CN115574722A - 一种自溯源干涉式位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自溯源干涉式位移传感器，涉及位移传感器领域，包括：光源、第一分束器、反射模块、分析器、光电探测器和信号处理器；所述第一分束器用于将光源产生的光进行分束，得到第一衍射光和第二衍射光；所述反射模块设置在所述第一分束器和所述分析器之间；所述反射模块用于将所述第一衍射光和所述第二衍射光反射至所述分析器；所述第一分束器与所述分析器平行；待测物固定在所述分析器上；所述分析器用于将所述反射模块的反射光进行劳厄衍射，得到干涉光；所述光电探测器用于将所述分析器产生的干涉光转换为电信号；所述信号处理器与所述光电探测器连接；所述信号处理器用于根据所述电信号确定位移。本发明能够增大待测物的安装空间。
Description
技术领域
本发明涉及位移传感器领域，特别是涉及一种自溯源干涉式位移传感器。
背景技术
高分辨、高稳定性的位移测量系统不仅是现在基础自动化检测系统之一，而且是高精密加工和科学研究的重要保障手段。尤其在芯片制造的光刻机领域研究、航空航天、科学研究都迫切需求高分辨力、高稳定性的位移测量系统。
目前测量位移的手段以激光干涉仪测量位移居多，由于激光干涉仪具有波长可溯源性、测量精度高、测量范围大的优点被广泛应用。但由于激光干涉仪易于受到空气折射率、温度、湿度、震动等环境因素的影响。因此衍生出另一种光栅干涉位移测量手段，光栅干涉仪具有不易受环境影响的优点，让光栅干涉位移测量可以更加方便的应用到实际的工程应用中，但由于光栅干涉仪没有直接溯源性，并且其分辨力受到光栅栅格间距的影响，目前加工水平无法再进一步加工过小的栅格间距，从根本上限制了光栅干涉仪的位移测量分辨力，导致光栅干涉仪无法应用于超精密加工领域。一种自溯源干涉位移传感从根本上解决了激光干涉仪和光栅干涉仪的缺点。
一种自溯源式干涉位移传感器包括X射线干涉模块、信号处理模块和位移显示模块组成。其特点是能够进行高精度的微位移测量。是一种新型的位移测量手段，以单晶硅作为光栅，以单晶硅的硅晶格间距作为栅距，利用布拉格衍射产生干涉信号进行位移测量。具有测量分辨力高、不易受环境干扰、结构简单的优点。根据中国计量科学研究院最新长度量值溯源基准，把硅晶格作为最新长度基准，因此一种自溯源式干涉位移传感器还拥有直接溯源的优点。但普遍存在测量范围小，安装空间有限的问题。
德国计量研究院的AndrewYACOOT教授在2011年研制的X射线位移传感器，它是由三块平行的单晶硅构成的，如图1所示，基于晶体衍射原理，x射线干涉仪，以布拉格衍射角入射至第一层S从第一层衍射的两束入射到第二层M，可以认为是类似于光学干涉仪中的两块镜子。再产生两对衍射光束，每对衍射光束中有一束会聚在第三片分析器A上。这两束产生的条纹图案的周期等于x射线衍射的点阵平面的周期。这种干涉仪最大的缺点是测量范围只有10um，而且第一层至第三层为一个整体不可分离，给待测物安装空间带来困难。因此增大测量范围、给待测物提供更大空间具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种自溯源干涉式位移传感器，实现直接溯源，及增大待测物的安装空间。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种自溯源干涉式位移传感器，包括：光源、第一分束器、反射模块、分析器、光电探测器和信号处理器；
所述第一分束器用于将光源产生的光进行分束，得到第一衍射光和第二衍射光；所述反射模块设置在所述第一分束器和所述分析器之间；所述反射模块用于将所述第一衍射光和所述第二衍射光反射至所述分析器；所述第一分束器与所述分析器平行；待测物固定在所述分析器上；所述分析器用于将所述反射模块的反射光进行劳厄衍射，得到干涉光；所述光电探测器用于将所述分析器产生的干涉光转换为电信号；所述信号处理器与所述光电探测器连接；所述信号处理器用于根据所述电信号确定位移。
可选地，所述反射模块包括第一反射镜和与所述第一反射镜平行设置的第二反射镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜均与所述第一分束器垂直；所述第一反射镜用于将所述第一衍射光反射至所述分析器；所述第二反射镜用于将所述第二衍射光反射至所述分析器。
可选地，所述反射模块包括第一反射镜和与所述第一反射镜垂直的第二分束器；所述第一反射镜与所述第一分束器垂直；所述第二分束器与所述分析器平行；所述第一反射镜用于将所述第一衍射光反射至所述分析器；所述第二分束器用于将所述第二衍射光进行劳厄衍射得到第三衍射光；所述分析器用于将所述第一反射镜的反射光和所述第二分束器产生的第三衍射光进行劳厄衍射。
可选地，所述光源为X射线光源；所述X射线光源以布拉格衍射角产生X光。
可选地，所述自溯源干涉式位移传感器还包括上位机；所述上位机与所述信号处理器连接；所述上位机用于显示所述位移。
可选地，所述第一分束器和所述分析器均为单晶硅。
可选地，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为单晶硅。
可选地，所述第一反射镜和所述第二分束器均为单晶硅。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所述第一分束器用于将光源产生的光进行分束，得到第一衍射光和第二衍射光；所述反射模块设置在所述第一分束器和所述分析器之间；所述反射模块用于将所述第一衍射光和所述第二衍射光反射至所述分析器；所述第一分束器与所述分析器平行；所述分析器用于将所述反射模块的反射光进行劳厄衍射，得到干涉光；所述光电探测器用于将所述分析器产生的干涉光转换为电信号；所述信号处理器与所述光电探测器连接；所述信号处理器用于根据所述电信号确定位移。待测物固定在所述分析器上，待测物和光路部分分离，能够为待测物提供更大的安装空间。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为X射线位移传感器结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的自溯源干涉式位移传感器；
图3为本发明实施例2提供的自溯源干涉式位移传感器。
符号说明：
S-第一层，M-第二层，A-第三片分析器，1-X射线光源，2-X光，3-第一分束器，4-第二衍射光，5-第一衍射光，6-第一反射镜，7-第二反射镜，8-第一反射光，9-第二反射光，10-分析器，11-第一干涉光，12-第二干涉光，13-光电探测器，14-第二分束器，15-第三衍射光。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种自溯源干涉式位移传感器，实现直接溯源，并增大待测物的安装空间。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
如图2所示，本发明提供的一种自溯源干涉式位移传感器，包括：光源、第一分束器3、反射模块、分析器10、光电探测器13和信号处理器。
其中，所述光源为X射线光源1；所述X射线光源1以布拉格衍射角产生X光2。所述第一分束器3用于将光源产生的X光2进行分束，得到第一衍射光5和第二衍射光4；所述反射模块设置在所述第一分束器3和所述分析器10之间；所述反射模块用于将所述第一衍射光5和所述第二衍射光4反射至所述分析器10；所述第一分束器3与所述分析器10平行；待测物固定在所述分析器10上；所述分析器10用于将所述反射模块的反射光进行劳厄衍射，得到干涉光；所述光电探测器13用于将所述分析器10产生的干涉光转换为电信号；所述信号处理器与所述光电探测器13连接；所述信号处理器用于根据所述电信号确定位移。所述第一分束器3和所述分析器10均为单晶硅。
在实际应用中，所述反射模块包括第一反射镜6和与所述第一反射镜6平行设置的第二反射镜7；所述第一反射镜6和所述第二反射镜7均与所述第一分束器3垂直；所述第一反射镜6和所述第二反射镜7均与所述分析器10垂直；所述第一反射镜6用于将所述第一衍射光5反射至所述分析器10；所述第二反射镜7用于将所述第二衍射光4反射至所述分析器10。所述第一反射镜6和所述第二反射镜7均为单晶硅。
在实际应用中，自溯源干涉式位移传感器还包括上位机；所述上位机与所述信号处理器连接；所述上位机用于显示所述位移。
其中，X射线光源1、第一分束器3和第一反射镜6为光路部模块，第二反射镜7和分析器10为被测模块，光电探测器13作为信号接收模块实现光路模块与被测模块的分离。
采用被测部分与其它结构分离，给待测物提供更大的安装空间。由于安装空间的增大，可通过增大被测单晶硅长度实现增加量程。
X射线光源1以布拉格衍射角Θ，射入作为第一分束器3的单晶硅光栅，发生劳厄衍射分为两束衍射光，衍射光包括第一衍射光5和第二衍射光4；两束衍射光分别射线向两块反射镜上，发生布拉格衍射产生两束反射光，反射光包括第一反射光8和第二反射光9，实现分束器和光路部分的分离；第二衍射光4入射到第二反射镜7上，发生布拉格衍射，产生第二反射光9，第一衍射光5入射到第一反射镜6上，产生第一反射光8，两束反射光汇聚于分析器10上，发生劳厄衍射产生两束干涉光，其中干涉光包括第一干涉光11和第二干涉光12，两束衍射光发生干涉，分析器10平行于分束器移动，产生干涉条纹的周期性变化，选取其中一束，用光电探测器13接收其中一路的干涉光产生电信号，电信号输入至信号处理器后传入上位机进行位移显示。
本发明利用X射线光源1发出X光2，由于光强与波长成反比，X光2的波长远远小于可见光，因此X光2的光强远远大于可见光，所以产生干涉条纹的光强远好于可见光产生的干涉的条纹，增强了干涉信号的信号质量。本发明利用单晶硅作为光栅，单晶硅硅晶格间距d220＝0.192015497±1.2×10-8nm，根据多普勒频移可得到此X射线干涉位移传感器的光学分辨力为0.19nm，大大提高了光学系统的光学分辨力。本发明采用被测物与光路部分分离结构，给待测物提供更大的安装空间。由于被测物和光路部分分离，可将作为分析器10的的单晶硅固定在被测物上，由于量程与作为分析器10的单晶硅长度有关，因此可增大作为分析器10的单晶硅的尺寸来获得更大的量程。
实施例2
如图3所示，与实施例1不同的是所述反射模块包括第一反射镜6和与所述第一反射镜6垂直的第二分束器14；所述第一反射镜6与所述第一分束器3垂直；所述第二分束器14与所述分析器10平行；所述第一反射镜6用于将所述第一衍射光5反射至所述分析器10；所述第二分束器14用于将所述第二衍射光4进行劳厄衍射得到第三衍射光15；所述分析器10用于将所述第一反射镜6的反射光和所述第二分束器14产生的第三衍射光15进行劳厄衍射。所述第一反射镜6和所述第二分束器14均为单晶硅。本发明另一种技术方案，其中一块作为反射镜的单晶硅，平行于作为分束器的单晶硅、作为分析器10的单晶硅放置。
X射线光源1以布拉格衍射角θ发出X光2，X光2入射到第一分束器3上发生劳厄衍射，产生两束衍射光，第一衍射光5和第二衍射光4，第二衍射光4入射到第二分束器14上，发生劳厄衍射产生第三衍射光15，第三衍射光15入射到第一反射镜6上，产生第一反射光8，第一反射光8和第三衍射光15汇聚于分析器10上发生劳厄衍射，分别产生两束衍射光发生干涉，光电探测器13接收其中一路干涉光产生电信号。
实施例2相比较于实施例1，第二分束器14平行于分析器10，让被测模块更加集成化小型化，但由于存在第一反射光8，为了避免第二分束器14错误接收到第一反射光8需增加第二衍射光4和第一反射光8之间距离，会增大光路模块体积。
当上述分析器10平行于第一分束器3运动时，会产生干涉条纹的周期性变化，条纹的变化周期与单晶硅的硅晶格间距有关。根据多普勒频移，可得到位移与相位之间关系为：
即当干涉信号变化一个周期，相当于位移移动了一个单晶硅栅格间距。其中，Δx为运动距离，Δwt为变化相位，d为硅晶格间距。
本发明以单晶硅作为光路模块的材料，达到硅晶格间距的分辨力，实现长度的直接溯源，并且能够实现光路模块和被测模块的分离，且由于实现了光路模块与被测模块的分离，可增加被测单晶硅长度实现测量范围的增加。并且该位移传感器结构简单，抗干扰能力强，能够大大提升超精密测量效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，包括：光源、第一分束器、反射模块、分析器、光电探测器和信号处理器；
所述第一分束器用于将光源产生的光进行分束，得到第一衍射光和第二衍射光；所述反射模块设置在所述第一分束器和所述分析器之间；所述反射模块用于将所述第一衍射光和所述第二衍射光反射至所述分析器；所述第一分束器与所述分析器平行；待测物固定在所述分析器上；所述分析器用于将所述反射模块的反射光进行劳厄衍射，得到干涉光；所述光电探测器用于将所述分析器产生的干涉光转换为电信号；所述信号处理器与所述光电探测器连接；所述信号处理器用于根据所述电信号确定位移。
2.根据权利要求1所述的自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，所述反射模块包括第一反射镜和与所述第一反射镜平行设置的第二反射镜；所述第一反射镜和所述第二反射镜均与所述第一分束器垂直；所述第一反射镜用于将所述第一衍射光反射至所述分析器；所述第二反射镜用于将所述第二衍射光反射至所述分析器。
3.根据权利要求1所述的自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，所述反射模块包括第一反射镜和与所述第一反射镜垂直的第二分束器；所述第一反射镜与所述第一分束器垂直；所述第二分束器与所述分析器平行；所述第一反射镜用于将所述第一衍射光反射至所述分析器；所述第二分束器用于将所述第二衍射光进行劳厄衍射得到第三衍射光；所述分析器用于将所述第一反射镜的反射光和所述第二分束器产生的第三衍射光进行劳厄衍射。
4.根据权利要求1所述的自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，所述光源为X射线光源；所述X射线光源以布拉格衍射角产生X光。
5.根据权利要求4所述的自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，还包括上位机；所述上位机与所述信号处理器连接；所述上位机用于显示所述位移。
6.根据权利要求1所述的自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，所述第一分束器和所述分析器均为单晶硅。
7.根据权利要求2所述的自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二反射镜均为单晶硅。
8.根据权利要求3所述的自溯源干涉式位移传感器，其特征在于，所述第一反射镜和所述第二分束器均为单晶硅。
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