CN112097647B - 外差光栅位移测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种外差光栅位移测量装置，包括光源、读数头、光电接收模块和信号处理系统，光源用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光；读数头用于接收两束偏振光，并分别入射到移动的测量光栅的表面生成分别包括第一偏振光分量与第二偏振光分量的+1级衍射光和‑1级衍射光，+1级衍射光和‑1级衍射光分别经读数头入射到光电接收模块；光电接收模块用于接收+1级衍射光的第一偏振光分量和第二偏振光分量及‑1级衍射光的第一偏振光分量和第二偏振光分量形成两路拍频信号；信号处理系统用于对两路拍频信号进行差分计算，实现测量光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。本发明可以避免光栅面形精度和光栅姿态误差对测量精度的影响。
Description
技术领域
本发明涉及精密位移测量技术领域，特别涉及一种基于单次衍射实现4倍光学细分的外差光栅位移测量装置。
背景技术
光栅位移测量系统以光栅作为量尺，以光栅的栅距为测量基准，相比于激光测量技术，光栅测量对环境变化的敏感度低，而且光束入射到光栅上会覆盖很多刻槽，起到平均的作用。光栅位移测量系统中读数头的结构简单紧凑，光栅和读数头之间的距离很小，并且不会随着待测距离的增加而增加，可以大幅度地降低环境对系统测量精度的影响和测量成本。随着光栅制造水平的提高，光栅位移测量系统的测量精度和测量分辨力也逐渐提高，应用范围也越来越广。
光栅位移测量技术的测量分辨力与光栅的周期直接相关，基于衍射光干涉原理的位移测量技术，采用高刻线密度的衍射光栅实现高分辨力、高精度的位移测量，光学细分和电子细分是进一步提高测量分辨力的主要途径，相比于电子细分，光学细分有更高的可靠性。传统光栅位移测量系统采用单次衍射实现2倍光学细分，为进一步提高光学细分，现有技术多采用二次衍射原理实现4倍光学细分或多次衍射实现更高倍数的光学细分，但是无论是二次衍射还是多次衍射都会使测量系统的光学结构变得更加复杂，并且多次衍射利用光栅不同位置的衍射光，光栅面形精度及光栅与读数头之间的姿态误差会对测量精度造成很大的影响。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，采用以下技术方案：
本发明提供一种外差光栅位移测量装置，包括光源、读数头、光电接收模块和信号处理系统，光源用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光，分别为S偏振态的第一偏振光和P偏振态的第二偏振光，第一偏振光的频率为fA，所述第二偏振光的频率为fB；读数头用于接收第一偏振光和第二偏振光，并分别入射到移动的测量光栅的表面产生分别包括第一偏振光分量与第二偏振光分量的+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光和-1级衍射光分别经读数头入射到光电接收模块；光电接收模块用于接收+1级衍射光和-1级衍射光形成两路拍频信号；其中，一路为-1级衍射光的第二偏振光分量与+1级衍射光的第一偏振光分量干涉形成频率为fB-fA的拍频信号，另一路为-1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量干涉形成频率为fB-fA的拍频信号；信号处理系统用于对两路拍频信号进行差分计算，实现测量光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
优选地，读数头包括偏振分束棱镜、第一1/4波片、镀有反射膜的第二1/4波片和回转棱镜；其中，偏振分束棱镜设置在光源的出射光路上，用于接收第一偏振光和第二偏振光，将第二偏振光透射至第一1/4波片，将第一偏振光反射至第二1/4波片；第一1/4波片设置在偏振分束棱镜的透射光路上，用于将第二偏振光变为右旋偏振光并入射到回转棱镜；回转棱镜设置在第一1/4波片的透射光路上，用于对第二偏振光进行回射，使第二偏振光经过经过第一1/4波片变为S偏振光后回到偏振分束棱镜；第二1/4波片设置在偏振分束棱镜的反射光路上，用于将第一偏振光变为左旋偏振光，经反射膜反射再次经过第二1/4波片变为P偏振光后回到偏振分束棱镜；偏振分束棱镜还用于对变为P偏振光的第一偏振光进行透射，对变为S偏振光的第二偏振光进行反射，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射至测量光栅的表面，衍射产生-1级衍射光和+1级衍射光。
优选地，读数头还包括转折元件和第三1/4波片；其中，转折元件设置在测量光栅的衍射光路上，用于对-1级衍射光和+1级衍射光进行转折，使-1级衍射光和+1级衍射光相互平行并垂直入射至第三1/4波片；第三1/4波片设置在转折元件的透射光路上，用于将+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量变为S偏振光，垂直入射到偏振分束棱镜，以及将+1级衍射光和-1级衍射光的第二偏振光分量变为P偏振光，垂直入射到偏振分束棱镜；偏振分束棱镜用于将+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量反射至第一1/4波片，以及将+1级衍射光和-1级衍射光的第二偏振光分量透射至第二1/4波片；第一1/4波片用于将+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量变为左旋偏振光并入射到回转棱镜；回转棱镜用于对+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量进行两次反射回到第一1/4波片变为P偏振光后，再次入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射至光电接收模块；第二1/4波片用于将+1级衍射光和-1级衍射光的第二偏振光分量变为右旋偏振光，并经反射膜反射再次经过第二1/4波片变为S偏振光后入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜反射至光电接收模块。
优选地，光电接收模块包括第一接收器和第二接收器；其中，第一接收器用于接收+1级衍射光的第一偏振光分量和-1级衍射光的第二偏振光分量，并生成频率为fB-fA的拍频信号，传输到信号处理系统；第二接收器用于接收-1级衍射光中的第一偏振光分量和+1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为fB-fA的拍频信号，传输到信号处理系统。
优选地，当测量光栅沿光栅矢量方向移动时，-1级衍射光发生负向频移-Δf，+1级衍射光发生正向频移+Δf，第一接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，第二接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf。
优选地，-1级衍射光的第一偏振光分量与-1级衍射光的第二偏振光分量的传输光程相等，+1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量的传输光程相等。
优选地，读数头还包括分别设置测量光栅衍射光路上的第一直角棱镜和第二直角棱镜，第一直角棱镜和第二直角棱镜分别对+1级衍射光和-1级衍射光进行两次反射，以衍射出射角度再次入射到测量光栅的表面，两束新的衍射光垂直入射到偏振分束棱镜。
与现有技术相比，本发明通过在测量光栅表面的一次衍射就可以实现4倍光学细分，有效避免光栅面形精度和光栅姿态误差对测量精度的影响，并且具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点，同时也可以结合二次衍射或多次衍射的方法实现比现有技术高一倍的光学细分。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的外差光栅位移测量装置单次衍射实现4倍光学细分的原理示意图；
图2是根据本发明一个实施例的第一拍频信号的产生原理示意图；
图3是根据本发明一个实施例的第二拍频信号的产生原理示意图；
图4是根据本发明结合二次衍射实现8倍光学细分的原理示意图。
其中的附图标记包括：光源1、偏振分束棱镜201、第一1/4波片202、第二1/4波片203、第三1/4波片204、回转棱镜205、转折元件206、第一直角棱镜207、第二直角棱镜208，第一接收器301、第二接收器302、信号处理系统4、测量光栅5。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供的外差光栅位移测量装置，是将测量光栅固定在被测物体上，作为位移测量的标尺，在测量光栅随被测物体移动时，通过对测量光栅的位移测量实现对被测物体的位移测量。
为了解决现有技术中通过2次衍射或更多次衍射实现4倍或更高倍数的光学细分，会导致测量系统的光学结构变得更加复杂，并且多次衍射利用光栅不同位置的衍射光，光栅面形精度和光栅姿态误差会对测量精度造成很大影响的问题。本发明提供的外差光栅位移测量装置，对读数头进行特殊的结构设计，使光源发出的固定频差的两束偏振光在通过读数头入射到测量光栅表面时，发生一次衍射就可以实现4倍光学细分，可以避免光栅面形精度和光栅姿态误差对测量精度的影响，并且本发明中读数头的结构简洁、体积小、质量轻，可以简化测量系统中光学结构的复杂度。本发明也可以结合二次衍射或更多次衍射实现更好倍数的光学细分。
下面以一次衍射实现4倍光学细分为例结合附图对本发明实施例提供的外差光栅位移测量装置进行展开说明。
图1示出了根据本发明一个实施例的外差光栅位移测量装置的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的外差光栅位移测量装置，包括：光源1、读数头、光电接收模块和信号处理系统4；其中，光源1用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光作为测量光束，分别为第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光为S偏振光，频率为fA，第二偏振光为P偏振光，频率为fB，光源1可以为一台双频激光器1或两台发出固定频差的激光器；读数头用于将两束偏振光入射到测量光栅5的表面，两束偏振光在经测量光栅5的表面发生衍射后，产生携带测量信息的+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光和-1级衍射光均包括第一偏振光分量和第二偏振光分量，+1级衍射光的第一偏振光分量和第二偏振光分量、-1级衍射光的第一偏振光分量和第二偏振光分量分别经读数头入射到光电接收模块。
读数头包括偏振分束棱镜201、第一1/4波片202、镀有反射膜的第二1/4波片203、第三1/4波片204、回转棱镜205和转折元件206，偏振分束棱镜201设置在光源1的出射光路上，转折元件206设置在在测量光栅5的衍射光路上，第一1/4波片202设置在偏振分束棱镜201的反射光路上，第二1/4波片203设置在偏振分束棱镜201的透射光路上，第三1/4波片204设置在转折元件206的透射光路上，回转棱镜205设置在第一1/4波片202的透射光路上。
光电接收模块包括第一接收器301和第二接收器302，第一接收器301用于接收-1级衍射光的第二偏振光分量与+1级衍射光的第一偏振光分量，在-1级衍射光的第二偏振光分量与+1级衍射光的第一偏振光分量干涉形成负向2倍频移的第一拍频信号后，第一接收器301将第一拍频信号传输至信号处理系统4；第二接收器302用于接收-1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量，在-1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量干涉形成正向2倍频移的第二拍频信号后，第二接收器302将第二拍频信号传输至信号处理系统4。
信号处理系统4用于接收第一接收器301和第二接收器302发送的拍频信号，并对两路拍频信号进行差分计算，实现测量光栅5单次衍射4倍光学细分的位移测量。由于差分计算为现有技术，故在此不再赘述。
图2和图3分别示出了根据本发明一个实施例的第一拍频信号和第二拍频信号的产生原理。
如图2和图3所示，偏振分束棱镜201接收第一偏振光和第二偏振光，将第二偏振光透射至第一1/4波片202，将第一偏振光反射至第二1/4波片203，第一1/4波片202将第二偏振光变为右旋偏振光并入射到回转棱镜205，回转棱镜205对第二偏振光进行回射，使第二偏振光经过经过第一1/4波片202变为S偏振光后回到偏振分束棱镜201，第二1/4波片203设将第一偏振光变为左旋偏振光，经反射膜反射再次经过第二1/4波片203变为P偏振光后回到偏振分束棱镜203，偏振分束棱镜201对变为P偏振光的第一偏振光进行透射，对变为S偏振光的第二偏振光进行反射，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射至测量光栅5的表面，衍射产生-1级衍射光和+1级衍射光，转折元件206对-1级衍射光和+1级衍射光进行转折，使-1级衍射光和+1级衍射光相互平行并垂直入射至第三1/4波片204，第三1/4波片204将+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量变为S偏振光，垂直入射到偏振分束棱镜201，以及将+1级衍射光和-1级衍射光的第二偏振光分量变为P偏振光，垂直入射到偏振分束棱镜201，偏振分束棱镜201将+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量反射至第一1/4波片202，以及将+1级衍射光和-1级衍射光的第二偏振光分量透射至第二1/4波片203，第一1/4波片202将+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量变为左旋偏振光并入射到回转棱镜205，回转棱镜205对+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量进行两次反射回到第一1/4波片202变为P偏振光后，再次入射至偏振分束棱镜201，经偏振分束棱镜201透射至第一接收器301和第二接收器302，第二1/4波片203将+1级衍射光和-1级衍射光的第二偏振光分量变为右旋偏振光，并经反射膜反射再次经过第二1/4波片203变为S偏振光后入射至偏振分束棱镜201，经偏振分束棱镜201反射至第二接收器302和第一接收器301。
第一接收器301接收-1级衍射光的第二偏振光分量与+1级衍射光的第一偏振光分量，并生成频率为fB-fA的拍频信号，传输到信号处理系统4。
第二接收器302接收-1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量，并生成频率为fB-fA的拍频信号，传输至信号处理系统4。
当测量光栅5沿光栅矢量方向运动时，由于光栅Doppler频移效应，-1级衍射光发生负向频移-Δf，+1级衍射光发生正向频移+Δf，因此第一接收器201输出的第一拍频信号频率变为fB-fA-2Δf，第二接收器302输出的第二拍频信号频率变为fB-fA+2Δf。
由于-1级衍射光的第一偏振光分量与-1级衍射光的第二偏振光分量及+1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量均两次经过回转棱镜205。因此，-1级衍射光的第一偏振光分量与-1级衍射光的第二偏振光分量在读数头中的传输光程相等，+1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量在读数头中的传输光程相等，起到两方面作用：
一方面：保证测量光束进入第一接收器301、第二接收器302时光程差为定值。
另一方面：当外差光栅位移测量装置的环境温度变化时，使测量光束的光程差变化一致，不受读数头的光学元件热胀冷缩的影响，不会引入测量误差。
本发明还可以结合二次衍射实现8倍光学细分。
图4示出了根据本发明结合二次衍射实现8倍光学细分的原理。
如图4所示，读数头还包括第一直角棱镜207和第二直角棱镜208，第一直角棱镜207和第二直角棱镜208分别设置在测量光栅5的衍射光路上，对+1级衍射光和-1级衍射光进行两次反射，并以衍射出射角度再次入射到测量光栅5的表面实现二次衍射，产生两束新的衍射光，两束新的衍射光从测量光栅5的表面垂直出射，并垂直入射到偏振分束棱镜201。通过对+1级衍射光和-1级衍射光的二次衍射，使得光学细分倍数的翻倍，从而提高测量分辨力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种外差光栅位移测量装置，包括光源，所述光源用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光，分别为S偏振态的第一偏振光和P偏振态的第二偏振光，所述第一偏振光的频率为fA，所述第二偏振光的频率为fB；其特征在于，还包括读数头、光电接收模块和信号处理系统；其中，
所述读数头用于接收所述第一偏振光和所述第二偏振光，并分别入射到移动的测量光栅的表面产生分别包括第一偏振光分量与第二偏振光分量的+1级衍射光和-1级衍射光，所述+1级衍射光和所述-1级衍射光分别经所述读数头入射到所述光电接收模块；所述读数头包括偏振分束棱镜、第一1/4波片、镀有反射膜的第二1/4波片和回转棱镜；其中，所述偏振分束棱镜设置在所述光源的出射光路上，用于接收所述第一偏振光和所述第二偏振光，将所述第二偏振光透射至所述第一1/4波片，将所述第一偏振光反射至所述第二1/4波片；所述第一1/4波片设置在所述偏振分束棱镜的透射光路上，用于将所述第二偏振光变为右旋偏振光并入射到所述回转棱镜；所述回转棱镜设置在所述第一1/4波片的透射光路上，用于对所述第二偏振光进行回射，使所述第二偏振光经过所述第一1/4波片变为S偏振光后回到所述偏振分束棱镜；所述第二1/4波片设置在所述偏振分束棱镜的反射光路上，用于将所述第一偏振光变为左旋偏振光，经所述反射膜反射再次经过所述第二1/4波片变为P偏振光后回到所述偏振分束棱镜；所述偏振分束棱镜还用于对变为P偏振光的第一偏振光进行透射，对变为S偏振光的第二偏振光进行反射，使所述第一偏振光与所述第二偏振光合束后入射至所述测量光栅的表面，衍射产生-1级衍射光和+1级衍射光；
所述光电接收模块用于接收所述+1级衍射光和所述-1级衍射光形成两路拍频信号；其中，一路为-1级衍射光的第二偏振光分量与+1级衍射光的第一偏振光分量干涉形成频率为fB-fA的拍频信号，另一路为-1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量干涉形成频率为fB-fA的拍频信号；
所述信号处理系统用于对两路拍频信号进行差分计算，实现所述测量光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
2.如权利要求1所述的外差光栅位移测量装置，其特征在于，所述读数头还包括转折元件和第三1/4波片；其中，
所述转折元件设置在所述测量光栅的衍射光路上，用于对所述-1级衍射光和所述+1级衍射光进行转折，使所述-1级衍射光和所述+1级衍射光相互平行并垂直入射至所述第三1/4波片；
所述第三1/4波片设置在所述转折元件的透射光路上，用于将所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的第一偏振光分量变为S偏振光，垂直入射到所述偏振分束棱镜，以及将所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的第二偏振光分量变为P偏振光，垂直入射到所述偏振分束棱镜；
所述偏振分束棱镜用于将所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的第一偏振光分量反射至所述第一1/4波片，以及将所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的第二偏振光分量透射至所述第二1/4波片；
所述第一1/4波片用于将所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的第一偏振光分量变为左旋偏振光并入射到所述回转棱镜；
所述回转棱镜用于对所述+1级衍射光和-1级衍射光的第一偏振光分量进行两次反射回到所述第一1/4波片变为P偏振光后，再次入射至所述偏振分束棱镜，经所述偏振分束棱镜透射至所述光电接收模块；
所述第二1/4波片用于将所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的第二偏振光分量变为右旋偏振光，并经所述反射膜反射再次经过所述第二1/4波片变为S偏振光后入射至所述偏振分束棱镜，经所述偏振分束棱镜反射至所述光电接收模块。
3.如权利要求2所述的外差光栅位移测量装置，其特征在于，所述光电接收模块包括第一接收器和第二接收器；其中，所述第一接收器用于接收所述+1级衍射光的第一偏振光分量和所述-1级衍射光的第二偏振光分量，并生成频率为fB-fA的拍频信号，传输到所述信号处理系统；所述第二接收器用于接收所述-1级衍射光中的第一偏振光分量和所述+1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为fB-fA的拍频信号，传输到所述信号处理系统。
4.如权利要求3所述的外差光栅位移测量装置，其特征在于，当所述测量光栅沿光栅矢量方向移动时，所述-1级衍射光发生负向频移-Δf，所述+1级衍射光发生正向频移+Δf，所述第一接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，所述第二接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf。
5.如权利要求1所述的外差光栅位移测量装置，其特征在于，所述-1级衍射光的第一偏振光分量与所述-1级衍射光的第二偏振光分量的传输光程相等，所述+1级衍射光的第一偏振光分量与所述+1级衍射光的第二偏振光分量的传输光程相等。
6.如权利要求1所述的外差光栅位移测量装置，其特征在于，所述读数头还包括分别设置所述测量光栅衍射光路上的第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述第一直角棱镜和所述第二直角棱镜分别对+1级衍射光和-1级衍射光进行两次反射，以衍射出射角度再次入射到所述测量光栅的表面，两束新的衍射光垂直入射到所述偏振分束棱镜。
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