[發明專利]外差一維光柵位移測量裝置

有效

• 申請號: 202011287160.0
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112504131B
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 吉日嘎蘭圖;尹云飛;李文昊;劉兆武;劉林;白宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 長春中科長光知識產權代理事務所(普通合伙) 22218
• 代理人: 高一明;郭婷

本發明提供一種外差一維光柵位移測量裝置，采用上下對稱的結構分布，消除測量裝置在光程上所引入影響；利用雙頻激光器發出的兩束正交的線偏振光，其中頻率為f₁的?1級衍射光和頻率為f₂的+1級衍射光干涉形成?2Δf的多普勒頻移，頻率為f₁的+1級衍射光和頻率為f₂的?1級衍射光干涉形成2Δf的多普勒頻移，信號處理系統對信號進行差分處理，可實現單次衍射的四倍光學細分。本發明可實現單次衍射的四倍光學細分，也可采用直角棱鏡或角錐棱鏡實現八倍的光學細分，同時利用空間上結構微小差異來消除雜光影響，實現位移測量裝置高分辨率的目的。

技術領域

本發明涉及超精密位移測量技術領域，特別涉及一種基于單次衍射實現4倍光學細分的外差一維光柵位移測量裝置。

背景技術

光學測量法在如今的國際世界得到廣泛應用，其中最常見的是激光測量和光柵測量，為了追求測量的精度、測量的多維度、降低成本和小型化設計而引入的光柵，正好可以滿足測量需求，光柵刻槽的平均作用可弱化環境影響，高刻劃精度光柵的柵線數可提高測量系統分辨力。而基于一維光柵的二維位移測量在國內外很多學者進行探究，可并沒有一個最佳的辦法來直接的探測。

Hsu研究團隊對日本學者Lee提出的外差式光柵位移測量裝置進行改進，制作出靈敏度優于1.5pm的二維外差式光柵和在3nm到2.5mm范圍內最優靈敏度可達1pm的全息衍射光柵位移測量裝置，可引入的Z軸向測量為自身的衍射光進行檢測。

現如今，普遍采用引入角錐棱鏡和直角棱鏡的方式進行二次衍射，可進行衍射對稱分布，這必會引入衍射所帶來的誤差，此誤差由對稱分布的1級衍射光經過角錐棱鏡反射，再一次入射至衍射光柵產生的2級衍射光的0級衍射光所產生，因為垂直入射垂直出射的原因，此誤差在水平方向上不可避免。因此，亟需一種在實現單次衍射實現四倍光學細分的同時，消除雜散光的測量裝置。

發明內容

本發明旨在克服現有技術存在的缺陷，提出以一種對稱式4倍光學細分的外差一維光柵位移測量裝置，相對于現有技術，本發明在實現單次衍射4倍光學細分的同時，可消除雜散光對測量系統的影響。

具體地，本發明提供的外差一維光柵位移測量裝置，包括：雙頻激光器、偏振分光棱鏡、第一轉折單元、第二轉折單元、第一信號接收單元、第二信號接收單元和信號處理系統，偏振分光棱鏡設置在雙頻激光器的出射方向上，第一轉折單元與第二轉折單元沿偏振分光棱鏡的反射方向和透射方向對稱設置；其中，雙頻激光器發出兩束正交的頻率分別為f₁和f₂的線偏振光，頻率為f₁的線偏振光經偏振分光棱鏡反射至第一轉折單元，再經過第一轉折單元垂直入射至衍射光柵，經衍射光柵衍射出±1級衍射光，頻率為f₁的±1級衍射光分別經第一轉折單元入射至偏振分光棱鏡，經偏振分光棱鏡透射分別進入第一信號接收單元和第二信號接收單元；頻率為f₂的線偏振光經偏振分光棱鏡反射至第二轉折單元，再經過第二轉折單元垂直入射至衍射光柵，經衍射光柵衍射出±1級衍射光，頻率為f₂的±1級衍射光分別經第二轉折單元入射至偏振分光棱鏡，經偏振分光棱鏡反射分別進入第一信號接收單元和第二信號接收單元；頻率為f₁的+1級衍射光與頻率為f₂的-1級衍射光在第一信號接收單元內干涉形成f₁-f₂的頻率信號，頻率為f₁的-1級衍射光與頻率為f₂的-級衍射光在第二信號接收單元內干涉形成f₁-f₂的頻率信號；信號處理系統對第一信號接收單元和第二信號接收單元接收到的頻率信號進行差分計算，實現衍射光柵單次衍射4倍光學細分的位移測量。