[發明專利]一種基于Talbot像和COMS相機結構的位移傳感器

有效

• 申請號: 202011129953.X
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112082490B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 辛晨光;李孟委;亓杰;張瑞;金麗
• 申請（專利權）人: 中北大學南通智能光機電研究院;中北大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 太原榮信德知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14119
• 代理人: 楊凱;連慧敏

本發明屬于位移傳感器技術領域，具體涉及一種基于Talbot像和COMS相機結構的位移傳感器，包括光源、凸透鏡、光柵、COMS相機，所述光源設置在凸透鏡的焦點處，所述光源發出的散射光通過凸透鏡后成為平行光束，所述平行光束的光路方向上設置有光柵，所述平行光束經光柵發生衍射干涉，所述平行光束在光柵后形成Talbot像，所述COMS相機設置在任一級的Talbot像上；本發明通過光學設計使光源位移與Talbot像周期相結合，通過COMS相機對Talbot像周期進行測量進而實現對光源位移的測量，實現位移信號輸出，僅使用光源、凸透鏡、光柵、COMS相機器件，結構較為簡單；同時，通過對Talbot像周期的測量也可實現對光源的準直，進而提高定位精度。本發明用于光微位移的測量。

技術領域

本發明屬于位移傳感器技術領域，具體涉及一種基于Talbot像和COMS相機結構的位移傳感器。

背景技術

位移測量是現代機械工業的一個重要領域，尤其在微位移測量方面，需要實現高分辨率、微小體積的位移測量系統。其中，納米光柵測量具有精度高和分辨率高等優點，因此獲得了廣泛應用。目前，單層光柵微位移傳感器的主要原理是光束通過光柵衍射出的某一級衍射光通過設計光路使其重合形成干涉條紋進而實現對位移的測量。但是，目前這種方法普遍具有以下問題：1.偏振片、玻片等偏振光學元件數量較多，結構復雜，成本較高且難以微型化；2.無光源準直定位結構。

發明內容

針對上述傳統單層光柵微位移傳感器結構復雜、無法光源準直定位的技術問題，本發明提供了一種結構簡單、定位精度高、效率高的基于Talbot像和COMS相機結構的位移傳感器。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

一種基于Talbot像和COMS相機結構的位移傳感器，包括光源、凸透鏡、光柵、COMS相機，所述光源設置在凸透鏡的焦點處，所述光源發出的散射光通過凸透鏡后成為平行光束，所述平行光束的光路方向上設置有光柵，所述平行光束經光柵發生衍射干涉，所述平行光束在光柵后形成Talbot像，所述COMS相機設置在任一級的Talbot像上；所述光源在垂直于光柵的方向上發生位移時，經凸透鏡后光束變為散射光，所述光柵后的Talbot像周期隨光源位移發生變化，所述COMS相機測得Talbot像的光強，從而實現位移測量。

所述光柵的材料采用硅，所述光柵的周期為800nm，所述光柵的占空比為0.5，所述光柵的刻劃深度為765nm。

所述光源的波長為65nm，所述光源的功率為mW。

所述凸透鏡的焦距為55μm。

還包括在光源在垂直于光柵的方向上發生位移之前對光源進行準直。

所述對光源進行準直的方法為：當位于凸透鏡焦點上的光源在其焦平面上做相對于光柵的面內運動時，經凸透鏡的光束與光柵的垂直方向產生夾角，經光柵產生的Talbot像也隨之發生了面內方向上的平移，其位移可由COMS相機測得，進而對光源進行準直。

本發明與現有技術相比，具有的有益效果是：

本發明通過光學設計使光源位移與Talbot像周期相結合，通過COMS相機對Talbot像周期進行測量進而實現對光源位移的測量，實現位移信號輸出，僅使用光源、凸透鏡、光柵、COMS相機器件，結構較為簡單；同時，通過對Talbot像周期的測量也可實現對光源的準直，進而提高定位精度。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖；

圖2為本發明的光學仿真結構圖；

圖3為本發明的Talbot像仿真圖；

圖4為本發明的光源離面位移與COMS相機所接收光強關系圖；

圖5為本發明的光源面內方向位移與Talbot像平移距離的關系圖。