CN110285761B - 一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置 - Google Patents

Abstract

一种结构紧凑的衍射光栅三维位移测量装置，属于微位移测量技术，由标尺光栅、光源、复合型扫描光栅、X向探测部件、Y向探测部件、Z向探测部件构成；光源为激光器；标尺光栅和复合型扫描光栅平行放置，通过光栅周期和栅线方向的合理布置，该装置能够同时测量X向、Y向和Z向位移的三维位移，且结构紧凑，体积小，抗干扰能力强，能够实现X向和Y向光学4倍细分，Z向光源波长2细分，配合合适电学细分卡，可实现纳米甚至更高分辨率及精度，可应用于小体积多维度的高精度位移测量实践中。

Description

一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置

技术领域

本发明属于微位移测量技术，主要涉及一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置。

背景技术

近年来，利用光栅干涉实现多自由度的位移测量得到了越来越广泛的关注，对于光栅位移测量的研究多是集中于多自由度和高精度等方面。

1988年，海德汉公司申请的专利“Displacement measuring apparatus andmethod”(专利公开号US4776701)，首次使用双光栅干涉测量系统实现X轴方向上的位移测量。其后，海德汉公司将其光栅改为二维光栅，实现了X轴方向和Y轴方向上的位移测量，该方法及其后续的改进方法能够实现二维位移测量，但不能实现Z轴方向上的位移测量，且结构较为复杂，难以小型化。

2013年日本学者Wei Gao与清华学者曾理江等人联合发表的文章“A six-degree-of-freedom surface encoder for precision positioning of a planar motionstage”中提出了一种类似迈克逊干涉仪的装置，在探测单元加入了能够准确判断光斑接受位置变化的高性能四象限探测器，根据四象限探测器上接受光斑的位置变化与光栅转角的对应关系实现了对标尺光栅绕X轴、Y轴及Z轴的转角测量，加上该系统能够实现X轴、 Y轴、Z轴方向上的位移量测量，整个系统能够实现6自由度的测量，该方法为了实现对信号的移相，引入了很多的分光棱镜与偏振分光棱镜，体积较大；而且当读数头与光栅产生的Z向运动时，干涉区域的范围变小，不利于Z向较大量程的测量。

清华大学朱煜等人在2013年申请的专利《一种三自由度外差光栅干涉仪位移测量系统》(申请公布号 CN103322927A)中，提出的位移测量系统利用光学多普勒效应和光学拍频原理实现当光栅干涉仪与测量光栅做三自由度线性相对运动时,系统可输出三个线性位移，但该系统实现位移测量时用到较多偏振分光器件和折光器件，结构较为复杂。

哈尔滨工业大学胡鹏程等人在2013年申请的专利《抗光学混叠的双频激光光栅干涉二维测量方法及系统》(申请公布号CN103604375A)中提出的位移测量方法是在迈克尔逊干涉仪原理的基础上改进，使用双频激光和衍射光栅实现二维位移测量，但在测量装置中使用了较多的分光器件和波片，结构较为复杂。

哈尔滨工业大学陆振刚等人在2015年申请的专利《一种基于衍射光栅的三维位移测量装置》(申请公布号CN 104596425A)和《一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置》(申请公布号CN 104567695A)中分别提出了由单频激光和双频激光作为光源，使用衍射光栅实现三维位移测量的装置，虽然能够实现三维位移测量，但在实现Z向位移测量时，均使用迈克尔逊干涉仪原理，棱镜结构众多且复杂，难以小型化。

中国科学院上海光学精密机械研究所的周常河等人在2015年申请的专利《四倍光学细分的两轴外差光栅干涉仪》(申请公布号CN105203031A)中提出的二自由度外差干涉测量方法通过使用多块反射镜将光纤经标尺光栅衍射后利特罗式出射，实现位移测量，该方法由于引入多块反射镜，体积大，不易操作，且实现四细分测量时，利用多个分光器件及直角棱镜，结构极其复杂。

清华大学张鸣等人在2016年申请的专利《一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法》(申请公布号 CN 106289068A)中，提出的利特罗式光栅位移测量系统，使用双频激光，在标尺光栅处采用利特罗式结构，将光束沿原路返回到光纤耦合器中实现位移测量，经解算后可实现X轴和Z轴两个自由度的位移输出，同时引入双频激光发生器，增强了测量信号的抗干扰能力。该专利为了实现光线利特罗式出射，引入了较多的棱镜和偏振片。结构复杂；同时，当读数头与光栅产生的Z向运动时，干涉区域范围变小，不利于Z 向较大量程的测量。

发明内容

为解决上述方案中由于棱镜等结构众多导致的位移测量系统体积难以减小的问题，本发明基于双光栅干涉原理，设计了一种结构紧凑的三维位移测量装置。本装置可以测量扫描光栅相对于标尺光栅发生X向、 Y向和Z向的位移时，达到实现高精度的三维实时测量的目的。

本发明的技术方案如下：

一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置，包括标尺光栅、光源、复合型扫描光栅、X向探测部件、Y 向探测部件、Z向探测部件，其特征在于：所述的复合型扫描光栅中间区域为二维光栅，两个栅线方向分别沿X轴和Y轴方向，沿X轴方向在二维光栅两侧布置两个一维光栅，栅线方向与Y轴平行，沿Y轴方向在二维光栅两侧布置两个一维光栅，栅线方向与X轴平行；所述的标尺光栅为二维矩形光栅，其栅线与复合型扫描光栅的栅线平行或垂直，标尺光栅1周期与复合型扫描光栅的中间区域二维光栅及周围布置的一维光栅周期均相同；所述的光源(如激光器)出射的激光垂直入射到复合型扫描光栅中间的二维区域后分为透射衍射光和反射衍射光；所述的反射衍射光包括0级和1级反射衍射光；所述的透射衍射光包括垂直透射的0级透射衍射光、偏向X轴方向的2级透射衍射光和偏向Y轴方向的2级透射衍射光，其中垂直透射的0级衍射光到达标尺光栅后反射衍射为原路返回的0级反射衍射光、偏向X轴方向的2级反射衍射光和偏向Y轴方向的2级反射衍射光；原路返回的0级反射衍射光回到复合型扫描光栅中间的二维区域后发生透射衍射，衍射为0级透射衍射光和1级透射衍射光，分别与复合型扫描光栅直接反射的0级和1级反射光发生干涉，形成两组干涉信号，被Z向探测部件获取，可以通过这两组信号得到Z向的位移；反射衍射光与透射衍射光经标尺光栅反射的-2级反射衍射光在复合型扫描光栅上的一维光栅区域合光干涉，产生两组干涉信号，被X向探测部件获取，可以通过这两组信号得到X轴方向上的位移；所述的透射衍射光与透射衍射光经标尺光栅反射的-2级反射衍射光在复合型扫描光栅上的一维光栅区域合光干涉，产生两组干涉信号，被Y向探测部件获取，可以通过这两组信号得到Y轴方向上的位移。

标尺光栅1可为二维棋盘格结构光栅，其栅线与复合型扫描光栅3的栅线成45°角，标尺光栅1周期为复合型扫描光栅周期的

倍。

本发明具有以下优点及突出效果：

1.本发明在X向和Y向位移测量时，仅使用复合型扫描光栅3和标尺光栅1以及必要的X 向探测部件4、Y向探测部件5，在Z向位移测量时，利用的复合型扫描光栅3直接反射的0级光和1级光，使用较少的光学分光器件，整体上，在实现三维位移测量时，测量装置结构十分紧凑、体积小，方便应用。

2.本发明在Z向测量时，与复合型扫描光栅3直接反射衍射的0级光和1级光干涉的光束，均为入射光经复合型扫描光栅3透射衍射的0级透射光再经标尺光栅1反射衍射后原路返回到复合型扫描光栅3的0级反射衍射光产生的，没有与X轴、Y轴方向位移信息的耦合，无需解耦即可得到Z向的位移。

3.本发明在Z向测量时，使用的是入射光经复合型扫描光栅3透射衍射的0级光再经标尺光栅1反射衍射后原路返回的0级反射光，可以使得当复合型扫描光栅3与标尺光栅1平行时，干涉区域的范围与读数头Z向的运动变化无关，故而该方案能够提供较大的Z向测量范围。

4.本发明在X向和Y向位移测量时，使用标尺光栅1的二级衍射光，能够实现相对于标尺光栅1运动方向周期的光学4倍细分。

5.本发明在X向和Y向位移测量时，使用复合型扫描光栅3的透射光，而Z向位移测量时使用了复合型扫描光栅3的反射光，实现光能充分利用。

6.本发明可以测量读数头相对于标尺光栅1在X、Y、Z三个方向的位移，在X、Y向实现了对标尺光栅周期的光学4细分，Z向实现对激光波长的光学2倍细分，搭配合适的细分卡，可以实现纳米精度测量。

附图说明

图1为本发明一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置的结构原理示意图。

图2为测量装置实现Z向位移测量的一种典型方式示意图。

图3a为棋盘格式标尺光栅结构意图。

图3b为矩形标尺光栅结构示意图。

图4为复合型扫描光栅结构示意图。

图5为复合型扫描光栅和标尺光栅的放置方式示意图。

件号：图中1--标尺光栅，2--光源，3--复合型扫描光栅，4--X向探测部件，5--Y向探测部件，6--Z向探测部件，7—分光棱镜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细介绍。

参考图1，图1为本发明一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置的实施例示意图。一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置，包括标尺光栅1、光源2、复合型扫描光栅3、X向探测部件4、Y向探测部件5、Z向探测部件6。

所述的复合型扫描光栅3中间区域为二维光栅，两个栅线方向分别沿X轴和Y轴方向，沿X轴方向在二维光栅两侧布置两个一维光栅，栅线方向与Y轴平行，沿Y轴方向在二维光栅两侧布置两个一维光栅，栅线方向与X轴平行，参考图4；所述的标尺光栅1为二维矩形光栅，其栅线与复合型扫描光栅3的栅线平行或垂直，光栅周期与复合型扫描光栅3的中间区域二维光栅及周围布置的一维光栅周期均相同；所述的光源2出射的激光OP1垂直入射到复合型扫描光栅3中间的二维区域后分为透射衍射光和反射衍射光；所述的反射衍射光包括0级和1级反射衍射光；所述的透射衍射光包括垂直透射的0级透射衍射光OP2、偏向X轴方向的2级透射衍射光OP4和偏向Y轴方向的2级透射衍射光OP3，其中垂直透射的0级衍射光OP2到达标尺光栅1后反射衍射为原路返回的0级反射衍射光OP5、偏向X轴方向的2级反射衍射光OP6和偏向Y轴方向的2级反射衍射光OP8；原路返回的0级反射衍射光OP5回到复合型扫描光栅3中间的二维区域后发生透射衍射，衍射为0 级透射衍射光和1级透射衍射光，分别与复合型扫描光栅3直接反射的0级和1级反射光发生干涉，形成两组干涉信号，被Z向探测部件6获取，可以通过这两组信号得到Z向的位移；反射衍射光OP6与透射衍射光OP4经标尺光栅1反射的-2级反射衍射光OP7在复合型扫描光栅3上的一维光栅区域合光干涉，产生两组干涉信号，被X向探测部件4获取，可以通过这两组信号得到X轴方向上的位移；所述的透射衍射光OP8与透射衍射光OP3经标尺光栅1反射的-2级反射衍射光OP9在复合型扫描光栅3上的一维光栅区域合光干涉，产生两组干涉信号，被Y向探测部件5获取，可以通过这两组信号得到Y轴方向上的位移。

所述的标尺光栅1可为二维棋盘格结构光栅，且其栅线与复合型扫描光栅3的栅线成45°角，标尺光栅1周期为复合型扫描光栅周期的

倍。

在光源2采用的波长为λ＝632.8nm时，复合型扫描光栅3的一组典型参数为中间二维光栅周期 d＝2μm、光栅台阶高度h＝200nm、光栅台阶宽度a＝1.414μm，沿X轴方向左右两侧和沿Y轴方向上下两侧的一维光栅周期d＝2μm、光栅台阶高度h＝600nm、光栅台阶宽度a＝1.2μm。

标尺光栅1参数设计包括以下形式：

(a)标尺光栅1为二维棋盘格结构光栅，且其栅线与复合型扫描光栅3的栅线成45°角，其一组典型参数为光栅周期d＝2.828μm、光栅台阶高度h＝159nm、光栅台阶宽度a＝1.414μm。

(b)标尺光栅1为二维矩形光栅，且其栅线与扫描分光光栅31的栅线平行或垂直，其一组典型参数为光栅周期d＝2μm、光栅台阶高度h＝159nm、两个方向光栅台阶宽度a＝0.8μm。

参考图2，使用一块分光棱镜将复合型扫描光栅3反射衍射的0级光偏折到X轴方向或Y轴方向，避免Z向探测部件6干扰光源2发出的入射光。

Claims (2)

1.一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置，包括标尺光栅(1)、光源(2)、复合型扫描光栅(3)、X向探测部件(4)、Y向探测部件(5)、Z向探测部件(6)，其特征在于：所述的复合型扫描光栅(3)中间区域为二维光栅，两个栅线方向分别沿X轴和Y轴方向，沿X轴方向在二维光栅两侧布置两个一维光栅，栅线方向与Y轴平行，沿Y轴方向在二维光栅两侧布置两个一维光栅，栅线方向与X轴平行；所述的标尺光栅(1)为二维矩形光栅或二维棋盘格结构光栅，标尺光栅(1)为二维矩形光栅时，其栅线与复合型扫描光栅(3)的栅线平行或垂直，标尺光栅(1)周期与复合型扫描光栅(3)的中间区域二维光栅及周围布置的一维光栅周期均相同；标尺光栅(1)为二维棋盘格结构光栅时，其栅线与复合型扫描光栅(3)的栅线成45°角，标尺光栅(1)周期为复合型扫描光栅(3)周期的

倍；所述的光源(2)出射的激光(OP1)垂直入射到复合型扫描光栅(3)中间的二维区域后分为透射衍射光和反射衍射光；所述的反射衍射光包括0级和1级反射衍射光；所述的透射衍射光包括垂直透射的0级透射衍射光(OP2)、偏向X轴方向的2级透射衍射光(OP4)和偏向Y轴方向的2级透射衍射光(OP3)，其中垂直透射的0级衍射光(OP2)到达标尺光栅(1)后反射衍射为原路返回的0级反射衍射光(OP5)、偏向X轴方向的2级反射衍射光(OP6)和偏向Y轴方向的2级反射衍射光(OP8)；原路返回的0级反射衍射光(OP5)回到复合型扫描光栅(3)中间的二维区域后发生透射衍射，衍射为0级透射衍射光和1级透射衍射光，分别与复合型扫描光栅(3)直接反射的0级和1级反射光发生干涉，形成两组干涉信号，被Z向探测部件(6)获取，可以通过这两组信号得到Z向的位移；反射衍射光(OP6)与透射衍射光(OP4)经标尺光栅(1)反射的-2级反射衍射光(OP7)在复合型扫描光栅(3)上的一维光栅区域合光干涉，产生两组干涉信号，被X向探测部件(4)获取，可以通过这两组信号得到X轴方向上的位移；所述的透射衍射光(OP8)与透射衍射光(OP3)经标尺光栅(1)反射的-2级反射衍射光(OP9)在复合型扫描光栅(3)上的一维光栅区域合光干涉，产生两组干涉信号，被Y向探测部件(5)获取，可以通过这两组信号得到Y轴方向上的位移。

2.如权利要求1所述一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置，其特征在于：使用一块分光棱镜将复合型扫描光栅(3)反射衍射的0级光偏折到X轴方向或Y轴方向，避免Z向探测部件(6)干扰光源(2)发出的入射光。

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