CN111536882B - 读数头和二维位移测量系统及测量方法 - Google Patents

读数头和二维位移测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种读数头和二维位移测量系统及测量方法。读数头包括第一偏振元件、第一光学元件、第一分光元件、第一信号接收元件、第二偏振元件、第二光学元件、第二分光元件以及第二信号接收元件。入射光经过第一分光元件后分成反射光和透射光。反射光的至少一部分经一维测量光栅衍射产生正一级衍射光和负一级衍射光，该正一级衍射光和负一级衍射光分别经过第一偏振元件和第二偏振元件后形成偏振态光后再次经过一维测量光栅衍射后在第二分光元件与该透射光在经过第二分光元件后产生的透射的第一偏振分量和反射的第二偏振分量发生干涉，并分别由第一信号接收元件和第二信号接收元件接收。本发明具有结构简单、装调容差较大以及易于工业场景实现的技术效果。

Description

读数头和二维位移测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及光栅测量领域，具体涉及一种读数头和二维位移测量系统及测量方法。
背景技术
衍射光栅位移测量系统以光栅栅距为测量基准，采用衍射光干涉实现位移测量，受环境制约小，测量重复性好。针对一维测量，在同样的分辨率和环境因素下，光栅位移测量系统的精度要优于双频激光干涉仪的测量精度。针对二维测量，光栅位移测量系统往往比较复杂，需要二维光栅或布置两块测量光栅，相对激光干涉仪测量系统而言复杂性大大增加。
一些方法利用多块测量光栅实现二维位移测量，有些采用了利特罗角入射的方法设计的读数头，然而由于利特罗角对于角度和位置非常敏感，所以对于光栅位移测量系统的装调将会非常困难。有些采用二维光栅来实现二维位移测量，这无疑大大地增加了成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种读数头和二维位移测量系统及测量方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种读数头，所述读数头包括第一偏振元件、第一光学元件、第一分光元件、第一信号接收元件、第二偏振元件、第二光学元件、第二分光元件以及第二信号接收元件，
入射到所述读数头的光经过所述第一分光元件后分成反射光和透射光，所述反射光的至少一部分经一维测量光栅衍射产生正一级衍射光和负一级衍射光，所述透射光的至少一部分射向所述第二分光元件；
所述正一级衍射光经过所述第一偏振元件产生第一线偏振光，再经所述第一光学元件后，经所述一维测量光栅衍射后射向所述第二分光元件；所述负一级衍射光经过所述第二光学元件和所述第二偏振元件后产生第二线偏振光，再经过所述一维测量光栅衍射后射向所述第二分光元件，其中所述第一线偏振光和所述第二线偏振光混合并形成正交偏振态光；
所述透射光的至少一部分射向所述第二分光元件后，分别产生透射的第一偏振分量和反射的第二偏振分量，所述偏振态光在所述第二分光元件分别与所述透射的第一偏振分量和所述反射的第二偏振分量发生干涉后，分别由所述第一信号接收元件和所述第二信号接收元件接收。
在一个实施例中，所述第一线偏振光射向所述第一光学元件后同向平行反射回所述一维测量光栅；所述负一级衍射光射向所述第二光学元件后同向平行反射回所述一维测量光栅，并经所述第二偏振元件后形成所述第二线偏振光，其中所述第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向垂直。
在一个实施例中，所述第一分光元件和所述第二分光元件并排布置。
在一个实施例中，所述第一信号接收元件沿所述入射光的方向布置，和/或所述第二信号接收元件沿垂直于所述入射光的方向布置。
在一个实施例中，所述第一偏振元件和/或所述第二偏振元件为偏振片；和/或所述第一分光元件为分光棱镜；和/所述第二分光元件为偏振分光棱镜或沃拉斯顿棱镜；和/或所述第一光学元件和/或所述第二光学元件为角锥棱镜；和/或所述第一信号接收元件和/或所述第二信号接收元件为信号接收卡。
在一个实施例中，所述读数头还包括双频激光器，所述双频激光器发出的光射向所述第一分光元件。
在一个实施例中，所述双频激光器发出的双频圆偏振光，且所述双频圆偏振光沿平行于所述一维测量光栅的方向射向所述第一分光元件。
在一个实施例中，所述读数头还包括所述一维测量光栅。
根据本发明的另一方面，还提供了一种二维位移测量系统，所述二维位移测量系统包括双频激光器、信号处理装置、一维测量光栅以及上述的读数头，其中，所述双频激光器发出的光射入所述读数头，所述第一信号接收元件和所述第二信号接收元件分别与所述信号处理装置信号连通。
根据本发明的另一方面，还提供了一种二维位移测量方法，通过采用上述的读数头进行二维位移测量。
本发明的读数头和二维位移测量系统具有结构简单、装调容差较大以及易于工业场景实现的优异技术效果。
附图说明
图1是本发明一个实施例的读数头的示意框图；以及
图2本发明一个实施例的二维测量系统的示意框图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。
在下文的描述中，出于说明各种公开的实施例的目的阐述了某些具体细节以提供对各种公开实施例的透彻理解。但是，相关领域技术人员将认识到可在无这些具体细节中的一个或多个细节的情况下来实践实施例。在其它情形下，与本申请相关联的熟知的装置、结构和技术可能并未详细地示出或描述从而避免不必要地混淆实施例的描述。
在整个说明书中对“一个实施例”或“一实施例”的提及表示结合实施例所描述的特定特点、结构或特征包括于至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个位置“在一个实施例中”或“在一实施例”中的出现无需全都指相同实施例。另外，特定特点、结构或特征可在一个或多个实施例中以任何方式组合。
在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。
本发明的读数头总体上能够实现利用现有的一维测量光栅实现二维位移测量的功能。下卖参照图1-2对本发明的实施例进行描述。
图1是本发明一个实施例的读数头100的示意图。如图1所示，读数头100总体上包括第一分光元件21、第一偏振元件22、第一光学元件23(例如角锥棱镜)、第一信号接收元件24、第二分光元件31、第二偏振元件32、第二光学元件33(例如角锥棱镜)以及第二信号接收元件34，并可选地包括一维测量光栅10和光源40，也就是说，一维测量光栅10和光源40可以属于读数头100的一部分，也可以是独立于读数头100的一部分。其中，光源40优选为双频激光器，该双频激光器发出双频激光。
光源40发出的光入射到第一分光元件21，并经第一分光元件21处理后分成反射光51和透射光52，反射光51的入射到一维测量光栅10并经一维测量光栅10衍射产生正一级衍射光53和负一级衍射光54，而透射光52的射向第二分光元件31。
正一级衍射光53射向第一偏振元件22并经过第一偏振元件22处理后形成第一线偏振光55，第一线偏振光55射向第一光学元件23，并经过第一光学元件23反射后沿相同的方向返回，再次入射到一维测量光栅10，经一维测量光栅10再次衍射后射向第二分光元件31。负一级衍射光54射向第二光学元件33，经过第二光学元件33反射后沿相同的方向射向第二偏振元件32，经过第二偏振元件32处理后形成第二线偏振光56，第二线偏振光56射向一维测量光栅10并经一维测量光栅10衍射后沿与第一线偏振光55相同的路径射向第二分光元件31。第一线偏振光55和第二线偏振光56的偏振态正交并形成正交偏振态光57，该正交偏振态光57与透射光52在第二分光元件31发生干涉并分别由第一信号接收元件24和第二信号接收元件34接收，然后再经过光电转换、信号处理可以得到一维测量光栅10的法向和切向二维位移信息，即被测对象的运动信息。
具体地，透射光52的至少一部分射向第二分光元件31后分别产生透射的第一偏振分量和反射的第二偏振分量，正交偏振态光57中的第一线偏振光55携带有一维测量光栅10的法向位移和正向切向位移信息，且第一线偏振光55同透射光52经过第二分光元件31后透射的第一偏振分量发生干涉，并接入第二信号接收元件34；正交偏振光57中的第二线偏振光56携带有一维测量光栅10的法向位移和反向切向位移信息，且第二线偏振光56同透射光52经过第二分光元件31反射后的第二偏振分量发生干涉，并接入第一信号接收元件24。该两路信号分别包含一维测量光栅10沿光栅矢量方向的位移与沿光栅法线方向的位移，然后经过光电转换、信号处理可以得到一维测量光栅10的位移信息，即被测对象的运动信息。
在本实施例中，一维测量光栅10的栅距优选位于10μm以下，以保证产生衍射干涉现象，以及第一偏振元件22和第二偏振元件32在放置时保证偏振方向应互相垂直，以保证不同的偏振态。
在一个实施例中，第二分光元件31优选为偏振分光棱镜或沃拉斯顿棱镜。
如图1所示，在本实施例中，第一分光元件21和第二分光元件31并排布置，第一信号接收元件24沿入射光的方向布置，第二信号接收元件34沿垂直于入射光的方向布置。然而本领域的技术人员应该理解，第一分光元件21和第二分光元件31以及第一信号接收元件24和第二信号接收元件34也可以采用其他的布置方式。
此外，本领域的技术人员还需要理解的是：本发明的第一偏振元件22和第二偏振元件32可以是偏振片也可以是其他偏振元件，第一分光元件21优选为分光棱镜，第二分光元件31优选为偏振分光棱镜或沃拉斯顿棱镜，然而也可以是别的分光元件；第一光学元件23和第二光学元件33优选为角锥棱镜，然而也可以是其他形状和规格的棱镜或平面镜或其他可以改变光线的传播方向的装置；第一信号接收元件24和第二信号接收元件34优选为信号接收卡，然而也可以是其他信号接收装置。
下面参照图2介绍本发明一个实施例的二维位移测量系统。在本实施例中，一维测量光栅10和光源40不包括于读数头100内，即一维测量光栅10和光源40独立于读数头100。
图2是本发明一个实施例的二维位移测量系统200的示意框图。如图2所示，二维位移测量系统200总体上包括光源40、上述的读数头100、一维测量光栅10以及信号处理装置60。读数头100的第一信号接元件24和第二信号接收元件34分别与信号处理装置60信号联通。光源40发出的光入射读数头100，并经过读数头100处理后射入一维测量光栅10并发生衍射，通过读数头100对衍射光进行处理后，返回光信号进入读数头100的第一信号接收元件24和第二信号接收元件34，第一接收元件24及第二信号接收元件34例如可以将光信号转化为电信号，并输送给信号处理装置60，信号处理装置60例如可以根据第一接收元件24及第二信号接收元件34发送的信号进行信号解调与模型解算即可得到一维测量光栅沿光栅矢量方向和光栅法线方向的位移，从而完成二维位移的测量。
通过以上的描述可以了解到，本发明的读数头和二维位移测量系统具有结构简单、装调容差较大以及易于工业场景实现的优异技术效果。
以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种读数头，其特征在于，所述读数头包括第一偏振元件、第一光学元件、第一分光元件、第一信号接收元件、第二偏振元件、第二光学元件、第二分光元件以及第二信号接收元件，
入射到所述读数头的光经过所述第一分光元件后分成反射光和透射光，所述反射光的至少一部分经一维测量光栅衍射产生正一级衍射光和负一级衍射光，所述透射光的至少一部分射向所述第二分光元件；
所述正一级衍射光经过所述第一偏振元件产生第一线偏振光，再经所述第一光学元件后，经所述一维测量光栅衍射后射向所述第二分光元件；所述负一级衍射光经过所述第二光学元件和所述第二偏振元件后产生第二线偏振光，再经过所述一维测量光栅衍射后射向所述第二分光元件，其中，所述第一线偏振光和所述第二线偏振光混合形成偏振态光；
所述透射光的至少一部分射向所述第二分光元件后，分别产生透射的第一偏振分量和反射的第二偏振分量，所述偏振态光在所述第二分光元件分别与所述透射的第一偏振分量和所述反射的第二偏振分量发生干涉后，分别由所述第一信号接收元件和所述第二信号接收元件接收。
2.根据权利要求1所述的读数头，其特征在于，所述第一线偏振光射向所述第一光学元件后沿同向平行反射回所述一维测量光栅；所述负一级衍射光射向所述第二光学元件后沿同向平行反射回所述一维测量光栅，并经所述第二偏振元件后形成所述第二线偏振光，其中所述第一线偏振光和第二线偏振光的偏振方向垂直。
3.根据权利要求1所述的读数头，其特征在于，所述第一分光元件和所述第二分光元件并排布置。
4.根据权利要求1所述的读数头，其特征在于，所述第一信号接收元件沿入射光的方向布置，和/或所述第二信号接收元件沿垂直于入射光的方向布置。
5.根据权利要求1所述的读数头，其特征在于，所述第一偏振元件和/或所述第二偏振元件为偏振片；和/或所述第一分光元件为分光棱镜；和/ 或所述第二分光元件为偏振分光棱镜或沃拉斯顿棱镜；和/或所述第一光学元件和/或所述第二光学元件为角锥棱镜；和/或所述第一信号接收元件和/或所述第二信号接收元件为信号接收卡。
6.根据权利要求1所述的读数头，其特征在于，所述读数头还包括双频激光器，所述双频激光器发出的光射向所述第一分光元件。
7.根据权利要求6所述的读数头，其特征在于，所述双频激光器发出的双频圆偏振光，且所述双频圆偏振光沿平行于所述一维测量光栅的方向射向所述第一分光元件。
8.根据权利要求1所述的读数头，其特征在于，所述读数头还包括所述一维测量光栅。
9.一种二维位移测量系统，其特征在于，所述二维位移测量系统包括双频激光器、信号处理装置、一维测量光栅以及权利要求1-5任一项所述的读数头，其中，所述双频激光器发出的光射入所述读数头，所述第一信号接收元件和所述第二信号接收元件分别与所述信号处理装置信号连通。
10.一种二维位移测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-8任一项所述的读数头进行二维位移测量。
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