[發(fā)明專利]外差二維光柵位移測量系統(tǒng)及測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010953663.0
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112097651B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉兆武;李文昊;吉日嘎蘭圖;于宏柱;王瑋;姚雪峰;尹云飛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G02B27/28
• 代理公司: 深圳市科進知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 曹衛(wèi)良

本發(fā)明提供一種外差二維光柵位移測量系統(tǒng)及測量方法，其中的方法包括：S1、通過光源產(chǎn)生兩束重合、偏振正交且具有固定頻差的線偏振光；S2、兩束線偏振光分別通過讀數(shù)頭入射到二維光柵的表面生成第一維度±1級衍射光和第二維度±1級衍射光，再經(jīng)讀數(shù)頭分別入射到光電接收模塊；S3、光電接收模塊分別根據(jù)第一維度±1級衍射光和第二維度±1級衍射光生成對應(yīng)的拍頻信號，發(fā)送至信號處理系統(tǒng)；S4、信號處理系統(tǒng)分別對第一維度±1級衍射光生成的拍頻信號及第二維度±1級衍射光生成的拍頻信號進行差分計算，實現(xiàn)二維光柵第一維度和第二維度的單次衍射4倍光學(xué)細(xì)分的位移測量。本發(fā)明可以避免光柵面形精度和光柵姿態(tài)誤差對測量精度的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密位移測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于單次衍射實現(xiàn)4倍光學(xué)細(xì)分的外差二維光柵位移測量系統(tǒng)及測量方法。

背景技術(shù)

光柵位移測量系統(tǒng)以光柵作為量尺，以光柵的柵距為測量基準(zhǔn)，相比于激光測量技術(shù)，光柵測量對環(huán)境變化的敏感度低，而且光束入射到光柵上會覆蓋很多刻槽，起到平均的作用。光柵位移測量系統(tǒng)中讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，光柵和讀數(shù)頭之間的距離很小，并且不會隨著待測距離的增加而增加，可以大幅度地降低環(huán)境對系統(tǒng)測量精度的影響和測量成本。隨著光柵制造水平的提高，光柵位移測量系統(tǒng)的測量精度和測量分辨力也逐漸提高，應(yīng)用范圍也越來越廣。

光柵位移測量技術(shù)的測量分辨力與光柵的周期直接相關(guān)，基于衍射光干涉原理的位移測量技術(shù)，采用高刻線密度的衍射光柵實現(xiàn)高分辨力、高精度的位移測量，光學(xué)細(xì)分和電子細(xì)分是進一步提高測量分辨力的主要途徑，相比于電子細(xì)分，光學(xué)細(xì)分有更高的可靠性。傳統(tǒng)光柵位移測量系統(tǒng)采用單次衍射實現(xiàn)2倍光學(xué)細(xì)分，為進一步提高光學(xué)細(xì)分，現(xiàn)有技術(shù)多采用二次衍射原理實現(xiàn)4倍光學(xué)細(xì)分或多次衍射實現(xiàn)更高倍數(shù)的光學(xué)細(xì)分，但是無論是二次衍射還是多次衍射都會使測量系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，并且多次衍射利用光柵不同位置的衍射光，光柵面形精度及光柵與讀數(shù)頭之間的姿態(tài)誤差會對測量精度造成很大的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供一種外差二維光柵位移測量系統(tǒng)，包括光源、讀數(shù)頭、光電接收模塊和信號處理系統(tǒng)；其中，光源用于產(chǎn)生兩束重合、偏振正交且具有固定頻差的線偏振光，分別為第一線偏振光和第二線偏振光；讀數(shù)頭用于接收第一線偏振光和第二線偏振光，并分別入射到二維測量光柵的表面生成第一維度±1級衍射光和第二維度±1級衍射光，第一維度±1級衍射光和第二維度±1級衍射光再經(jīng)讀數(shù)頭分別入射到光電接收模塊；光電接收模塊用于分別根據(jù)第一維度±1級衍射光和第二維度±1級衍射光生成對應(yīng)的拍頻信號，發(fā)送至信號處理系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)用于對第一維度±1級衍射光生成的拍頻信號進行差分計算和對第二維度±1級衍射光的拍頻信號進行差分計算，實現(xiàn)二維測量光柵第一維度和第二維度的單次衍射4倍光學(xué)細(xì)分的位移測量。

優(yōu)選地，第一線偏振光是頻率為f_A的S偏振光，第二線偏振光為頻率為f_B的P偏振光；以及，讀數(shù)頭包括偏振分光棱鏡、第一1/4波片、鍍有反射膜的第二1/4波片、第三1/4波片、回轉(zhuǎn)棱鏡和轉(zhuǎn)折元件；其中，偏振分光棱鏡用于接收第一線偏振光和第二線偏振光，并將第二線偏振光透射到第一1/4波片，將第一線偏振光反射到第二1/4波片；第一1/4波片設(shè)置在偏振分光棱鏡的透射光路上，用于將第二偏振光變?yōu)橛倚窆夂笕肷涞交剞D(zhuǎn)棱鏡；回轉(zhuǎn)棱鏡設(shè)置在第一1/4波片的透射光路上，用于對第二偏振光進行回射，當(dāng)?shù)诙窆庠俅谓?jīng)過第一1/4波片變?yōu)镾偏振光后，回到偏振分光棱鏡；第二1/4波片設(shè)置在偏振分光棱鏡的反射光路上，用于將第一偏振光變?yōu)樽笮窆夂筮M行反射，再次經(jīng)過第二1/4波片變?yōu)镻偏振光后，回到偏振分光棱鏡；偏振分光棱鏡還用于對第一偏振光進行透射，對第二偏振光反射，使第一偏振光與第二偏振光合束后入射到第三1/4波片；第三1/4波片設(shè)置在偏振分光棱鏡對第一偏振光進行透射的光路上，用于將第一偏振光變?yōu)橛倚窆夂蟠怪比肷涞蕉S測量光柵的表面，將第二偏振光變?yōu)樽笮窆夂蟠怪比肷涞蕉S測量光柵的表面，第一偏振光與第二偏振光分別衍射生成第一維度±1級衍射光和第二維度±1級衍射光。