光柵位移傳感器因其高精度、高測速、大量程的特性，被廣泛應用于半導體制造、航空航天、精密機床等領域。
工作過程中，光柵位移傳感器的基準光柵與待測物體剛性連接，移動部件產生的隨機角度誤差會影響測量精度。因此，消除隨機角度誤差是提升光柵位移傳感器精度的關鍵環節。
按照基準光柵的數量進行區分，光柵位移傳感器可以分為單光柵系統與多光柵系統。傳統的單光柵系統對隨機角度誤差非常敏感，輕微的角度變化就會導致測量系統失效。多光柵系統中有兩塊以上的基準光柵，它們共同完成衍射光束的角度調制，利用平均效應可以使多光柵系統部分抑制隨機角度誤差干擾。然而，傳統的多光柵系統的量程較小，對元件的公差較為敏感，這些因素都限制了多光柵系統的精度提升和工業應用。
圖1 光柵位移傳感器在多個領域的廣泛應用
針對這一技術問題，中國科學院長春光學精密機械與物理研究所國家光柵制造與應用工程技術研究中心李文昊研究團隊提出一種基于對稱Littrow結構的雙光柵共模誤差抑制技術(SLGIM)。該系統主體光路放置于兩塊光學參數一致的基準光柵所構成的夾層中，展現為“三明治”結構。測量系統包含兩個等光程的互補測量臂，雙臂之間存在共模抑制關系。由于隨機角度誤差對兩測量臂的影響是共軛的，所以發生角度變化時兩束測量光仍然保持為合束干涉狀態，不僅不會引入額外的光程差，而且不會造成信噪比降低。經驗證，相同的外部控制下，對稱Littrow結構雙光柵共模誤差抑制系統的測量精度是傳統光柵干涉測量系統(ULGIM)的1.6倍。
該成果發表于Laser & Photonics Reviews期刊，標題為“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(b)100mm量程下SLGIM和ULGIM的誤差分布(c)SLGIM和ULGIM的誤差對比和統計學參數分析結果。
長春光機所2023級光學專業博士研究生周文淵為第一作者，長春光機所李文昊研究員為通訊作者。本工作還獲得了長春光機所劉兆武副研究員、孫宇佳助理研究員、劉林助理研究員、吉林大學王偉成博士的支持。本工作獲得了國家自然科學基金重點項目、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃以及中國科學院青年創新促進會基金的支持。
