工作過程中，光柵位移傳感器的基準(zhǔn)光柵與待測物體剛性連接，移動部件產(chǎn)生的隨機(jī)角度誤差會影響測量精度。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)對隨機(jī)角度誤差非常敏感，輕微的角度變化就會導(dǎo)致測量系統(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領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用
針對這一技術(shù)問題，中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所國家光柵制造與應(yīng)用工程技術(shù)研究中心李文昊研究團(tuán)隊提出一種基于對稱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)。測量系統(tǒng)包含兩個等光程的互補(bǔ)測量臂，雙臂之間存在共模抑制關(guān)系。由于隨機(jī)角度誤差對兩測量臂的影響是共軛的，所以發(fā)生角度變化時兩束測量光仍然保持為合束干涉狀態(tài)，不僅不會引入額外的光程差，而且不會造成信噪比降低。經(jīng)驗證，相同的外部控制下，對稱Littrow結(jié)構(gòu)雙光柵共模誤差抑制系統(tǒng)的測量精度是傳統(tǒng)光柵干涉測量系統(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 研究亮點與實驗結(jié)果(a)不同角度誤差下兩束干涉測量光在探測器表面的重合狀態(tài)(b)100mm量程下SLGIM和ULGIM的誤差分布(c)SLGIM和ULGIM的誤差對比和統(tǒng)計學(xué)參數(shù)分析結(jié)果。
長春光機(jī)所2023級光學(xué)專業(yè)博士研究生周文淵為第一作者，長春光機(jī)所李文昊研究員為通訊作者。本工作還獲得了長春光機(jī)所劉兆武副研究員、孫宇佳助理研究員、劉林助理研究員、吉林大學(xué)王偉成博士的支持。本工作獲得了國家自然科學(xué)基金重點項目、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃以及中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會基金的支持。
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