CN107941154A - 一种位移测量***及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种位移测量***，其特征在于，所述***包括：光源；Alvarez透镜组，所述Alvarez透镜组由面形互补的第一Alvarez透镜和第二Alvarez透镜组成，且所述第二Alvarez透镜相对于所述第一Alvarez透镜沿垂直于光轴方向移动，通过调整移动距离调整所述Alvarez透镜组焦距，进而控制所述平行光到达针孔的光能量；针孔，用于透过所述Alvarez透镜组射出会聚光；光探测器，用于探测从所述针孔透过的光能量。本发明提供的测量***结构简单，仅几个器件结合光学知识就能实现位移的高精度测量，测量精度可达1.33nm。这对于高精度位移传感领域的应用来说，具有很重要的意义。

Description

一种位移测量***及测量方法

技术领域

本发明属于位移测量领域，具体涉及一种位移测量***及测量方法。

背景技术

现有技术中，测量位移的方式有很多，精确地测量微小位移时通常采用位移传感器。位移传感器还应用于物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量，在民用和军用领域有着广泛的应用前景。

Alvarez透镜是由Alvarez提出的一种多项式表面面形的透镜，通过一组两片这样的透镜沿垂直于光轴方向的相对运动可以产生焦距变化。

现有技术中，位移传感器主要分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。

发明内容

鉴于上述，本发明提出了一种位移测量***及测量方法，该测量方法能够高精度地测量位移。

本发明的第一实施方式提供了一种位移测量***，包括：

光源；

Alvarez透镜组，所述Alvarez透镜组由面形互补的第一Alvarez透镜和第二Alvarez透镜组成，且所述第二Alvarez透镜相对于所述第一Alvarez透镜沿垂直于光轴方向移动，通过调整移动距离调整所述Alvarez透镜组焦距，进而控制所述平行光到达针孔的光能量；

针孔，用于透过所述Alvarez透镜组射出的会聚光；

探测器，用于探测从所述针孔透过的光能量。

本发明实施方式提供的测量***的工作原理为：

Alvarez透镜表面多项式方程为：

产生焦距f为：

其中，f为两个Alvarez透镜组合焦距，A为多项式系数，2δ为两个Alvarez透镜之间的移动的距离，n为Alvarez透镜的材料折射率；

当两个Alvarez透镜在垂直于光轴方向有一个微小的位移时，会导致组合焦距产生大的变化，由公式(2)可知：

当两个Alvarez透镜产生Δδ的距离变化时，导致组合焦距产生Δf的变化，原来聚焦在针孔位置的光斑大小变为：

其中r为焦距的变化情况下针孔平面上的光斑半径的大小，D为照射在Alvarez透镜上的光束口径；

由公式(3)和(4)可以得到：

假设针孔的半径为r₀，且光斑的能量分布是均匀的，由于焦距的变化，针孔接收的能量μ变为：

由式(6)可以看出，Alvarez透镜的位置产生变化，导致透过针孔的能量产生非常敏感的变化。通过探测透过针孔的能量就可以精确地测量Alvarez透镜的位移量。

作为优选，在所述光源与所述Alvarez透镜组之间设有准直透镜，用于将所述光源发射的发射光变成平行光后射出。

作为优选，所述光源为激光器、LED等。

作为优选，所述光探测器可以替换为光功率计。

本发明第二实施方式提供了一种利用第一实施方式提供的***测量位移的方法，包括以下步骤：

将所述第二Alvarez透镜固定在被测对象上后，所述光源、准直透镜、第一Alvarez透镜、第二Alvarez透镜、针孔以及光探测器沿光轴方向依次布置；

根据透过针孔的光能量计算得到第一Alvarez透镜与第二Alvarez透镜的相对位移，该位移为被测对象的位移。

本发明提供的测量***结构简单，仅几个器件结合光学知识就能实现位移的高精度测量，测量精度可达1.33nm。这对于高精度位移传感领域的应用来说，具有很重要的意义。

附图说明

图1是实施例提供的位移测量***的结构示意图；

图2是实施例提供的带有准直透镜的位移测量***的结构示意图；

图3、图4是实施例中Alvarez透镜移动产生光焦度变化的原理图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例

图1是实施例提供的位移测量***的结构示意图。参见图1，本实施例提供的位移测量***包括光源101；设置在光源出射光光路上的Alvarez透镜组，Alvarez透镜组由面形互补的第一Alvarez透镜102和第二Alvarez透镜103组成，且第二Alvarez透镜103相对于第一Alvarez透镜102沿垂直于光轴方向移动，通过调整移动距离调整Alvarez透镜组焦距，进而控制光源的101出射光到达针孔的光能量；针孔104，用于透过Alvarez透镜组射出会聚光；光探测器105用于探测从所述针孔透过的光能量。

在本实施例中，光源101为激光器和LED等。

图3、图4给出了Alvarez透镜移动产生光焦度变化的原理图。从图3和图4中，可以明显地得到：当第二Alvarez透镜103相对于第一Alvarez透镜102沿垂直于光轴方向移动，产生微小位移时，整个Alvarez透镜组的焦距会产生变化，由原来的f变成fΔf，光斑由原来的一个点变成半径为r的光斑。

如图2所示，本实施例中还在Alvarez透镜租与光源101之间设有准直透镜106，这样光源101出射的发散光经准直透镜106后变成平行光射到在Alvarez透镜租上。

在本实施例中，假设第一Alvarez透镜102与第二Alvarez透镜103的多项式系数A＝1.0E-2(1/mm2)，透镜的材料为PMMA(折射率n为1.5)，通光口径D为10mm，针孔的半径r₀为2um。假设针孔平面到Alvarez透镜的距离为20mm；当焦点刚好位于针孔平面时，所有光的能量能够全部透过，这时第二Alvarez透镜103相对于第一Alvarez透镜102移动距离δ＝2.5mm。当δ变化1um时(即第二Alvarez透镜103相对于第一Alvarez透镜102移动了1um的距离)，即Δδ＝1um时，由公式(5)可得：

在针孔平面，光斑的半径r为：

假设在针孔平面上光斑的能量均匀分布，由公式(6)可得透过针孔的能量为光束能量(焦点刚好在针孔平面位置时透过针孔的能量)的：

假设探测器能够精确测定光束能量的1/1000的变化量，则可以计算出Alvarez透镜移动距离测量的精度可以达到：

因此，可以达到1.33nm的测量精度，能够实现纳米级的精确测量。

本实施例中，将以上位移测试***应用到测量位移上，测量方法为：

将第二Alvarez透镜103固定在被测对象上后，光源101、准直透镜106、第一Alvarez透镜102、第二Alvarez透镜103、针孔104以及光探测器105沿光轴方向依次布置；

根据透过针孔104的光能量计算得到第一Alvarez透镜102与第二Alvarez透镜103的相对位移，该位移为被测对象的位移。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种位移测量***，其特征在于，所述***包括：

光源；

Alvarez透镜组，所述Alvarez透镜组由面形互补的第一Alvarez透镜和第二Alvarez透镜组成，且所述第二Alvarez透镜相对于所述第一Alvarez透镜沿垂直于光轴方向移动，通过调整移动距离调整所述Alvarez透镜组焦距，进而控制所述光源的出射光到达针孔的光能量；

针孔，用于透过所述Alvarez透镜组射出会聚光；

光探测器，用于探测从所述针孔透过的光能量。

2.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，在所述光源与所述Alvarez透镜组之间设有准直透镜，用于将所述光源发射的发射光变成平行光后射出。

3.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述光源为激光器、LED。

4.如权利要求1所述的位移测量***，其特征在于，所述光探测器替换为光功率计。

5.一种利用权利要求1～3任一所述的***测量位移的方法，包括以下步骤：

将所述第二Alvarez透镜固定在被测对象上后，所述光源、准直透镜、第一Alvarez透镜、第二Alvarez透镜、针孔以及光探测器沿光轴方向依次布置；

根据透过针孔的光能量计算得到第一Alvarez透镜与第二Alvarez透镜的相对位移，该位移为被测对象的位移。