光柵位移傳感器因其高精度、高測(cè)速、大量程的特性，被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制造、航空航天、精密機(jī)床等領(lǐng)域。
工作過(guò)程中，光柵位移傳感器的基準(zhǔn)光柵與待測(cè)物體剛性連接，移動(dòng)部件產(chǎn)生的隨機(jī)角度誤差會(huì)影響測(cè)量精度。因此，消除隨機(jī)角度誤差是提升光柵位移傳感器精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
按照基準(zhǔn)光柵的數(shù)量進(jìn)行區(qū)分，光柵位移傳感器可以分為單光柵系統(tǒng)與多光柵系統(tǒng)。傳統(tǒng)的單光柵系統(tǒng)對(duì)隨機(jī)角度誤差非常敏感，輕微的角度變化就會(huì)導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)失效。多光柵系統(tǒng)中有兩塊以上的基準(zhǔn)光柵，它們共同完成衍射光束的角度調(diào)制，利用平均效應(yīng)可以使多光柵系統(tǒng)部分抑制隨機(jī)角度誤差干擾。然而，傳統(tǒng)的多光柵系統(tǒng)的量程較小，對(duì)元件的公差較為敏感，這些因素都限制了多光柵系統(tǒng)的精度提升和工業(yè)應(yīng)用。
圖1 光柵位移傳感器在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用
針對(duì)這一技術(shù)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所國(guó)家光柵制造與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心李文昊研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于對(duì)稱(chēng)Littrow結(jié)構(gòu)的雙光柵共模誤差抑制技術(shù)（SLGIM）。該系統(tǒng)主體光路放置于兩塊光學(xué)參數(shù)一致的基準(zhǔn)光柵所構(gòu)成的夾層中，展現(xiàn)為“三明治”結(jié)構(gòu)。測(cè)量系統(tǒng)包含兩個(gè)等光程的互補(bǔ)測(cè)量臂，雙臂之間存在共模抑制關(guān)系。由于隨機(jī)角度誤差對(duì)兩測(cè)量臂的影響是共軛的，所以發(fā)生角度變化時(shí)兩束測(cè)量光仍然保持為合束干涉狀態(tài)，不僅不會(huì)引入額外的光程差，而且不會(huì)造成信噪比降低。經(jīng)驗(yàn)證，相同的外部控制下，對(duì)稱(chēng)Littrow結(jié)構(gòu)雙光柵共模誤差抑制系統(tǒng)的測(cè)量精度是傳統(tǒng)光柵干涉測(cè)量系統(tǒng)（ULGIM）的1.6倍。
該成果發(fā)表于Laser & Photonics Reviews期刊，標(biāo)題為“A Random Angle Error Interference Eliminating Method for Grating Interferometry Measurement Based on Symmetry Littrow Structure”。文章鏈接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401659
圖2 研究亮點(diǎn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果（a）不同角度誤差下兩束干涉測(cè)量光在探測(cè)器表面的重合狀態(tài)（b）100mm量程下SLGIM和ULGIM的誤差分布（c）SLGIM和ULGIM的誤差對(duì)比和統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)分析結(jié)果。
長(zhǎng)春光機(jī)所2023級(jí)光學(xué)專(zhuān)業(yè)博士研究生周文淵為第一作者，長(zhǎng)春光機(jī)所李文昊研究員為通訊作者。本工作還獲得了長(zhǎng)春光機(jī)所劉兆武副研究員、孫宇佳助理研究員、劉林助理研究員的支持。本工作獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃以及中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)基金的支持。
