CN104535019A - 一种双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法，该测量装置包括：激光源、双衍射光栅单元、干涉单元和回射单元，干涉单元将激光束分为第一偏振光和第二偏振光；第一偏振光沿第一光路入射至第一光栅，经第一光栅衍射沿第二光路入射至回射单元，经回射单元反射将第一偏振光沿与第一光路和第二光路相平行的第三光路和第四光路回射至干涉单元作为第一测量光束；第二偏振光沿与所述第一光路相平行的第五光路入射至第二光栅，经第二光栅衍射沿第六光路入射至回射单元，经回射单元反射将第二偏振光沿与第五光路和第六光路相平行的第七光路和第八光路回射至干涉单元作为第二测量光束，以测量滚转角。

Description

一种双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法

技术领域

本发明属于激光精密测量技术领域，是一种用于测量线性运动或位移方向的滚转角(偏差)的光栅干涉仪装置及方法。

背景技术

精密导轨运动副是现代精密工程的关键共性运动部件，广泛应用于数控机床、航天军工、同步辐射等高科技术领域。所有导轨运动副都存在3个自由度的转角误差即俯仰角、偏摆角和滚转角。滚转角测量是误差补偿、精度改善的前提和基础，也是精密基准计量和几何量测量的关键技术之一。相对于前两者，现有滚转角测量方法或仪器难以满足高精度的测量需求，如同步辐射面形检测中导轨滚转角要求2″范围内精度好于0.2″，主要是因为滚转的角位移垂直于导轨运动方向，造成双频激光干涉仪、自准直仪等高精度成熟测角仪无法直接用于滚转角测量。因此，该领域仍处于研究探索阶段。

目前，主要研究探索集中在如下几方面：

第一，激光干涉法。R.R.Baldwin的美国专利US 3790284提出了一种双渥拉斯顿棱镜的干涉方法，但反射镜和双渥拉斯顿棱镜的装调对齐要求高且成本较高，所以限制了其应用推广；W.Hou的美国专利US 2010/0141957和中国专利公开号为CN101650166A在此基础上提出了一种滚转角干涉测量系统，利用楔形棱镜代替渥拉斯顿棱镜作为传感元件随待测对象一起运动，这降低了成本但却增加了相位计使系统结构复杂了，且对楔形棱镜的对称性和面形要求较高；R.J.Chaney的美国专利US 5056921也提出一种多光束的平面镜干涉仪法，由于平面镜贯穿整个线性运动的行程，所以较长且高精度的平面反射镜是技术实现的瓶颈。

第二，自准直与PSD结合的方法。Wei Gao等人的“Measurement andcontrol of rolling of a precision moving table”(Proceedings of the IEEEInternational conference on intelligent processing systems,1997,28-31:70-74)提出一种基于激光自准直和PSD结合的方法，利用两个差动式PSD探测器，实现滚转角测量，该方法对平面反射镜的表面质量提出了较高的要求，且其易受温度、应力变形等因素的影响，从而降低了测量可靠性；匡萃方等的中国专利公开号为CN101846506A《基于共路平行光线的滚转角测量方法》基于激光自准直原理采用对称光路提高灵敏度，通过测量反射后的光斑位置信息，获得滚转角测量值，共光路结构虽然提高了抗干扰性，但该方法结构相对复杂，增加调节难度，且易受直线度影响。

第三，基于偏振特性的光强法。章恩耀等人的中国专利公开号为CN1396435A《基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置》揭示了采用相位差为180°的两列方法，分别调制光路中的两个半导体激光器产生两束分时交替的正交偏振光，经检偏器后产生光强差值，从而得到滚转角的值；匡萃方等的中国专利公开号为CN1687701A《一种滚转角测量方法与装置》公开了以1/4波片为传感元件，由渥拉斯顿棱镜分光，通过多象限探测器探测两光强差即电压差而实现滚转角测量的方法；史恩秀等人的中国专利公开号为CN101354243A《导轨滚转角的非接触激光检测方法》公开了以1/2波片为传感元件，通过偏振分光棱镜对线偏振光进行分光，探测两束的光强差的滚转角测量方法；冯其波等人的中国专利公开号为CN101339012A《一种基于光栅的滚转角测量方法与装置》揭示了一种将一维平面透射光栅作为传感元件进行分光，通过探测两光斑位置变化获得滚转角测量值。它对反射镜精度要求较高，且为非线性响应需标定；匡萃方等人的中国专利公开号为CN103162645A《一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量方法》公开了以1/2波片为传感元件，利用线偏振光经1/4波片变为椭圆偏振光，通过光电探测器探测光强最大和最小值进行初始椭偏度计算得到实时滚转角信息。测量时检偏器的旋转寻找最大和最小光强值将影响效率和精度。该方法基于光强，易受环境、光源等因素影响，通常其分辨率受到限制。

第四，基于偏振特性的相位法。殷纯永等人的中国专利公开号为CN1335483A《滚转角测量方法及其滚转角测量仪》公开了基于横向塞曼激光器，以1/4波片使正交偏振光发生微椭偏化，再以1/2波作为传感元件，在非线性灵敏区内探测1/2波片引起的相位变化，通过相位计与参考信号进行相位差测量获得滚转角值，该方法虽具有较高灵敏度，但非线性区需要标定，影响测量精度；以及王昭等的中国专利公开号为CN102654392A《一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法》和公开号为CN102818541A《一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法》提出基于多次反射的相位法达到提高分辨率的目的，并分别公开了基于阵列式和基于透镜式的两种多次反射器的测量光路及原理。该方法可实现高分辨率，但非线性响应曲线需要标定，降低了其精度，稳定性欠缺。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种稳定可靠、简单易行的具有高分辨率和高精度的双衍射光栅干涉的滚转角测量装置及方法。

为实现上述目的，本发明的一种双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置，包括：

激光源，用于提供激光束和参考信号，所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差；

双衍射光栅单元，包括两个相同的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和所述第二光栅随测量对象一起运动；

干涉单元，设置于所述双衍射光栅单元的一侧与所述激光源之间；

回射单元，设置于所述双衍射光栅单元的另一侧；

其中，所述干涉单元将所述激光束分为第一偏振光和第二偏振光；所述第一偏振光沿第一光路入射至所述第一光栅，经所述第一光栅衍射沿第二光路入射至所述回射单元，经所述回射单元反射将所述第一偏振光沿与所述第一光路和所述第二光路相平行的第三光路和第四光路回射至所述干涉单元作为第一测量光束；所述第二偏振光沿与所述第一光路相平行的第五光路入射至所述第二光栅，经所述第二光栅衍射沿第六光路入射至所述回射单元，经所述回射单元反射将所述第二偏振光沿与所述第五光路和所述第六光路相平行的第七光路和第八光路回射至所述干涉单元作为第二测量光束；所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉作为外差干涉信号，以根据所述外差干涉信号和所述参考信号测量滚转角。

进一步，所述干涉单元包括偏振分光器和反射器，所述偏振分光器设置于所述双衍射光栅单元的一侧与所述激光源之间，并与所述第一光栅相对应，所述反射器设置于所述双衍射光栅单元的一侧，并与所述反射器和所述第二光栅相对应。

进一步，所述偏振分光器将所述激光束分为沿所述第一光路传送的所述第一偏振光和沿与所述第一光路相垂直的第九光路传送的所述第二偏振光；所述反射器使沿所述第九光路传送的第二偏振光反射，并沿所述第五光路入射至所述第二光栅。

进一步，所述回射单元包括第一反射棱镜和第二反射棱镜，所述第一反射棱镜反射沿所述第二光路入射的所述第一偏振光，使所述第一偏振光沿所述第三光路和所述第四光路回射至所述偏振分光器作为所述第一测量光束；所述第二反射棱镜反射沿所述第六光路入射的所述第二偏振光，使所述第二偏振光沿所述第七光路和所述第八光路回射至所述反射器，并经所述反射器沿与所述第九光路平行的第十光路反射至所述偏振分光器作为所述第二测量光束。

进一步，所述滚转角测量装置还包括计算装置，所述计算装置通过一预定算法计算所述滚转角，所述预定算法为：

$\mathrm{\α}=\frac{S}{L}=\±\frac{d}{2L}{\∫}_0^T\mathrm{\Δf}\·\mathrm{dt}$

其中，α为滚转角，T为计数时间周期，S为所述第一光栅和所述第二光栅的相对角位移，L为所述第一光路和所述第五光路之间的水平间距，d为光栅常数，Δf为所述外差干涉信号和所述参考信号的频率差值。

进一步，所述滚转角测量装置还包括滚转平面，所述第一光栅和所述第二光栅设置于所述滚转平面上，并且所述第一光栅和所述第二光栅位于所述滚转平面的滚转中心的两侧或同侧。

进一步，所述第一光栅和所述第二光栅对称设置于所述滚转中心的两侧。

本发明的双衍射光栅外差干涉的滚转角测量方法，包括如下步骤：

1)激光源发出的激光束经干涉单元被分成第一偏振光和第二偏振光；

2)所述第一偏振光沿第一光路入射至第一光栅，经所述第一光栅衍射沿第二光路入射至回射单元，经所述回射单元反射将所述第一偏振光沿与所述第一光路和所述第二光路相平行的第三光路和第四光路回射至所述干涉单元作为第一测量光束；

3)所述第二偏振光沿与所述第一光路相平行的第五光路入射至第二光栅，经所述第二光栅衍射沿第六光路入射至所述回射单元，经所述回射单元反射将所述第二偏振光沿与所述第五光路和所述第六光路相平行的第七光路和第八光路回射至所述干涉单元作为第二测量光束；

4)所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉后被接收以作为外差干涉信号，并根据所述外差干涉信号和所述参考信号测量滚转角。

进一步，所述步骤2)具体包括：所述第一偏振光透射所述干涉单元的偏振分光器，沿所述第一光路正入射至所述第一光栅后发生第一次衍射，所述第一次衍射的+1或-1级衍射光沿所述第二光路正入射到所述回射单元的第一反射棱镜后被反射平行返回，从所述第一光栅的另一侧沿所述第三光路以+1或-1级衍射角入射，沿所述第四光路发生第二次衍射，所述第二次衍射的+1或-1级衍射光将与所述第一次衍射的入射光平行但方向相反，并再次透过所述偏振分光器，作为第一测量光束。

进一步，所述步骤3)具体包括：所述第二偏振光经所述偏振分光器和一反射器反射后，沿所述第五光路正入射至所述第二光栅后发生第三次衍射，所述第三次衍射的+1或-1级衍射光沿所述第六光路正入射到所述回射单元的第二反射棱镜后被反射平行返回，从所述第二光栅的另一侧沿所述第七光路以+1或-1级衍射角入射，沿所述第八光路发生第四次衍射，所述第四次衍射的+1或-1级衍射光将与所述第三次衍射的入射光平行但方向相反，依次被所述干涉单元中的所述反射器和所述偏振分光器反射，作为第二测量光束。

进一步，所述步骤4)具体包括：所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉后被接收作为外差干涉的测量信号，与所述激光源提供的参考信号进行差值，即获得待测量对象滚转运动引起的所述第一测量光束和所述第二测量光束的多普勒频率变化差值，通过以光栅常数为长度计量基准的外差干涉测量数据处理方法，获得双衍射光栅的微小相对角位移，根据相对角位移与双衍射光栅之间的距离计算得到滚转角。

本发明的滚转角测量装置所需要光学器件少，使用方便和易于模块化、成本较低，具有较好应用前景。而且通过双衍射光栅的差动结构进一步的提高了测量的稳定性，具有高分辨率和高精度的优点。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置的三维结构示意图；

图2为图1的左视图以及滚转平面的线性运动示意。

图3为图1的俯视图。

其中，附图标记说明如下：

1：激光源；

2：干涉单元；

201：偏振分光棱镜；

202：直角反射棱镜；

3：双衍射光栅单元；

301：第一光栅；

302：第二光栅；

4：回射单元；

401：第一反射棱镜；

402：第二反射棱镜；

5：滚转平面

α：待测滚转角；

θ：光栅的±1级衍射角；

D：Z向线性运动范围；

H：第一反射棱镜和第二反射棱镜的长度；

L：偏振分光棱镜和直角反射棱镜的水平间距。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1-3所示，本发明的双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置，包括：

激光源1，用于提供激光束和参考信号，所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量(如图1中光路上的箭头所示)，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差；

双衍射光栅单元3，包括两个相同的第一光栅301和第二光栅302，所述第一光栅301和所述第二光栅302随测量对象一起运动；

干涉单元2，设置于所述双衍射光栅单元3的一侧与所述激光源1之间；

回射单元4，设置于所述双衍射光栅单元3的另一侧；

其中，所述干涉单元2将所述激光束分为第一偏振光和第二偏振光；所述第一偏振光沿第一光路入射至所述第一光栅301，经所述第一光栅301衍射沿第二光路入射至所述回射单元4，经所述回射单元4反射将所述第一偏振光沿与所述第一光路和所述第二光路相平行的第三光路和第四光路回射至所述干涉单元2作为第一测量光束；所述第二偏振光沿与所述第一光路相平行的第五光路入射至所述第二光栅302，经所述第二光栅302衍射沿第六光路入射至所述回射单元4，经所述回射单元4反射将所述第二偏振光沿与所述第五光路和所述第六光路相平行的第七光路和第八光路回射至所述干涉单元2作为第二测量光束；所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉作为外差干涉信号，以根据所述外差干涉信号和所述参考信号测量滚转角α。

上述实施例中激光源1可以选择双频激光测量头，并且于测量时双频激光测量头1、干涉单元2和回射单元4均固定，为相对静止，仅双衍射光栅单元3随着待测量对象一起运动。

在一实施例中，干涉单元2可以包括偏振分光器和反射器，所述偏振分光器设置于所述双衍射光栅单元3的一侧与所述激光源1之间，并与所述第一光栅301相对应，所述反射器设置于所述双衍射光栅单元3的一侧，并与所述偏振分光器和所述第二光栅302相对应。其中，反射器与偏振分光器相对，并位于偏振分光器的反射轴上。本实施例中，偏振分光器为偏振分光棱镜201，反射器为直角反射棱镜202。然而，偏振分光器和反射器并不局限于此，偏振分光器还可以为偏振分光片，直角反射棱镜还可以为平面反射镜等。

在上述实施例中，所述偏振分光棱镜201将所述激光束分为沿所述第一光路传送的所述第一偏振光和沿与所述第一光路相垂直的第九光路传送的所述第二偏振光；所述直角反射棱镜202使沿所述第九光路传送的第二偏振光反射，并沿所述第五光路入射至所述第二光栅302。

在另一实施例中，所述回射单元4可以包括第一反射棱镜401和第二反射棱镜402，所述第一反射棱镜401反射沿所述第二光路入射的所述第一偏振光，使所述第一偏振光沿所述第三光路和所述第四光路回射至所述偏振分光棱镜201作为所述第一测量光束；所述第二反射棱镜402反射沿所述第六光路入射的所述第二偏振光，使所述第二偏振光沿所述第七光路和所述第八光路回射至所述直角反射棱镜202，并经所述直角反射棱镜202沿与所述第九光路平行的第十光路反射至所述偏振分光棱镜201作为所述第二测量光束。

在另一实施例中，所述滚转角测量装置还包括计算装置(图中未示出)，所述计算装置通过一预定算法计算所述滚转角α，所述预定算法为：

$\mathrm{\α}=\frac{S}{L}=\±\frac{d}{2L}{\∫}_0^T\mathrm{\Δf}\·\mathrm{dt}$

其中，α为滚转角，T为计数时间周期，S为所述第一光栅301和所述第二光栅302的相对角位移，L为所述第一光路和所述第五光路之间的水平间距，亦即偏振分光棱镜201和直角反射棱镜202的水平间距，d为光栅常数，Δf为所述外差干涉信号和所述参考信号的差值。

上述计算装置可以集成于双频激光测量头中，根据激光源1提供的参考信号和接收到的外差干涉信号计算得到滚转角α，其中光栅常数d以及偏振分光棱镜201和直角反射棱镜202的水平间距L在测量之前已经预先设定。

在一实施例中，所述滚转角测量装置还包括滚转平面5，所述第一光栅301和所述第二光栅302设置于所述滚转平面5上，并且所述第一光栅301和所述第二光栅302位于所述滚转平面5的滚转中心的两侧。其中，滚转平面5在本实施例中为一圆板，但滚转平面5的形状并不限制于此，其还可以为矩形等其他任意形状。另外，第一光栅301和第二光栅302还可以对称设置于所述滚转中心的两侧。然而，第一光栅301和第二光栅302的位置并不局限于位于滚转中心的两侧，其也可以设置在滚转中心同一侧。在本实施例中将第一光栅301和第二光栅302设置于滚转中心的两侧可以提高滚转角测量的精度。

上述实施例中，在双频激光测量头1的光轴后设置干涉棱镜组2中的偏振分光棱镜201，偏振分光棱镜201的反射光轴上设置直角反射棱镜202；在偏振分光棱镜201的透射光轴上设置双衍射光栅3的第一光栅301，直角反射棱镜202的反射光轴上设有第二光栅302；在第一光栅301的+1或-1级衍射光轴上设置有回射单元4中的第一反射棱镜401，在第二光栅302的+1或-1级衍射光轴上设有第二反射棱镜402。然而，上述各元件的位置关系并不局限于此，任何可以实现上述实施例的所述光路条件的均属于本发明的保护范围。

基于以上滚转角测量装置，本发明的滚转角测量方法如下：

1)双频激光测量头1发出的激光束经过干涉棱镜组2中的偏振分光棱镜201被分成为第一偏振光和第二偏振光。

2)第一偏振光透射过偏振分光棱镜201后，正入射到双衍射光栅3的第一光栅301后发生衍射，其+1或-1级衍射光正入射到回射单元4中的第一反射棱镜401后被反射平行返回，从双衍射光栅3的第一光栅301的另一侧以+1或-1级衍射角入射，发生第二次衍射，此次衍射的+1或-1级衍射光将与第一次衍射的入射光平行但方向相反，再次透过偏振分光棱镜201，作为第一测量光束；

3)第二偏振光被偏振分光棱镜201反射后，接着被干涉单元2中的直角反射棱镜202反射后，正入射到双衍射光栅3的第二光栅302后发生第三次衍射，其+1或-1级衍射光正入射到回射单元4中的第二反射棱镜402后被反射平行返回，从双衍射光栅3的第二光栅302的另一侧以+1或-1级衍射角入射，发生第四次衍射，此次衍射的+1或-1级衍射光将与第三次衍射的入射光平行但方向相反，依次被直角反射棱镜202和偏振分光棱镜201反射，作为第二测量光束；

4)第一测量光束与第二测量光束重合发生干涉，回射到双频激光测量头1的接收孔内被接收。所接收的干涉拍频信号为外差干涉的测量信号，与所述双频激光测量头1所供的参考信号进行差值，即获得待测量对象滚转运动引起的第一测量光束和第二测量光束的多普勒频率变化差值Δf。通过以光栅常数d为长度计量基准的外差干涉测量数据处理方法，可获得双衍射光栅的微小相对角位移S，根据相对角位移与相对半径L的几何关系α＝S/L可最终求得待测量滚转角的值。

其主要测量原理及数学模型如下：

如图1所示，激光束由Z方向正入射(入射角为0°)到第一光栅301上发生第一次衍射，±1级衍射光满足光栅方程：

d sinθ＝±λ                     (1)

式中：d为光栅常数或栅距。反之，第一次衍射的±1级衍射光以θ角入射到第一光栅301发生第二次衍射，其+1或-1级衍射光正交于光栅平面出射，也满足式(1)。

当第一光栅301因待测量对象即滚转平面滚转(滚转角为α)而进行微小运动，在小范围内该运动可近似为X方向线性运动(设速度为V)。根据多普勒原理，±1级衍射光将产生频率变化即频移，第一次和第二次衍射的+1或-1级衍射光(与光栅平面正交出射，即与最初入射光平行)频移量相同，且两次频移具有叠加效应。因此，第一测量光束的频移量可表达为：

$\mathrm{\Δ}{f}_1=\frac{2V}{\mathrm{\λ}}\cos (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

式中：Δf₁表示为第一测量光束的频移量；λ为激光的波长，若采用He-Ne激光可取为633nm；θ为第一次衍射的±1级衍射角。

由式(1)和(2)可得：

$\mathrm{\Δ}{f}_1=\±\frac{2V}{d}---\left(3\right)$

同理，第二测量光束也将产生多普勒频移，但由于第一光栅301和第二光栅302位于滚转中心两侧形成差动结构，使第一和第二测量光束的频移方向相反，为了便于公式推导采用对称结构，则第二测量光束的频移量Δf₂可表达为：

根据外差干涉原理，参考臂和测量臂对应的两个光束即第一测量光束与第二光束发生干涉，干涉信号相对于参考信号的频移量Δf可由式(3)和(4)差值求得：

$\mathrm{\Δ}f=\±\frac{4V}{d}---\left(5\right)$

设第一光栅301和第二光栅302的角位移均为s，由式(5)两边分别对时间t求积分可得：

$s=\±\frac{d}{4}{\∫}_0^T\mathrm{\Δf}\·\mathrm{dt}---\left(6\right)$

式中：T为计数时间周期。通常为电子电路计数实现，表现为计数周期T内频率的个数即脉冲数目。根据式(6)可知，位移测量时每个原始脉冲当量为d/4，为四倍光学细分，是传统激光干涉仪的2倍。显然，原始脉冲当量d/4即分辨率也难以满足高精度测量需求，需要借助更高的电子电路、软件细分等手段进一步提高分辨率。目前，经过2倍光学细分即原始脉冲当量为λ/2及512倍或更大电子细分后，传统商用激光干涉仪的位移测量分辨率可达1nm或更小。基于同样处理电路和电子细分倍数，本发明位移测量分辨率为(d/4)/(λ/2)＝d/(2λ)。

因此，相对角位移S＝2s,根据几何关系α＝S/L，待测量对象的滚转角α为：

$\mathrm{\α}=\frac{S}{L}=\±\frac{d}{2L}{\∫}_0^T\mathrm{\Δf}\·\mathrm{dt}---\left(7\right)$

式(7)为本发明的滚转角测量的数学模型。

若本发明位移测量分辨率s_res为d/(2λ)，则角测量分辨率α_res为可表示为：

$\mathrm{\α}\_\mathrm{res}=\frac{S}{L}=\frac{d}{2\mathrm{\λL}}---\left(8\right)$

如图2所示，由三角几何关系可得：

D sinθ＝H                  (9)

式中：D为待测量对象即滚转平面在Z方向线性运动范围；H为反射棱镜401和402的长。

由式(1)和式(9)可得：

$\frac{d}{\mathrm{\λ}}=\frac{1}{\sin \mathrm{\θ}}=\frac{D}{H}---\left(10\right)$

因此，将式(10)代入式(8)可得：

$\mathrm{\α}\_\mathrm{res}=\frac{d}{2\mathrm{\λL}}=\frac{1}{2L\sin \mathrm{\θ}}=\frac{D}{2\mathrm{HL}}---\left(11\right)$

由式(11)可揭示两个重要结论：

第一，增大第一和第二测量光束的间距L，可提高角测量分辨率。

第二，或者通过减小光栅常数d即增大±1级衍射角θ，也可提高角测量分辨率。但是，对于波长λ为确定值(633nm)，这将导致D/H值也将减小，这势必导致Z方向线性运动范围D的减小或者反射棱镜的长度H的增大。就测量而言，D是被期望越大越好，显然，这将使角分辨率下降；H通常受到现有制造水平等因素限制不宜过大。因此，角测量分辨率虽然由光栅常数d决定，但是，它更由Z方向运动范围D和反射棱镜的长度H决定。

对于1000mm的Z方向运动范围D，若第一和第二测量光束间距L取值为500mm，长反射镜长度H取值为200mm，此时所对应的光栅常数d和±1衍射角分别为3.165um和11.5°，则角测量理论分辨率为5nrad(0.001″)。进一步讲，若单光栅位移的测量精度为0.1um，则双光栅位移S的测量精度为0.05um，根据式(7)可知本发明方法的角测量精度将达到0.1um(0.02″)。可见，与现有检测方法相比，该发明方法不仅具有高分辨率和高精度的优势，而且结构简单、稳定可靠，可基于传统激光干涉仪系统基础上实现，像其他测量功能(如直线度测量等)一样，通过双光栅、长反射镜附件及相应光路即可实现滚转角测量从而拓展商业激光干涉仪系统(如Renishaw XL-80、ZYGO7712/7705、Agilent(HP)5519B/5528A等激光干涉仪)的测量功能。

以上阐述了本发明的原理和较佳实施例，阐述中以双频激光干涉仪为例，但本发明原理和装置对于单频激光干涉仪系统同样适用，仅将双频激光测量头及相应功能换成单频激光测量头及相应功能。上述较佳实施例应被认为是说明性的，而不是限制性的。

Claims (10)

1.一种双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置，其特征在于，包括：

激光源，用于提供激光束和参考信号，所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差；

双衍射光栅单元，包括两个相同的第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和所述第二光栅随测量对象一起运动；

干涉单元，设置于所述双衍射光栅单元的一侧与所述激光源之间；

回射单元，设置于所述双衍射光栅单元的另一侧；

其中，所述干涉单元将所述激光束分为第一偏振光和第二偏振光；所述第一偏振光沿第一光路入射至所述第一光栅，经所述第一光栅衍射沿第二光路入射至所述回射单元，经所述回射单元反射将所述第一偏振光沿与所述第一光路和所述第二光路相平行的第三光路和第四光路回射至所述干涉单元作为第一测量光束；所述第二偏振光沿与所述第一光路相平行的第五光路入射至所述第二光栅，经所述第二光栅衍射沿第六光路入射至所述回射单元，经所述回射单元反射将所述第二偏振光沿与所述第五光路和所述第六光路相平行的第七光路和第八光路回射至所述干涉单元作为第二测量光束；所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉作为外差干涉信号，以根据所述外差干涉信号和所述参考信号测量滚转角。

2.如权利要求1所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述干涉单元包括偏振分光器和反射器，所述偏振分光器设置于所述双衍射光栅单元的一侧与所述激光源之间，并与所述第一光栅相对应，所述反射器设置于所述双衍射光栅单元的一侧，并与所述偏振分光器和所述第二光栅相对应。

3.如权利要求2所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述偏振分光器将所述激光束分为沿所述第一光路传送的所述第一偏振光和沿与所述第一光路相垂直的第九光路传送的所述第二偏振光；所述反射器使沿所述第九光路传送的第二偏振光反射，并沿所述第五光路入射至所述第二光栅。

4.如权利要求3所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述回射单元包括第一反射棱镜和第二反射棱镜，所述第一反射棱镜反射沿所述第二光路入射的所述第一偏振光，使所述第一偏振光沿所述第三光路和所述第四光路回射至所述偏振分光器作为所述第一测量光束；所述第二反射棱镜反射沿所述第六光路入射的所述第二偏振光，使所述第二偏振光沿所述第七光路和所述第八光路回射至所述反射器，并经所述反射器沿与所述第九光路平行的第十光路反射至所述偏振分光器作为所述第二测量光束。

5.如权利要求1所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述滚转角测量装置还包括计算装置，所述计算装置通过一预定算法计算所述滚转角，所述预定算法为：

$\mathrm{\α}=\frac{S}{L}=\±\frac{d}{2L}{\∫}_0^T\mathrm{\Δf}\·\mathrm{dt}$

其中，α为滚转角，T为计数时间周期，S为所述第一光栅和所述第二光栅的相对角位移，L为所述第一光路和所述第五光路之间的水平间距，d为光栅常数，Δf为所述外差干涉信号和所述参考信号的频率差值。

6.如权利要求1所述的滚转角测量装置，其特征在于，所述滚转角测量装置还包括滚转平面，所述第一光栅和所述第二光栅设置于所述滚转平面上，并且所述第一光栅和所述第二光栅位于所述滚转平面的滚转中心的两侧或同侧。

7.一种双衍射光栅外差干涉的滚转角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)激光源发出的激光束经干涉单元被分成第一偏振光和第二偏振光；

2)所述第一偏振光沿第一光路入射至第一光栅，经所述第一光栅衍射沿第二光路入射至回射单元，经所述回射单元反射将所述第一偏振光沿与所述第一光路和所述第二光路相平行的第三光路和第四光路回射至所述干涉单元作为第一测量光束；

3)所述第二偏振光沿与所述第一光路相平行的第五光路入射至第二光栅，经所述第二光栅衍射沿第六光路入射至所述回射单元，经所述回射单元反射将所述第二偏振光沿与所述第五光路和所述第六光路相平行的第七光路和第八光路回射至所述干涉单元作为第二测量光束；

4)所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉后被接收以作为外差干涉信号，并根据所述外差干涉信号和所述参考信号测量滚转角。

8.如权利要求7所述的滚转角测量方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：所述第一偏振光透射所述干涉单元的偏振分光器，沿所述第一光路正入射至所述第一光栅后发生第一次衍射，所述第一次衍射的+1或-1级衍射光沿所述第二光路正入射到所述回射单元的第一反射棱镜后被反射平行返回，从所述第一光栅的另一侧沿所述第三光路以+1或-1级衍射角入射，沿所述第四光路发生第二次衍射，所述第二次衍射的+1或-1级衍射光将与所述第一次衍射的入射光平行但方向相反，并再次透过所述偏振分光器，作为第一测量光束。

9.如权利要求8所述的滚转角测量方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：所述第二偏振光经所述偏振分光器和一反射器反射后，沿所述第五光路正入射至所述第二光栅后发生第三次衍射，所述第三次衍射的+1或-1级衍射光沿所述第六光路正入射到所述回射单元的第二反射棱镜后被反射平行返回，从所述第二光栅的另一侧沿所述第七光路以+1或-1级衍射角入射，沿所述第八光路发生第四次衍射，所述第四次衍射的+1或-1级衍射光将与所述第三次衍射的入射光平行但方向相反，依次被所述干涉单元中的所述反射器和所述偏振分光器反射，作为第二测量光束。

10.如权利要求9所述的滚转角测量方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉后被接收作为外差干涉的测量信号，与所述激光源提供的参考信号进行差值，即获得待测量对象滚转运动引起的所述第一测量光束和所述第二测量光束的多普勒频率变化差值，通过以光栅常数为长度计量基准的外差干涉测量数据处理方法，获得双衍射光栅的微小相对角位移，根据相对角位移与双衍射光栅之间的距离计算得到滚转角。