測量光柵；?

所述激光器的出光口設有所述分光光柵，所述分光光柵將激光器發出的激光分為三束衍射光，所述分光光柵上方設有所述分光鏡，所述分光鏡的左方設有所述反射鏡，所述反射鏡的反射面位于右側，且所述反射鏡向左傾斜?設置，所述反射鏡的上方設有所述準直鏡，所述準直鏡的上方設有所述物鏡，所述物鏡的上方設有所述測量光柵；?

所述分光鏡的右方設有一柱面鏡，所述柱面鏡右方設有所述光電探測器。?

本發明激光器發出的光束經分光光柵衍射后分為0級和±1級光束，0級光束用于測量，±1級光束獲得循跡伺服信號用于判別光柵位移方向。將三束衍射光依次途徑所述分光鏡、所述反射鏡、所述準直鏡、所述物鏡后聚焦到所述測量光柵上；經準直鏡后成三束平行光束，進入物鏡聚焦于測量光柵上，測量光柵上測量信號的反射光束按原路返回至分光鏡后經柱面鏡后聚焦在光電探測器上，光電探測器接收到的正弦波信號用于后續專用光柵信號處理與細分電路，對信號進行整形計數和細分處理。?

所述分光光柵是透射式光柵，所述測量光柵是反射式光柵。?

所述激光器可以采用分布反饋式半導體激光器。分布反饋式具有無跳模、輸出波長溫度變化系數較小的優點。?

所述激光器也可以采用量子阱式半導體激光器。以便減少本發明的體積。?

所述激光器包括一激光二極管。用以發出光束。?

所述光電探測器是一六象限光電探測器，所述六象限光電探測器內設有一檢測電路，所述六象限光電探測器通過所述檢測電路連接一信號處理電路，所述信號處理電路連接一PID反饋控制電路；?

所述PID反饋控制電路連接一壓電陶瓷驅動器，所述壓電陶瓷驅動器固定連接所述物鏡。?

六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)經六象限光電探測器的檢測電路后，通過信號處理電路送PID反饋控制電路，PID反饋控制電路驅動壓電陶瓷驅動器，從而帶動物鏡移動，使得物鏡焦點和測量光柵平面位置重合，實現自動聚焦。六象限光電探測器輸出的聚焦誤差信號(電壓信號)隨測量光柵平面位置離物鏡焦平面距離變化呈現S型。當被測點離焦距離大于物鏡的景深即出現失焦現象時，壓電陶瓷驅動器在電壓下形變，帶動物鏡移動，使物鏡焦點移至被測表面，此即自動聚焦原理。?

所述光電探測器的感光面正對朝向所述柱面鏡的出射光。?

所述反射鏡沿水平方向上的傾斜角度為20°～70°。以便更好的將衍射光?束射入其他光學棱鏡。?

所述六象限光電探測器設有三個感光區域，用于感應0級光束的第一感光區域、用于感應-1級光束的第二感光區域、用于感應+1級光束的第三感光區域，所述第二感光區域與所述第三感光區域分別位于所述第一感光區域的左右兩側。三個感光區域強弱對應測量點離開物鏡的焦平面的距離，這三個聚焦點對應光柵余弦起伏表明固定的相位差信息，結合三感測區信號的大小，實現實時判定光柵運動方向。?

所述光電探測器內設有一光電池，所述光電池為一薄膜光電池，所述薄膜光電池均勻的涂覆于所述三個感光區域的上方或下方。從而實現自發電，便于工作所需用電。?

所述薄膜光電池連接有一電量存儲裝置，所述電量存儲裝置設有一電源輸出端。用于連接本發明的其他用電器件，提供本發明的用電器件所需的電量。?