光场式时栅光源优化设计及实验研究

作     者：邱爽 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：付敏

授予年度：2024年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 081102[工学-检测技术与自动化装置] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：光学测量 位移测量 光场式时栅 光强调制 光源优化 

摘      要：随着智能制造技术的日益成熟,精密位移测量技术在高精度要求的领域中的应用越来越广泛,在这些领域,对位移测量技术的精度和稳定性都有着极高的需求。高精度光栅位移传感器在实现高精度测量时,需要依赖先进的光刻技术和细分技术,而光刻技术和细分技术同时面临着精度、安装偏差、尺寸适配以及技术整合等多方面的挑战。为了克服这些技术难题,时栅课题组提出了利用光场对时间和空间进行调制来实现位移测量的新方法。由于光场的空间分布会影响位移测量的精度和稳定性。因此,对单光场的光场分布进行优化是提升光场式时栅技术性能的关键。本文从光场式时栅最前端的调制源光源出发,详细分析光源的光场分布对整个引起测量系统的误差,并根据误差分析进行优化研究,主要开展了以下研究工作: (1)根据LED光源的发光特性,建立光源模型,同时根据光场式时栅测量原理,对光源空间光场分布影响行波信号行详细分析。确定了由于光源空间光场分布的平行性和均匀性差,使四路驻波信号的幅值和相位发生变化,从而影响合成行波信号的质量,并通过仿真分析得到初步验证。 (2)考虑到单光源的分布特性及其对驻波信号的影响,从光源处出发进行了优化分析。通过在芯片光源的基础上添加透镜,对光源的出射光线进行准直和均匀两方面的约束,有效减小了光源的散射角,同时使其光强分布更为均匀,从而减小了光源空间光场分布差异对驻波信号的影响,达到四路驻波信号幅值一致的目的。 (3)搭建光源光束角度分析测试平台,对两种优化光源的空间光场分布情况进行测试分析。同时,在光场式时栅位移传感器中,对优化前后的光源进行对比测试,以及四路驻波信号的等幅性测试,并对搭建的测试系统进行了稳定性等实验测试。经过误差处理。实验表明:优化后光源在中心光斑处的照度均匀度为93.85%,0.2 mm周期内测量误差在±1.5μm,在500 mm的测量范围测量误差为±15μm。 综上所述,本文从光场分布对光场式时栅测量精度的影响规律出发,建立光源误差模型,开展光源设计及优化方法研究,通过对光源出射光线进行精细化的控制以提升空间调制效果,为提高光场式时栅测量精度以及后期工程化推广打下坚实基础。