CN105136022A - 自准直光栅干涉仪高光学细分结构 - Google Patents

Abstract

一种自准直光栅干涉仪高光学细分结构，包括光栅标尺，第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、第四直角棱镜、第五直角棱镜、第六直角棱镜、第一反射镜，第二反射镜。本发明使光栅干涉仪的测量光束在高衍射效率的光栅标尺和反射镜之间来回反射，同时充分利用光栅在布拉格角度下更容易获得高衍射效率的特点以增加被光栅标尺衍射的次数，从而达到光学高细分的效果。

Description

自准直光栅干涉仪高光学细分结构

技术领域

本发明涉及一种光栅干涉仪，特别是一种自准直光栅干涉仪高光学细分结构，该结构能大幅度提高光栅干涉仪的光学细分倍数。

背景技术

对微纳米精密位移测量的仪器目前主要包括两种：激光干涉仪和光栅干涉仪。激光干涉仪以波长为基准，能得到很高的分辨率，但由于波长容易受到环境、光源等因素的影响，其应用受到了限制。而光栅干涉仪刚好弥补了激光干涉仪的缺点，其以光栅周期作为基准，测量结果基本不受环境和波长的影响，已广泛应用于加工机床、机器人、生物医疗等领域。

无论是激光干涉仪还是光栅干涉仪，其分辨率大小都取决于光学细分倍数和电子细分倍数。由于电子细分受限于光学细分信号，在电子细分相同的情况下，光学细分倍数越高，其测量分辨率越高。目前典型的光栅干涉仪系统，如海德汉公司的专利US5574558，日本佳能公司的专利US5038032，美国IBM公司的专利US5442172等，其光学细分倍数并不高，一般为2或4倍。为了解决光学细分倍数普遍较低的问题,专利高细分高密度光栅干涉仪CN104613865A提出使用高细分棱镜使测量光束多次被光栅标尺反射得到高倍光学细分，但高细分棱镜需要特殊加工，工艺复杂，光路调整困难，专利基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪CN104729402A提出直接使用平面镜代替特殊棱镜的功能，虽然结构简单，但每次入射到光栅的入射角不一致，对光栅设计要求高，专利基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪CN104729411A提出使用双光栅达到高倍细分的效果，不仅简化的复杂的制作工艺，且测量光束每次入射到光栅标尺的入射角都一致，减轻了光栅设计的要求，但由于测量光束是经两个高密度光栅衍射的，使得测量光束的能量损耗下降增加，限制了光学细分倍数的增加。且上述高细分光栅干涉仪的专利均没有采用光栅的布拉格角入射光栅标尺，没有充分利用光栅在此角度下可达到最高的特性。

发明内容

本发明的目的在于解决目前光栅干涉仪光学细分倍数低的问题，同时简化制作工艺，保证测量光束的极低损耗，提出一种自准直光栅干涉仪高光学细分结构，该结构能使测量光束多次被光栅标尺衍射，从而大幅度提高光栅干涉仪系统的光学细分倍数，由于该细分结构每次入射到光栅标尺的角度均为布拉格角，充分地利用了光栅标尺在布拉格角度入射时容易得到高效率的特点，一方面减轻了光栅标尺设计的负担，另一方面高衍射效率意味着被光栅标尺衍射的次数可以更多，也即光学细分倍数可以更多。

本发明的技术解决方案：

一种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构，其特征在于该结构包括：光栅标尺、用于第一测量光束的第一组2M个直角棱镜和第一反射镜，所述的直角棱镜的两直角平面镀增反膜称为增反面，另一个斜平面镀增透膜称为增透面，入射光线与所述的光栅标尺的法线的夹角，即入射角为布拉格角θ，所述的增透面与入射光线或衍射光线垂直，即增透面与光栅标尺的夹角为θ，第一反射镜的反射面与光栅标尺的夹角亦为θ，所述的第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、…、第M直角棱镜与第M+1直角棱镜、第M+2直角棱镜、…、第2M直角棱镜关于所述的光栅标尺的光栅平面相对称，M为大于2的正整数；

第一测量光束首次以m阶布拉格角θ入射到光栅标尺后，被光栅标尺衍射，衍射级次为-m的衍射光与入射光关于所述的光栅标尺的光栅平面对称，衍射光经第一直角棱镜反射，反射光与入射到直角棱镜的入射光平行，方向相反，存在一定的偏移，反射光再次以m阶布拉格角入射到光栅标尺上，透过光栅标尺的-m级衍射光入射到第二直角棱镜，被第二直角棱镜反射后平行于初始入射光束入射到光栅标尺，依此原理，之后依次通过光栅标尺、第二直角棱镜、光栅标尺、第三直角棱镜、光栅标尺、第一直角棱镜、光栅标尺、第一反射镜，由于第一反射镜的反射面与光栅平面的夹角为m阶布拉格角，使得经光栅标尺衍射的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜上，光束沿原路返回，最后与初始入射光束重合，以与初始入射光束相反的反向射出。

该结构还包括用于第二测量光束的第二组2M个直角棱镜和第二反射镜，该第二组2M个直角棱镜和第二反射镜与所述的第一组的2M个直角棱镜和第一反射镜关于所述的光栅标尺的法线对称放置。

所述的M为2时，置于光栅标尺一边的2个直角棱镜可用一个较大的直角棱镜代替。

光栅干涉仪的原理是利用光栅多普勒频移计算光栅标尺的位移，所述的光栅多普勒频移或者通过测量光束和参考光束干涉形成条纹移动的数目获得，或者通过两束测量光束干涉形成条纹移动的数目获得。所述的测量光束为经过光栅标尺衍射的光束，所述的参考光束为不经光栅标尺衍射的光束。

本发明的自准直光栅干涉仪的高光学细分结构使光栅干涉仪的测量光束每次入射光栅标尺的角度均为布拉格角，布拉格角可通过下式得到，

$\mathrm{\θ}=arcsin\left(\frac{m\mathrm{\λ}}{2d}\right)$

式中，λ为测量光束的波长，d为光栅周期，m为布拉格角的阶数。

所述的测量光束首次以m阶布拉格角入射到光栅标尺后，被光栅标尺衍射，衍射级次为-m的透射衍射光与入射光关于光栅平面对称，衍射光经第一直角棱镜反射，反射光与入射到直角棱镜的入射光平行，方向相反，存在一定的偏移，反射光再次以m阶布拉格角入射到光栅标尺上，透射光栅标尺的-m级衍射光入射到第二直角棱镜，被第二直角棱镜反射后平行于初始入射光束入射到光栅标尺，依此原理，之后依此通过光栅标尺、第一直角棱镜、第三直角棱镜、光栅标尺、第一直角棱镜、光栅标尺、第一反射镜，由于第一反射镜的反射面与光栅平面的夹角为m阶布拉格角，使得经光栅标尺衍射的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜上，光束沿原路返回，最后与初始入射光束重合，以与初始入射光束相反的反向射出，即此装置具有自准直特性。

特别地，本发明适用于干涉条纹为两束测量光形成的自准直光栅干涉仪，只要增加第四直角棱镜、第五直角棱镜、第六直角棱镜和第二反射镜即可。此时，第四直角棱镜、第五直角棱镜、第六直角棱镜、第二反射镜分别和第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜和第一反射镜关于光栅标尺的发现对称放置。

特别地，本发明可采用完全相同的直角棱镜分别置于光栅标尺两侧获得高光学细分的效果。细分结构包含第一反射镜、第二反射镜和2M个直角棱镜，直角棱镜分别命名为第一直角棱镜、第二直角棱镜，…，第2M直角棱镜，其中第一直角棱镜至第M直角棱镜与第(M+1)直角棱镜至第2M直角棱镜关于光栅法线对称，所有直角棱镜的增透面与光栅标尺的所成的角度与入射光线和光栅标尺法线所成的角度相等。第一入射光束入射到光栅标尺后衍射经第一直角棱镜反射，后再次入射到光栅标尺上，之后一次经过第二直角棱镜、光栅标尺、第三直角棱镜、光栅标尺、第四直角棱镜、…、第M直角棱镜、光栅标尺，接着垂直入射到第一反射镜上，第一测量光束将原路返回，形成自准直结构。第二测量光束所行走的路径和第一测量光束所行走的路径关于光栅标尺的法线对称。

本发明的技术效果：

本发明使测量光束以布拉格角入射到光栅标尺上，通过反射镜使得测量光束被光栅标尺多次衍射，从而达到高光学细分的效果。由光栅多普勒频移效应可知，入射光束在光栅标尺上经过N次-1级次衍射，则对测量光束产生N倍多普勒频移，可使光学细分倍数提高至N倍。特别地，本发明采用布拉格角入射，可使光栅标尺设计制作更为简便，因为光栅在布拉格角入射时容易获得最高衍射效率，意味着可以增加测量光束经光栅标尺衍射的次数，即增加光栅干涉仪光学细分的倍数。另外本发明的结构简单，经济实惠，对安装要求也不高。

附图说明

图1是本发明自准直光栅干涉仪的高光学细分结构实施例1示意图

图2是本发明自准直光栅干涉仪的高光学细分结构实施例2：两束测量光束时自准直光栅干涉仪的高光学细分结构示意图

图3是本发明自准直光栅干涉仪的高光学细分结构实施例3结构示意图

图4为应用自准直光栅干涉仪的高光学细分部件实例的示意图

具体实施方式

本发明自准直光栅干涉仪的高光学细分结构可用于所有的自准直光栅干涉仪的结构中，激光光源可以使用单频激光光源，也可以采用双频激光光源，干涉信号可以是两束测量光形成的也可以是测量光束和参考光束干涉形成的。下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：一束测量光束

请参阅图1，图1是本发明自准直光栅干涉仪的高光学细分结构实施例1示意图

一种只有一束测量光束的自准直光栅干涉仪的高光学细分结构如图1所示，主要用于测量光束和参考光束形成干涉条纹的光栅干涉仪中。由图可见，本发明自准直光栅干涉仪的高光学细分结构包括：光栅标尺1，第一直角棱镜2、第二直角棱镜4、第三直角棱镜6、第一反射镜8。测量光束首次以m阶布拉格角入射到光栅标尺1后，被光栅标尺衍射，衍射级次为-m的透射衍射光与入射光关于光栅平面对称，衍射光经第一直角棱镜2反射，反射光与入射到直角棱镜的入射光平行，方向相反，存在一定的偏移，反射光再次以m阶布拉格角入射到光栅标尺1上，透过光栅标尺1的-m级衍射光入射到第二直角棱镜4，被第二直角棱镜4反射后平行于初始入射光束入射到光栅标尺1，依此原理，之后依次通过光栅标尺1、第一直角棱镜2、光栅标尺1、第三直角棱镜6、光栅标尺1，此时的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜8上，光束沿原路返回，最后与初始入射光束重合，以与初始入射光束相反的反向射出，此装置具有自准直特性。出射光束经后续光栅干涉的结构后和参考光束汇合在一起形成干涉条纹，通过干涉条纹可以计算多普勒频移，从而得到光栅的位移。

实施例2

两束测量光束时自准直光栅干涉仪的高光学细分结构如图2所示，主要用于两束测量光形成干涉条纹的光栅干涉仪中。该结构包括：光栅标尺1，第一直角棱镜2、第二直角棱镜4、第三直角棱镜6、第四直角棱镜3、第五直角棱镜5、第六直角棱镜7、第一反射镜8，第二反射镜9。相对于只有一束测量光束时自准直光栅干涉仪的高光学细分结构增加第四直角棱镜3、第五直角棱镜5、第六直角棱镜7和第二反射镜9。此时，第四直角棱镜、第五直角棱镜、第六直角棱镜、第二反射镜分别和第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜和第一反射镜关于光栅标尺的发现对称放置。第一测量光束首次以m阶布拉格角入射到光栅标尺1后，被光栅标尺衍射，衍射级次为-m的透射衍射光与入射光关于光栅平面对称，衍射光经第一直角棱镜2反射，反射光与入射到直角棱镜的入射光平行，方向相反，存在一定的偏移，反射光再次以m阶布拉格角入射到光栅标尺1上，透射光栅标尺1的-m级衍射光入射到第二直角棱镜4，被第二直角棱镜4反射后平行于初始入射光束入射到光栅标尺1，依此原理，之后依此通过光栅标尺1、第一直角棱镜2、光栅标尺1、第三直角棱镜6、光栅标尺1、此时的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜8上，光束沿原路返回，最后与初始入射光束重合，以与初始第一入射测量光束相反的反向射出形成第一出射测量光束。第二测量光束与第一测量光束分别位于光栅法线的两侧，第一测量光束首次以m阶布拉格角入射到光栅标尺1后，被光栅标尺衍射，衍射级次为-m的透射衍射光与入射光关于光栅平面对称，衍射光经第四直角棱镜3反射，反射光与入射到直角棱镜的入射光平行，方向相反，存在一定的偏移，反射光再次以m阶布拉格角入射到光栅标尺1上，透射光栅标尺1的-m级衍射光入射到第五直角棱镜5，被第五直角棱镜5反射后平行于初始入射光束入射到光栅标尺1，依此原理，之后依此通过光栅标尺1、第四直角棱镜3、光栅标尺1、第六直角棱镜7、光栅标尺1、此时的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜9上，光束沿原路返回，最后与第二初始入射测量光束重合，以与第二初始入射测量光束相反的反向射出形成第二出射测量光束。第一出射测量光束和第二测量光束分别通过自准直光栅干涉仪的高光学细分结构原路返回后经光栅干涉仪的后续结构后汇合在一起形成干涉条纹，通过干涉条纹可以计算多普勒频移，从而得到光栅的位移。

实施例3

图3为另一种两束测量光束时自准直光栅干涉仪的高光学细分结构示意图。第一测量光束以m阶布拉格角入射到光栅标尺1上，依次经第一直角棱镜11，光栅标尺1，第二直角棱镜13，光栅标尺1，第三直角棱镜15，光栅标尺1，第四直角棱镜17，光栅标尺1，第五直角棱镜19，光栅标尺1，第六直角棱镜21，光栅标尺1，第七直角棱镜23，光栅标尺1，此时的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜25上，光束沿原路返回，最后与第一初始入射测量光束重合，以与第一初始入射测量光束相反的反向射出形成第一出射测量光束；

与此类似，第二测量光束以m阶布拉格角入射到光栅标尺1上，第二测量光束与第一测量光束关于光栅法线对称，依次经第八直角棱镜12，光栅标尺1，第九直角棱镜14，光栅标尺1，第十直角棱镜16，光栅标尺1，第十一直角棱镜18，光栅标尺1，第十二直角棱镜20，光栅标尺1，第十三直角棱镜22，光栅标尺1，第十四直角棱镜24，光栅标尺1，此时的-m级衍射光垂直入射到反射镜26上，光束沿原路返回，最后与第二初始入射测量光束重合，以与第二初始入射测量光束相反的反向射出形成第二出射测量光束。第一出射测量光束和第二测量光束分别通过自准直光栅干涉仪的高光学细分结构原路返回后经光栅干涉仪的后续结构后汇合在一起形成干涉条纹，通过干涉条纹可以计算多普勒频移，从而得到光栅的位移。

图4为应用自准直光栅干涉仪的高光学细分部件实例的示意图，光源为单频激光光源，干涉信号为两束测量光形成的。单频激光器41发出线偏振光，经偏振分束器42分成P光和S光，分别由第一四分之一波片43和第二四分之一波片44变换为圆偏振光，再通过第一反射镜45和第二反射镜46入射到图2或图3所示的自准直光栅干涉仪的高光学细分结构47，第一测量光束的入射光束和第二测量光束的入射光束经高光学细分结构后变为第一出射测量光束和第二出射测量光束，两出射光束再次经过第一反射镜45和第二反射镜46，第一四分之一波片43和第二四分之一波片44变换为与原偏振态正交的线偏振光，经过偏振分光棱镜42，共同进入虚线框内的由四分之一波片48、非偏振分束器49、第一偏振分束器50、第二偏振分束器51(45度旋转放置)及第一探测器52、第二探测器54、第三探测器53、第四探测器55组成的偏振相移干涉光电探测单元，形成四路相移90°的探测信号。进而由数据采集和处理及控制单元56处理即可获得光栅标尺的横向位移。

Claims (3)

1.一种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构，其特征在于该结构包括：光栅标尺(1)、用于第一测量光束的第一组2M个直角棱镜和第一反射镜(8)，所述的直角棱镜的两直角平面镀增反膜称为增反面，另一个斜平面镀增透膜称为增透面，入射光线与所述的光栅标尺(1)的法线的夹角，即入射角为布拉格角θ，所述的增透面与入射光线或衍射光线垂直，即增透面与光栅标尺的夹角为θ，第一反射镜的反射面与光栅标尺的夹角亦为θ，所述的第一直角棱镜(2)、第二直角棱镜(4)、第三直角棱镜(6)、…、第M直角棱镜与第M+1直角棱镜、第M+2直角棱镜、…、第2M直角棱镜关于所述的光栅标尺(1)的光栅平面相对称；M为大于2的正整数；

第一测量光束首次以m阶布拉格角θ入射到光栅标尺(1)后，被光栅标尺衍射，衍射级次为-m的衍射光与入射光关于所述的光栅标尺的光栅平面对称，衍射光经第一直角棱镜反射，反射光与入射到直角棱镜的入射光平行，方向相反，存在一定的偏移，反射光再次以m阶布拉格角入射到光栅标尺上，透过光栅标尺的-m级衍射光入射到第二直角棱镜，被第二直角棱镜反射后平行于初始入射光束入射到光栅标尺，依此原理，之后依次通过光栅标尺、第二直角棱镜、光栅标尺、第三直角棱镜、光栅标尺、第一直角棱镜、光栅标尺、第一反射镜(8)，由于第一反射镜的反射面与光栅平面的夹角为m阶布拉格角，使得经光栅标尺衍射的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜上，光束沿原路返回，最后与初始入射光束重合，以与初始入射光束相反的反向射出。

2.一种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构，其特征在于该结构还包括用于第二测量光束的第二组2M个直角棱镜和第二反射镜，该第二组2M个直角棱镜和第二反射镜与所述的第一组的2M个直角棱镜和第一反射镜关于所述的光栅标尺的法线对称放置。

3.根据权利要求2所述的自准直光栅干涉仪的高光学细分结构，其特征在于所述的M为2时，置于光栅标尺一边的2个直角棱镜可用一个较大的直角棱镜代替。