摘要
高精度微位移测量对于精密机械、微电子制造、航空航天、生物技术、军事等科学技术应用都至关重要。多年来，光学微位移技术由于其分辨率高、抗干扰性强、易于操作等优点被广泛开发研究使用。其中，光栅位移传感器因其分辨率主要是受其周期影响而备受青睐，光栅周期越小，对应的分辨率也就越高，但是纳米光栅周期变小的同时，加工工艺难度就会提高上来，微米光栅加工工艺相对较简单，但其分辨率较低。通过对工艺难度以及传感器设计指标的综合考量，本文采用双层微米光栅设计一种离面位移检测传感器，并对其涉及的关键技术进行研究分析。该系统设计方案基于微米光栅自成像效应，利用四象限探测器结合高倍率电学细分来实现高分辨率的离面位移检测。本文主要按照以下几个方面的内容进行研究： 首先，调研并分析了目前常用离面位移测量方法，并且进行了检测原理分析、给出了对应的分辨率以及可以实现的量程，然后讨论总结了这些方法在高分辨率与量程中的局限性。提出了利用光栅自成像效应进行离面位移检测的检测方法。 其次，归纳总结了波动光学中单层光栅衍射和干涉效应，基于傅里叶光学原理分析研究了光栅自成像效应的触发条件和空间场强分布，分别分析了单光栅、双光栅结构的位移检测模型理论，并提出了双光栅离面位移传感器的设计的方案。 之后，基于光栅自成像效应对光栅位移检测传感器进行结构设计，介绍该检测结构的工作原理，并对位移传感器的指标进行设计，对设计的光学部分进行相应的仿真，通过不断优化得到光栅周期、光源波长、占空比等参数的数值，完成双光栅检测系统的模块设计，为设计系统的搭建与性能数据的测试收集做好准备。 最后，对设计的离面位移检测系统进行搭建和测试，在实验中，利用高精度的光电探测技术，实现了对位移信号的正弦信号输出，通过高倍率细分电路完成了对系统检测分辨率的跨量级提升。实验结果表明，离面位移传感器的分辨率为11.23nm，量程达到1mm。该传感器系统结构与传统检测技术相比，具有光路设计简单、系统结构紧凑的优势，为小型化、集成度高的系统应用提供了理论和技术基础。
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