单光场时栅位移传感器散射角误差分析及优化

光场式时栅传感器采用光强调制的方式解决光栅对制造工艺的依赖，但提高了对光源出光特性的要求。通过对测量原理的分析，建立了单光源散射二维误差模型，分析了光源散射对电行波信号幅值和相位的影响，并通过仿真分析得出光源散射对测量的影响主要为一次和二次谐波误差成分，与未优化光源测量的主要谐波误差成分相吻合。提出一种光线空间约束的优化方法，采用切面迭代法设计准直透镜减小光源发散角，仿真结果表明所设计的光源发光半角从±60°降低到±10°。搭建实验平台进行验证，结果表明：在栅距0.2 mm的单周期测量范围内，与未优化光源对比，添加准直透镜的测量误差从±5.6μm减少到±1μm,其中一次、二次谐波误差成分得到明显抑制，100 mm范围内的长周期测量误差为±8μm。实验结果验证了散射角误差模型的正确性和准直透镜抑制效果的可行性。