專利名稱：基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器。
背景技術(shù)：
位移傳感器作為傳感器領(lǐng)域中的重要一部分，可以用來(lái)精確測(cè)量被測(cè)物體的位 置、位移變化等變化，主要應(yīng)用于檢測(cè)物體的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測(cè)量， 在民用和軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 在現(xiàn)有報(bào)道中，位移傳感器主要分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電 式位移傳感器，超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。雖然種類很多，但是現(xiàn)有的位移 傳感器的位移精度最高只能達(dá)到納米量級(jí)，因此，對(duì)一些需要高精度位移測(cè)量方面起了限 制作用。而本提案提出的高精度位移傳感器，能夠精確測(cè)量到納米量級(jí)以下的位移變化，對(duì) 于高精度位移傳感領(lǐng)域的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有很重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題而提出一種實(shí)現(xiàn)高精度、的基于 兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器及其方法。 基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器。其特征在于包括基板、第一光電探測(cè) 器、第一聚焦透鏡組、分光棱鏡、帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光源、T字型玻璃基板、第一圓 孔、第二聚焦透鏡組、第二光電探測(cè)器、光電探測(cè)器固定底座、壓電陶瓷、第二圓孔、第一玻 璃基板、第一亞波長(zhǎng)光柵層、第二亞波長(zhǎng)光柵層、第二玻璃基板；T字型玻璃基板的一側(cè)設(shè) 有基板、第一光電探測(cè)器、第一聚焦透鏡組，第一光電探測(cè)器、第一聚焦透鏡組經(jīng)過(guò)組合后 固定在基板上，T字型玻璃基板上的一側(cè)從下到上依次設(shè)有帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光 源、分光棱鏡、第二聚焦透鏡組、第二光電探測(cè)器、光電探測(cè)器固定底座，第二聚焦透鏡組與 第二光電探測(cè)器組合后固定在光電探測(cè)器固定底座上，T字型玻璃基板內(nèi)設(shè)有第一圓孔， T字型玻璃基板上的另一側(cè)從左至右依次設(shè)有壓電陶瓷、第二圓孔、第一玻璃基板、第一亞 波長(zhǎng)光柵層，壓電陶瓷內(nèi)設(shè)有第二圓孔，第一亞波長(zhǎng)光柵層的右側(cè)有第二亞波長(zhǎng)光柵層、第 二玻璃基板，第二亞波長(zhǎng)光柵層設(shè)在第二玻璃基板左側(cè)；光從帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光 光源發(fā)出，通過(guò)分光棱鏡產(chǎn)生兩路激光， 一路激光通過(guò)第一聚焦透鏡組，照射到第二光電探 測(cè)器上，另一路激光通過(guò)分光棱鏡，第一圓孔、第二圓孔、至第一玻璃基底、第一亞波長(zhǎng)光柵 層、第二亞波長(zhǎng)光柵層、第二玻璃基板；在第一亞波長(zhǎng)光柵層上產(chǎn)生的反射光通過(guò)第二圓 孔、第一圓孔、分光棱鏡、第一聚焦透鏡組、由第一光電探測(cè)器接收。 所述的一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)為位移傳感器，其特征在于所述的第一亞 波長(zhǎng)光柵層或第二亞波長(zhǎng)光柵層的周期為0. 3 2微米，厚度為0. 5 3微米，第一亞波長(zhǎng) 光柵層與第二亞波長(zhǎng)光柵層之間的空氣間隙為O. 05 l微米。所述的第一亞波長(zhǎng)光柵層與 第二亞波長(zhǎng)光柵層形成諧振腔。所述的第一亞波長(zhǎng)光柵層與第二亞波長(zhǎng)光柵層之間的空氣 間隙通過(guò)壓電陶瓷控制。所述的壓電陶瓷推動(dòng)第一玻璃基底軸向平移距離為0 5微米。
本發(fā)明利用兩組亞波長(zhǎng)光柵之間的相互運(yùn)動(dòng)，來(lái)對(duì)反射光進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)對(duì)反射 光強(qiáng)度的探測(cè)，得到亞波長(zhǎng)光柵的運(yùn)動(dòng)位移。通過(guò)此方法，可以精確的測(cè)量物體的位移。同 時(shí)，將光源，探測(cè)器，以及壓電陶瓷等集成在一起，可以大大縮小系統(tǒng)的體積。根據(jù)此特點(diǎn)， 可以在位移測(cè)量的小型化，高精度方面有著突破性的進(jìn)展。 本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕；探測(cè)信號(hào)信噪比高，能夠精確反映位移變化； 具有調(diào)節(jié)能力，系統(tǒng)靈活；測(cè)量精度高，突破了現(xiàn)有位移傳感器的探測(cè)精度。


圖1是基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分解圖；
圖3是基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器的系統(tǒng)剖面圖；
圖4是兩組亞波長(zhǎng)光柵的細(xì)節(jié)放大圖；
圖5是兩組亞波長(zhǎng)光柵形成諧振的原理圖； 圖6是反射光隨兩組亞波長(zhǎng)光柵之間相對(duì)位移變化的光強(qiáng)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
如附圖所示，基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器包括基板1 、第一光電探測(cè) 器2、第一聚焦透鏡組3、分光棱鏡4、帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光源5、T字型玻璃基板6、 第一圓孔7、第二聚焦透鏡組8、第二光電探測(cè)器9、光電探測(cè)器固定底座10、壓電陶瓷11、 第二圓孔12、第一玻璃基板13、第一亞波長(zhǎng)光柵層14、第二亞波長(zhǎng)光柵層15、第二玻璃基板 16 ;T字型玻璃基板6的一側(cè)設(shè)有基板1、第一光電探測(cè)器2、第一聚焦透鏡組3，第一光電探 測(cè)器2、第一聚焦透鏡組3經(jīng)過(guò)組合后固定在基板1上，T字型玻璃基板6上的一側(cè)從下到 上依次設(shè)有帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光源5、分光棱鏡4、第二聚焦透鏡組8、第二光電探 測(cè)器9、光電探測(cè)器固定底座10，第二聚焦透鏡組8與第二光電探測(cè)器9組合后固定在光電 探測(cè)器固定底座10上，T字型玻璃基板6內(nèi)設(shè)有第一圓孔7， T字型玻璃基板6上的另一側(cè) 從左至右依次設(shè)有壓電陶瓷11、第二圓孔12、第一玻璃基板13、第一亞波長(zhǎng)光柵層14，壓電 陶瓷11內(nèi)設(shè)有第二圓孔12，第一亞波長(zhǎng)光柵層14的右側(cè)有第二亞波長(zhǎng)光柵層15、第二玻 璃基板16，第二亞波長(zhǎng)光柵層15設(shè)在第二玻璃基板16左側(cè)；光從帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的 激光光源5發(fā)出，通過(guò)分光棱鏡4產(chǎn)生兩路激光， 一路激光通過(guò)第一聚焦透鏡組3，照射到第 二光電探測(cè)器9上，另一路激光通過(guò)分光棱鏡4，第一圓孔7、第二圓孔12、至第一玻璃基底 13、第一亞波長(zhǎng)光柵層14、第二亞波長(zhǎng)光柵層15、第二玻璃基板16 ;在第一亞波長(zhǎng)光柵層14 上產(chǎn)生的反射光通過(guò)第二圓孔12、第一圓孔7、分光棱鏡4、第一聚焦透鏡組3、由第一光電 探測(cè)器2接收。 所述的一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)為位移傳感器，其特征在于所述的第一亞 波長(zhǎng)光柵層或第二亞波長(zhǎng)光柵層的周期為0. 3 2微米，厚度為0. 5 3微米，第一亞波長(zhǎng) 光柵層與第二亞波長(zhǎng)光柵層之間的空氣間隙為0. 05 1微米。所述的第一亞波長(zhǎng)光柵層與 第二亞波長(zhǎng)光柵層形成諧振腔。所述的第一亞波長(zhǎng)光柵層與第二亞波長(zhǎng)光柵層之間的空氣 間隙通過(guò)壓電陶瓷控制。所述的壓電陶瓷推動(dòng)第一玻璃基底軸向平移距離為0 5微米。
當(dāng)光柵的周期小于或等于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，稱這類光柵為亞波長(zhǎng)光柵。當(dāng)兩個(gè)亞波長(zhǎng)光柵垂直平行排列并且二者間距很小時(shí)，偏振光會(huì)在兩個(gè)亞波長(zhǎng)光柵之間產(chǎn)生諧振。 當(dāng)兩個(gè)亞波長(zhǎng)水平方向發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，諧振場(chǎng)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而導(dǎo)致反射光發(fā)生 劇烈變化。通過(guò)此原理，可以利用此光柵作為高精度的位移傳感器。同時(shí)，為了將系統(tǒng)小型 化，我們通過(guò)集成的方式，將光源、探測(cè)器、分光鏡、壓電陶瓷以及一塊亞波長(zhǎng)光柵集成到一 個(gè)玻璃基板上，這樣大大縮小了系統(tǒng)的體積。另外一塊亞波長(zhǎng)光柵鍍?cè)诓ＡЩ宓谋砻?，?通過(guò)玻璃基板固定在待測(cè)物體的表面。為了確定兩組亞波長(zhǎng)光柵之間的空氣間隙大小，我 們通過(guò)固定在T字型基板另一側(cè)的壓電陶瓷來(lái)推動(dòng)其上的亞波長(zhǎng)光柵。為了精確探測(cè)反 射光的強(qiáng)度，我們采用兩個(gè)光電探測(cè)器，一個(gè)用來(lái)探測(cè)反射光的強(qiáng)度，另外一個(gè)用來(lái)探測(cè)激 光光強(qiáng)，通過(guò)將兩個(gè)光電探測(cè)器得到的信號(hào)進(jìn)行差分運(yùn)算，可以提高系統(tǒng)的信噪比，降低誤 差。通過(guò)本發(fā)明，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移信號(hào)進(jìn)行高精度的探測(cè)，同時(shí)，采用集成光學(xué)的手法，可以 減小系統(tǒng)的體積。并利用對(duì)信號(hào)的差分處理的手法，有效的提高了系統(tǒng)的信噪比?？傊?，在 高精度位移傳感器領(lǐng)域，有著很大的推動(dòng)。在位移，距離，厚度等測(cè)量方面，有著廣泛的運(yùn) 用。 基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的位移傳感器制作方法包括以下步驟 1.將一塊T字型玻璃基底的直邊打上一個(gè)直徑為1厘米的圓孔，再其上依次固定 波長(zhǎng)為805納米并帶有準(zhǔn)直鏡和偏振鏡的激光器、分光棱鏡以及第一光電倍增管底座，并 將激光器，分光棱鏡和光電倍增管底座對(duì)齊。其次，將另一基板固定在T字型玻璃基底的側(cè) 面，在其上固定第二光電倍增管的底座，并將第二光電倍增管的底座與分光棱鏡對(duì)齊。
2.在第一光電倍增管底座及第二光電倍增管底座各安裝上一組探測(cè)峰值為805 納米的光電倍增管，并在其前各安裝上一組焦距為1厘米的聚焦透鏡組。
3.在T字型玻璃基底另一側(cè)用固化膠固定上一個(gè)厚度為1. 5厘米，直徑為1厘米， 并且能夠軸向伸縮的壓電陶瓷，壓電陶瓷的中心有一通孔，直徑為2厘米。并將通孔中心與 T字型玻璃基底上的圓孔中心對(duì)齊。 4.取一塊平板玻璃基底(例如K9玻璃)表面清潔，并在其上用高溫蒸鍍的方法 鍍上一層多晶硅薄膜，薄膜厚度為400納米。接著，利用離子束曝光，濕法刻蝕的方法，制作 一個(gè)個(gè)周期為800納米的光柵掩膜。利用此掩膜，再通過(guò)離子束刻蝕的方法，將玻璃基底表 面的多晶硅薄膜加工成周期為800納米，線條寬度為400納米，厚度為400納米的亞波長(zhǎng)光 柵。依照同樣的方法，再制作一塊相同的表面有亞波長(zhǎng)光柵的玻璃基底。
5.將其中一塊玻璃基底利用固化膠固定在壓電陶瓷的另一端，二者中心重合。
當(dāng)系統(tǒng)要對(duì)物體的位移進(jìn)行微測(cè)量時(shí)，首相將一塊分離的玻璃基底的光潔層固定 在物體的表面。然后將，另一塊固定在壓電陶瓷表面的亞波長(zhǎng)光柵粗調(diào)至第一塊亞波長(zhǎng)光 柵的附近，保證兩塊光柵相互平行，且中間具有一定的空氣間隙。然后，利用給壓電陶瓷施 加電壓，利用其軸向的運(yùn)動(dòng)來(lái)精確控制二者之間的空氣間隙，可以通過(guò)位移測(cè)定器來(lái)測(cè)定 二個(gè)光柵之間的空氣距離。當(dāng)兩者之間的距離為300至500納米之間時(shí)，固定壓電陶瓷，啟 動(dòng)激光器，光電倍增管。當(dāng)被測(cè)物體發(fā)生水平移動(dòng)時(shí)，通過(guò)對(duì)兩個(gè)光電倍增管得到的信號(hào)進(jìn) 行差分，可以得到反射光的強(qiáng)度，并通過(guò)理論計(jì)算，可以得到最終的位移大小。
權(quán)利要求
一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器，其特征在于包括基板(1)、第一光電探測(cè)器(2)、第一聚焦透鏡組(3)、分光棱鏡(4)、帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光源(5)、T字型玻璃基板(6)、第一圓孔(7)、第二聚焦透鏡組(8)、第二光電探測(cè)器(9)、光電探測(cè)器固定底座(10)、壓電陶瓷(11)、第二圓孔(12)、第一玻璃基板(13)、第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)、第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)、第二玻璃基板(16)；T字型玻璃基板(6)的一側(cè)設(shè)有基板(1)、第一光電探測(cè)器(2)、第一聚焦透鏡組(3)，第一光電探測(cè)器(2)、第一聚焦透鏡組(3)經(jīng)過(guò)組合后固定在基板(1)上，T字型玻璃基板(6)上的一側(cè)從下到上依次設(shè)有帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光源(5)、分光棱鏡(4)、第二聚焦透鏡組(8)、第二光電探測(cè)器(9)、光電探測(cè)器固定底座(10)，第二聚焦透鏡組(8)與第二光電探測(cè)器(9)組合后固定在光電探測(cè)器固定底座(10)上，T字型玻璃基板(6)內(nèi)設(shè)有第一圓孔(7)，T字型玻璃基板(6)上的另一側(cè)從左至右依次設(shè)有壓電陶瓷(11)、第二圓孔(12)、第一玻璃基板(13)、第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)，壓電陶瓷(11)內(nèi)設(shè)有第二圓孔(12)，第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)的右側(cè)有第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)、第二玻璃基板(16)，第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)設(shè)在第二玻璃基板(16)左側(cè)；光從帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光源(5)發(fā)出，通過(guò)分光棱鏡(4)產(chǎn)生兩路激光，一路激光通過(guò)第一聚焦透鏡組(3)，照射到第二光電探測(cè)器(9)上，另一路激光通過(guò)分光棱鏡(4)，第一圓孔(7)、第二圓孔(12)、至第一玻璃基底(13)、第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)、第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)、第二玻璃基板(16)；在第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)上產(chǎn)生的反射光通過(guò)第二圓孔(12)、第一圓孔(7)、分光棱鏡(4)、第一聚焦透鏡組(3)、由第一光電探測(cè)器(2)接收。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器，其特征在于 所述的第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)或第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)的周期為0.3 2微米，厚度為 0. 5 3微米，第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)與第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)之間的空氣間隙為O. 05 l微米。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器，其特征在于所 述的第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)與第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)形成諧振腔。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)微位移傳感器，其特征在于所 述的第一亞波長(zhǎng)光柵層(14)與第二亞波長(zhǎng)光柵層(15)之間的空氣間隙通過(guò)壓電陶瓷(11) 控制。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵的光學(xué)為位移傳感器，其特征在于所 述的壓電陶瓷(11)推動(dòng)第一玻璃基底(13)軸向平移距離為0 5微米。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于兩組亞波長(zhǎng)光柵光學(xué)微位移傳感器。它主要包括以下部件第一亞波長(zhǎng)光柵層、第二亞波長(zhǎng)光柵層、第一光電探測(cè)管、第二光電倍增管、壓電陶瓷等組成。光從帶有準(zhǔn)直擴(kuò)束透鏡組的激光光源發(fā)出，通過(guò)分光棱鏡產(chǎn)生兩路激光，一路激光通過(guò)第一聚焦透鏡組，照射到第二光電探測(cè)器上，另一路激光通過(guò)分光棱鏡，第一圓孔、第二圓孔、至第一玻璃基底、第一亞波長(zhǎng)光柵層、第二亞波長(zhǎng)光柵層、第二玻璃基板；反射光通過(guò)第二圓孔、第一圓孔、分光棱鏡、第一聚焦透鏡組、由第一光電探測(cè)器接收。本發(fā)明大大縮小了系統(tǒng)的體積，能夠精確對(duì)位移進(jìn)行探測(cè)。在運(yùn)動(dòng)物體位移、厚度、距離等精確探測(cè)上具有很廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101788267SQ201010104140
公開(kāi)日2010年7月28日 申請(qǐng)日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者侯昌倫, 曾旭 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)