一种基于带有特别的过滤和偏移调制的光栅投影的位移传感器外文翻译.doc

附 录附录1一种基于带有特别的过滤和偏移调制的光栅投影的位移传感器胡建明，曾爱军，王向朝，中国摘要由美国A-B公司生产的ControlLogix系列可编程序逻辑控制器(PLC)提供了多种接口类型：如以太网、ControlNet、DeviceNet、RS-232等等ControlLogix以太网连接模块“1756-ENET”使用了EtherNet/IP、ControlNet等协议，并采用了专业的服务代码封装于以太网协议包中针对“实验性物理和工业控制系统”(EPICS)开发的驱动程序使用了EtherNet/IP协议，从而使得控制器可以运行vxWorks RTOS、Win32和Unix/Linux的测试程序现在来分析一下这个接口的特点和使用场合1 正文一种基于石油光栅空间滤波和偏振调制的位置传感器被提出它是一种光栅投射到被测物体上要通过4倍的空间滤波器光学系统经被测物体反射的光栅投影通过另一个4倍光学系统成像形成莫尔条纹莫尔极化信号获取被测物体的位置信息在位置传感器，不同的莫尔正弦信号对应不同的对象的位置测量是用独立的光栅投影强度和对象的反射率来衡量在实验中，位置传感器的效力得到证明，并且均方根（RMS）的每个测量位置误差小于13纳米。

位置的测量已在许多领域发挥了重要作用，例如制造，生物物理学，和自动控制领域在位置的测量方法，光学方法让人更有兴趣，因为它具有高度的准确性并且是非接触式测量在普通光学方法，诸如图像测量，干涉仪，使用位置灵敏探测器（PDS）的直线位移测量，测量光束方向是垂直于被测物体表面的当有物体阻挡在对象的垂直方向时，普通光学方法就不在适用要解决这个问题,本文提出一种新的基于临界入射的位移光栅传感器这种位置传感器是如图①-1所示一个投射光栅被平行激光束照亮,投置到前面的焦面镜L1焦距透镜组L1和L2组成4倍焦系统1在这个4倍焦系统中，频率平面有一个孔径投影光栅被投射到被测物体投影光栅通过这个临界入射的4倍焦系统1 被检测由镜头L3和L4组成的4倍焦系统2同系统1有相同的光学参数这个传感光栅呈现在L4的背面焦点平面经物体反射后,这个投影光栅的影像通过4倍焦系统2 投影到传感光栅上由于检测光栅和投影光栅的影像重叠产生莫尔条纹莫尔条纹输出信号随物体的方位变化由一个探测器通过透镜L5探测到一个起偏镜和镀板在L4和检测光栅之间形成投影光栅图像的光线通过偏光系统成为线性偏振光通过镀板，线性偏振光被分成两个垂直极化相互交叉的光线。

一个分析仪安置在检测光栅和L5之间当分析仪是围绕在4倍焦系统2的光轴线周围，偏光器板和分析形成偏振调制器随着极化调制，莫尔信号对在光栅投影上光的强度的变化是不敏感的因此，该被测物体的位置，通过检测调制能够准确的测量图①-1位置传感器示意图在图①-1中，位于4倍焦系统中的光轴定义为z轴投影光栅平面上,垂直、平行于投影光栅槽的方向分别被定义为x0和y0轴同样，定义x2，y2轴和x3，y3轴在4倍焦系统1的频平面上的x1，y1轴分别平行于光栅投影平面x0，y0轴光栅投影中心放置在x0轴的起点该光栅投影空间的比例为1:1光栅投影的周期和宽度分别为D和B通过光栅投影振幅分布表示为：（①-1）公式（①-1）中I1是在光栅投影强度随着透镜L1傅立叶变换，在4焦距系统的频平面上的频率分布情况为：（①-2）式中λ是激光波长和f是L1的焦距在频平面上，孔径作为空间滤波器，其过滤的功能如下所示：（①-3）因此，只有0，± 1衍射角的光能通过孔径，通过孔径的频率分布写为：（①-4）经L2傅里叶变换，在L2的回焦平面上振幅E(x2) 分布如下式：（①-5）因此，在光栅投影图像的光强分布表示为：（①-6）被测物放在靠近L2 的背焦点的地方。

L3的前焦点与L2的背焦点是重叠，4倍焦系统的1和2在纵向是对称的经过对象反射，投影通过4倍焦系统成像与检测光栅上L3的前焦点所在水平面被定义为位移传感器的零平面如果在被测物与传感器的零平面之间存在一距离x，检测光栅投影光栅在检测光栅上的图像将随着位置的改变而变化：（①-7）式中θ是入射光角度关于检测光栅投影光栅在检测光栅上的图像的光强分布表示为：（①-8）式中R表示被测物的反射率起偏器的传播轴线与检测光栅槽间的夹角为45 °镀板包括两块相互正交的双折射板它将形成投影光栅的图像光线分成正交极化、相互交叉的两条线，即常规的和特殊的光射线因此，投影光栅的被称作常和特殊的两个图像在检测光栅上成像两图像间的距离是d/2常规和特殊的图像强度分布表示为：（①-9）（①-10）两式中，－B/2≤x3－2x sinθ≤B/2检测光栅有同投影光栅一样的周期和占空比，而且有平行的槽检测光栅放在距离轴X3的起点d/4的地方两个莫尔信号表示如下：（①-11）（①-12）如果检偏镜透线与检测光栅槽间的角度是α，那么这两个通过检偏镜的莫尔信号表示如下：，（①-13）（①-14）检测器通过检偏镜检测光通量，探测器上的光强度由下式给出：（①-15）当检偏镜绕4倍焦系统2的光轴转动角度为α时，莫尔信号的极化调制得以实现，它在检测器上表示为：（①-16）此时，光强度信号被检测器转化为包含直流分量IDC和交变电流分量IAC的电信号。

电力信号由放大器放大，其直流和交流成分被滤波电路分开被测物的位移表示如下：（①-17）x的范围：（①-18）在(17)中，IAC和IDC有相同的因子I1和R，因此，位移x与初始强度I1和反射率R无关那么，激光输出强度和不同被测物的反射率将不会影响位移传感器按光路图①-1所示，进行了实验用一束波长为785nm的平行激光照射投影光栅投影光栅的周长为0.1mm，占空比为1:1透镜L1的焦距为120 mm4倍焦系统1的频率板上的孔径为3.5 mm被测物放在一个能提供做上下线性运动的地方4倍焦系统1的光轴线与正规物体间的夹角为84.5°4倍焦系统2和4倍焦系统1有相同的光学参数，检测光栅和投影光栅有相同的光学参数起偏器和检偏器是格伦泰勒棱镜镀板由两个相同的光束位移差0.05 mm的石英棱镜组成检偏镜放置在一移动的装置上，通过旋转调制莫尔信号 图①-2 当垂直移动对象时IAC/IDC（a）和均方根误差（b）测量结果试验中，通过移动装置在50um的范围内按2.5um的步进一步步移动被测物在每个位置对被测物高度测量100次实验结果显示在图①-2图①-2(a)显示IAC／IDC与被测物高度的关系。

IAC／IDC随高度做正弦变化至此，该位置传感器测量原理得以验证图①-2（b）显示了均方根（RMS）21位置测量误差的均方根（RMS），其值小于13 nm因此，被测物象的高度被位移传感器高精度测量最后，我们提出了一种基于带有特别的过滤和偏移调制的光栅投影的位移传感器这种位移传感器适用于垂直被测物方向有障碍物的测量莫尔信号随物体位移变化而产生的正弦曲线由位移传感器得到这种位置传感器是基于不敏感的光源和物体极化调制反射率的差异而在输出发生变化试验中，该方法的可行性得以验证 附录2A position sensor based on grating projection with spatial filtering and polarization modulationJianmlng Hu(胡建明)12，Aijun Zeng(曾爱军)1，and Xiangzhao Wang(王向朝)Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039Received April 26．2005A position sensor based oil grating projection with spatial filtering and polarization modulation is presented．A grating is projected onto the object to be measured through a 4f optical system with a spatial filter．After reflected by the object the grating projection is imaged on a detection grating through another 4f optical system to form moiré fringes. The polarization modulated moire signal is detected to obtain the position information of the object．In the position sensor，the moire signal varies sinusoidally with the position of object. The measurement is independent of the incident intensity on the projection grating and the reflectivity of the object to be measured．In experiments，the effectiveness of the position sensor is proved，and the root mean square(RMS) error at each measurement position is less than 13 nm．Position measurements have been playing an important role in many fields such as fabrication, biophysics, and auto control．In methods of position measurement，optical method holds more interest because of its high accuracy and non-contact measurement. In the common optical methods such as image measurement, interferometer ,and direct position detection using position sensitive detector (PDS),the measuring beam is in the direction perpendicular to the surface of the object to be measured. When there exists a block in the direction perpendicular to the object，the common optical methods cannot be applied. To solve the problem，a new position sensor based on grating projection with grazing incidence is pr。