CN112097651A - 外差二维光栅位移测量系统及测量方法 - Google Patents

外差二维光栅位移测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种外差二维光栅位移测量系统及测量方法，其中的方法包括：S1、通过光源产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光；S2、两束线偏振光分别通过读数头入射到二维光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，再经读数头分别入射到光电接收模块；S3、光电接收模块分别根据第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至信号处理系统；S4、信号处理系统分别对第一维度±1级衍射光生成的拍频信号及第二维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算，实现二维光栅第一维度和第二维度的单次衍射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

外差二维光栅位移测量系统及测量方法
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倍光学细分的外差二维光栅位移测量系统及测量方法。
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二维光栅位移测量系统，包括光源、读数头、光电接收模块和信号处理系统；其中，光源用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光，分别为第一线偏振光和第二线偏振光；读数头用于接收第一线偏振光和第二线偏振光，并分别入射到二维测量光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光再经读数头分别入射到光电接收模块；光电接收模块用于分别根据第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至信号处理系统；信号处理系统用于对第一维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算和对第二维度±1级衍射光的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第一维度和第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
优选地，第一线偏振光是频率为fA的S偏振光，第二线偏振光为频率为fB的P偏振光；以及，读数头包括偏振分光棱镜、第一1/4波片、镀有反射膜的第二1/4波片、第三1/4波片、回转棱镜和转折元件；其中，偏振分光棱镜用于接收第一线偏振光和第二线偏振光，并将第二线偏振光透射到第一1/4波片，将第一线偏振光反射到第二1/4波片；第一1/4波片设置在偏振分光棱镜的透射光路上，用于将第二偏振光变为右旋偏振光后入射到回转棱镜；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，当第二偏振光再次经过第一1/4波片变为S偏振光后，回到偏振分光棱镜；第二1/4波片设置在偏振分光棱镜的反射光路上，用于将第一偏振光变为左旋偏振光后进行反射，再次经过第二1/4波片变为P偏振光后，回到偏振分光棱镜；偏振分光棱镜还用于对第一偏振光进行透射，对第二偏振光反射，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射到第三1/4波片；第三1/4波片设置在偏振分光棱镜对第一偏振光进行透射的光路上，用于将第一偏振光变为右旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，将第二偏振光变为左旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，第一偏振光与第二偏振光分别衍射生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光。
优选地，第一维度±1级衍射光包括第一维度-1级衍射光和第一维度+1级衍射光，第二维度±1级衍射光包括第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光，第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光分别包含第一偏振光分量和第二偏振光分量。
优选地，读数头还包括设置在二维测量光栅衍射光路上的转折元件，用于对第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光进行转折，使第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光相互平行并垂直入射到第三1/4波片；第三1/4波片用于将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为S偏振光并垂直入射到偏振分束棱镜，以及将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为P偏振光并垂直入射到偏振分束棱镜；偏振分束棱镜用于将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量反射到第一1/4波片，以及将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量透射到第二1/4波片；第一1/4波片用于将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为左旋偏振光并再次入射到回转棱镜；回转棱镜用于分别对第一维度+1级衍射光、第一维度-1级衍射光、第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量进行两次反射出射到第一1/4波片，在变为P偏振光后再次入射到偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射到光电接收模块；第二1/4波片用于将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为右旋偏振光后进行反射，再次经过第二1/4波片变为S偏振光后入射到偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜分别反射到光电接收模块。
优选地，光电接收模块包括第一接收器、第二接收器、第三接收器和第四接收器；其中，第一接收器用于接收第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度-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，发送至信号处理系统；第二接收器用于接收第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度+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，发送至信号处理系统；第三接收器用于接收第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度-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，发送至信号处理系统；第四接收器用于接收第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度+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，发送至信号处理系统。
优选地，第一接收器、第二接收器、第三接收器和第四接收器各自接收的第一偏振光分量和第二偏振光分量分别两次经过回转棱镜，其在读数头中传输的光程相等。
优选地，当二维测量光栅沿第一维度光栅矢量方向移动时，第一维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第一维度+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；当二维测量光栅沿第二维度光栅矢量方向移动时，第二维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第二维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，第三接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，第四接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf。
优选地，信号处理系统用于对第一接收器输出的拍频信号和第二接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第一维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量，对第三接收器输出的拍频信号和第四接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
本发明还提供一种外差二维光栅位移测量方法，包括如下步骤：
S1、通过光源产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光，分别为S偏振态的第一线偏振光和P偏振态的第二线偏振光；
S2、第一线偏振光和第二线偏振光分别进入读数头，经读数头反射与透射后分别入射到二维测量光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光再经读数头分别入射到光电接收模块；
S3、光电接收模块分别根据第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至信号处理系统；
S4、信号处理系统分别对第一维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算及对第二维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第一维度和第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
优选地，步骤S2具体包括如下步骤：
S201、第一线偏振光经偏振分光棱镜反射到第二1/4波片，在将第一线偏振光变为左旋偏振光后进行反射再次经过第二1/4波片变为P偏振光后，回到偏振分光棱镜；以及，第二线偏振光经偏振分光棱镜透射到第一1/4波片，在将第二线偏振光变为右旋偏振光后入射到回转棱镜，回转棱镜对第二偏振光进行回射，当第二偏振光再次经过第一1/4波片变为S偏振光后，回到偏振分光棱镜；
S202、偏振分光棱镜对第一偏振光进行透射，对第二偏振光反射，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射到第三1/4波片，第三1/4波片将第一偏振光变为右旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，及将第二偏振光变为左旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，第一偏振光与第二偏振光分别衍射生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光。
优选地，第一维度±1级衍射光包括第一维度-1级衍射光和第一维度+1级衍射光，第二维度±1级衍射光包括第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光，第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光分别包含第一偏振光分量和第二偏振光分量。
优选地，在步骤S202之后还包括如下步骤：
S203、第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光经转折元件转折后，相互平行并垂直入射到第三1/4波片；
S204、第三1/4波片将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为S偏振光后垂直入射到偏振分束棱镜，以及第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为P偏振光后垂直入射到偏振分束棱镜；
S205、偏振分束棱镜将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量反射到第一1/4波片，以及将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量透射到第二1/4波片；
S206、第二1/4波片将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为右旋偏振光后进行反射，再次经过第二1/4波片变为S偏振光后入射到偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜分别反射到光电接收模块，以及第一1/4波片将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为左旋偏振光并再次入射到回转棱镜，回转棱镜分别对第一维度+1级衍射光、第一维度-1级衍射光、第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量进行两次反射出射到第一1/4波片，在变为P偏振光后再次入射到偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射到光电接收模块。
优选地，光电接收模块包括第一接收器、第二接收器、第三接收器和第四接收器；其中，第一接收器用于接收第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度-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，发送至信号处理系统；第二接收器用于接收第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度+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，发送至信号处理系统；第三接收器用于接收第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度-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，发送至信号处理系统；第四接收器用于接收第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度+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，发送至信号处理系统。
优选地，第一接收器、第二接收器、第三接收器和第四接收器各自接收的第一偏振光分量和第二偏振光分量分别两次经过回转棱镜，其在读数头中传输的光程相等。
优选地，当二维测量光栅沿第一维度光栅矢量方向移动时，第一维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第一维度+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；当二维测量光栅沿第二维度光栅矢量方向移动时，第二维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第二维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，第三接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，第四接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf。
优选地，信号处理系统对第一接收器输出的拍频信号和第二接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第一维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量，对第三接收器输出的拍频信号和第四接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
与现有技术相比，本发明通过在二维测量光栅表面的一次衍射就可以实现4倍光学细分的二维测量，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更高倍数的光学细分。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的外差二维光栅位移测量系统单次衍射实现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光束衍射前光路传输原理的示意图；
图3是根据本发明一个实施例的第一维度第一拍频信号的产生原理示意图；
图4是根据本发明一个实施例的第一维度第二拍频信号的产生原理示意图；
图5是根据本发明一个实施例的第二维度第一拍频信号的产生原理示意图；
图6是根据本发明一个实施例的第二维度第二拍频信号的产生原理示意图；
图7是根据本发明一个实施例的外差二维光栅位移测量方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：光源1、偏振分光棱镜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、第一接收器301、第二接收器302、第三接收器303、第四接收器304、信号处理系统4、二维测量光栅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。
本发明提供的外差二维光栅位移测量系统及测量方法，是将二维测量光栅固定在被测物体上，作为位移测量的标尺，在二维测量光栅随被测物体移动时，通过对二维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。本发明提供的外差二维光栅位移测量系统及测量方法，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线偏振光在通过读数头入射到二维测量光栅表面时，发生一次衍射就可以实现4倍光学细分的二维测量，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二维光栅位移测量系统及测量方法进行展开说明。
图1示出了根据本发明一个实施例的外差二维光栅位移测量系统的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的外差二维光栅位移测量系统，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，分别为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光为S偏振光，频率为fA，第二线偏振光为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；读数头用于将两束线偏振光入射到二维测量光栅5的表面，两束线偏振光在经二维测量光栅5的表面发生衍射后，产生第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光再入射到读数头，最后从读数头射出入射到光电接收模块；光电接收模块用于接收第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，生成四路拍频信号，实现4倍光学细分，光电接收模块包括第一接收器301、第二接收器302、第三接收器303和第四接收器304，第一接收器301和第二接收器302用于接收第一维度±1级衍射光，生成两路拍频信号发送至信号处理系统4，第三接收器303和第四接收器304用于接收第二维度±1级衍射光，生成两路拍频信号发送至信号处理系统4；信号处理系统4用于接收第一接收器301、第二接收器302、第三接收器303和第四接收器304发送的拍频信号，并对第一接收器301与第二接收器302发送的拍频信号进行差分计算实现二维测量光栅第一维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量，以及对第三接收器303和第四接收器304发送的拍频信号进行差分计算实现二维测量光栅第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
读数头包括偏振分光棱镜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和转折元件206；其中，偏振分光棱镜201用于S偏振光进行反射，对P偏振光进行透射；第一1/4波片202设置在偏振分光棱镜201的透射光路上，第二1/4波片203设置在偏振分光棱镜201的反射光路上，在第二1/4波片203的表面镀有反射膜，用于实现激光的反射；第三1/4波片204设置在第二1/4波片203的对立面，即设置在偏振分光棱镜201另一方向的透射光路上；回转棱镜205设置在第一1/4波片202的透射光路上，实现对激光的回转；转折元件206设置在二维测量光栅5的衍射光路上，用于对激光进行转折。
图2示出了根据本发明一个实施例的光束衍射前光路传输原理。
如图2所示，在第一偏振光与第二偏振光入射到二维测量光栅5发生衍射之前，其光路传输路径为：光源1发出的第一偏振光入射到偏振分光棱镜201，第一偏振光经偏振分光棱镜201反射至第二1/4波片203变为左旋偏振光，并通过在第二1/4波片203上镀制的反射膜将第一偏振光反射回第二1/4波片203，第二1/4波片203将第一偏振光变为P偏振光并回到偏振分光棱镜201。光源1发出的第二偏振光入射到偏振分光棱镜201，第二偏振光经偏振分光棱镜201透射至第一1/4波片202变为右旋偏振光后入射至回转棱镜205，回转棱镜205将第二偏振光回射到第一1/4波片202，第一1/4波片202将第二偏振光变为S偏振光并回到偏振分光棱镜201。偏振分光棱镜201对第一偏振光(P偏振光)进行透射，对第二偏振光进行反射(S偏振光)，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射至第三1/4波片204，第三1/4波片204将第一偏振光变为右旋偏振光后入射到二维测量光栅5的表面，以及将第二偏振光变为左旋偏振光入射到二维测量光栅5的表面。
第一偏振光经二维测量光栅5衍射后生成第一维度-1级衍射光和第一维度+1级衍射光，第二偏振光经二维测量光栅5衍射后生成第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光。
第一维度和第二维度是按照二维测量光栅的刻线方向进行的维度划分，也就是指二维测量光栅表面刻线的两个方向。
第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光均包含第一偏振光分量和第二偏振光分量。
第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量与第一维度-1级衍射光中的第二偏振光分量生成第一维度第一拍频信号。
第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量与第一维度+1级衍射光中的第二偏振光分量生成第一维度第二拍频信号。
第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量与第二维度-1级衍射光中的第二偏振光分量生成第二维度第一拍频信号。
第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量与第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量生成第二维度第二拍频信号。
图3-图6示出了根据本发明一个实施例的第一维度第一拍频信号、第一维度第二拍频信号、第二维度第一拍频信号、第二维度第二拍频信号的产生原理。
如图3-图6所示，第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光经转折元件206转折后，相互平行并垂直入射至第三1/4波片204。
第三1/4波片204将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中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2，以及将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为P偏振光，并垂直入射到偏振分束棱镜201。
偏振分束棱镜201将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量反射到第一1/4波片202，以及将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量透射到第二1/4波片203。
第二1/4波片203将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为右旋偏振光后通过反射膜进行反射，再次经过第二1/4波片203变为S偏振光后入射到偏振分束棱镜201，经偏振分束棱镜201反射分别入射到第一接收器301、第二接收器302、第三接收器303、第四接收器304中。
第一1/4波片将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为左旋偏振光并再次入射到回转棱镜205，回转棱镜205对第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量进行两次反射沿第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量的入射光路出射回到第一1/4波片202中，对第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量两次反射沿第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量的入射光路出射回到第一1/4波片202中，对第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量进行两次反射沿第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量的入射光路出射回到第一1/4波片202中，对第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量两次反射沿第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量的入射光路出射回到第一1/4波片202中；第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量再次经过第一1/4波片201变为P偏振光，再次入射到偏振分束棱镜201，经偏振分束棱镜201透射分别入射到第二接收器302、第一接收器301、第四接收器304和第三接收器303中。
需要说明的是，第一接收器301、第二接收器302、第三接收器303、第四接收器304各自接收的第一偏振光分量和第二偏振光分量分别两次经过回转棱镜205，其在读数头中传输的光程相等，起到两方面作用：
第一方面：保证测量信号进入第一接收器301、第二接收器302、第三接收器303、第四接收器304时光程差为定值。
第二方面：
当外差二维光栅位移测量系统的环境温度变化时，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。
第一接收器301用于接收第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度-1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第一维度第一拍频信号，传输到信号处理系统4中。
第二接收器302用于接收第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度+1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第一维度第二拍频信号，传输到信号处理系统4中。
第三接收器303用于接收第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度-1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第二维度第一拍频信号，传输到信号处理系统4中。
第四接收器304用于接收第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第二维度第二拍频信号，传输到信号处理系统4中。
当二维测量光栅5沿第一维度光栅矢量方向运动时，由于光栅Doppler频移效应，第一维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第一维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，第一接收器201输出的第一维度第一拍频信号频率变为(fB-fA-2Δf)，第二接收器302输出的第一维度第二拍频信号频率变为(fB-fA+2Δf)。
当二维测量光栅5沿第二维度光栅矢量方向运动时，由于光栅Doppler频移效应，第二维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第二维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，第三接收器303输出的第二维度第一拍频信号频率变为(fB-fA-2Δf)，第四接收器304输出的第二维度第二拍频信号频率变为(fB-fA+2Δf)。
信号处理系统4用于对第一接收器301输出的第一维度第一拍频信号和第二接收器302输出的第一维度第二拍频信号进行差分计算，实现第一维度单次衍射4倍光学细分的外差光栅位移测量，以及对第三接收器303输出的第二维度第一拍频信号和第四接收器304输出的第二维度第二拍频信号进行差分计算，实现第二维度单次衍射4倍光学细分的外差光栅位移测量。
上述详细说明了本发明实施例提供的外差二维光栅位移测量系统的结构，与该外差二维光栅位移测量系统相对应，本发明还提供一种外差二维光栅位移测量方法。
图7示出了根据本发明一个实施例的外差二维光栅位移测量方法的流程。
如图7所示，本发明实施例提供的外差二维光栅位移测量方法，包括如下步骤：
S1、通过光源产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光，分别为S偏振态的第一线偏振光和P偏振态的第二线偏振光。
光源可以为一台双频激光器1或两台发出固定频差的激光器，发出两束固定频差的激光，分别为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光为S偏振光，频率为fA，第二线偏振光为P偏振光，频率为fB。
S2、第一线偏振光和第二线偏振光分别进入读数头，经读数头反射与透射后分别入射到二维测量光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光再经读数头分别入射到光电接收模块。
步骤S2具体包括如下步骤：
S201、第一线偏振光经偏振分光棱镜反射到第二1/4波片，在将第一线偏振光变为左旋偏振光后进行反射再次经过第二1/4波片变为P偏振光后，回到偏振分光棱镜；以及，第二线偏振光经偏振分光棱镜透射到第一1/4波片，在将第二线偏振光变为右旋偏振光后入射到回转棱镜，回转棱镜对第二偏振光进行回射，当第二偏振光再次经过第一1/4波片变为S偏振光后，回到偏振分光棱镜。
S202、偏振分光棱镜对第一偏振光进行透射，对第二偏振光反射，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射到第三1/4波片，第三1/4波片将第一偏振光变为右旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，及将第二偏振光变为左旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，第一偏振光衍射生成第一维度-1级衍射光和第一维度+1级衍射光，第二偏振光衍射生成第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光。
第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光分别包含第一偏振光分量和第二偏振光分量。
S203、第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光经转折元件转折后，相互平行并垂直入射到第三1/4波片。
S204、第三1/4波片将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为S偏振光后垂直入射到偏振分束棱镜，以及第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为P偏振光后垂直入射到偏振分束棱镜。
S205、偏振分束棱镜将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量反射到第一1/4波片，以及将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量透射到第二1/4波片。
S206、第二1/4波片将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为右旋偏振光后进行反射，再次经过第二1/4波片变为S偏振光后入射到偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜分别反射到光电接收模块，以及第一1/4波片将第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为左旋偏振光并再次入射到回转棱镜，回转棱镜分别对第一维度+1级衍射光、第一维度-1级衍射光、第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量进行两次反射出射到第一1/4波片，在变为P偏振光后再次入射到偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜透射到光电接收模块。
S3、光电接收模块分别根据第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至信号处理系统。
光电接收模块包括第一接收器、第二接收器、第三接收器和第四接收器；其中，第一接收器用于接收第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度-1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第一维度第一拍频信号，发送至信号处理系统；第二接收器用于接收第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第一维度+1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第一维度第二拍频信号，发送至信号处理系统；第三接收器用于接收第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度-1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第二维度第一拍频信号，发送至信号处理系统；第四接收器用于接收第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量，并生成频率为(fB-fA)的第二维度第二拍频信号，发送至信号处理系统。
当二维测量光栅沿第一维度光栅矢量方向移动时，第一维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第一维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，第一接收器输出的第一维度第一拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，第二接收器输出的第一维度第二拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf；当二维测量光栅沿第二维度光栅矢量方向移动时，第二维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，第二维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，第三接收器输出的第二维度第一拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，第四接收器输出的第二维度第二拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf。
S4、信号处理系统分别对第一维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算及对第二维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第一维度和第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
更为具体地，信号处理系统对第一接收器输出的第一维度第一拍频信号和第二接收器输出的第一维度第二拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第一维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量，对第三接收器输出的第二维度第一拍频信号和第四接收器输出的第二维度第二拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第二维度的单次衍射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。
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 (16)

1.一种外差二维光栅位移测量系统，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线偏振光，分别为第一线偏振光和第二线偏振光；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线偏振光和所述第二线偏振光，并分别入射到二维测量光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光再经所述读数头分别入射到所述光电接收模块；
所述光电接收模块用于分别根据所述第一维度±1级衍射光和所述第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至所述信号处理系统；
所述信号处理系统用于对所述第一维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算和对所述第二维度±1级衍射光的拍频信号进行差分计算，实现所述二维测量光栅第一维度和第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
2.如权利要求1所述的外差二维光栅位移测量系统，其特征在于，所述第一线偏振光是频率为fA的S偏振光，所述第二线偏振光为频率为fB的P偏振光；以及，所述读数头包括偏振分光棱镜、第一1/4波片、镀有反射膜的第二1/4波片、第三1/4波片、回转棱镜和转折元件；其中，
所述偏振分光棱镜用于接收所述第一线偏振光和所述第二线偏振光，并将所述第二线偏振光透射到所述第一1/4波片，将所述第一线偏振光反射到所述第二1/4波片；
所述第一1/4波片设置在所述偏振分光棱镜的透射光路上，用于将所述第二偏振光变为右旋偏振光后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，当所述第二偏振光再次经过所述第一1/4波片变为S偏振光后，回到所述偏振分光棱镜；
所述第二1/4波片设置在所述偏振分光棱镜的反射光路上，用于将所述第一偏振光变为左旋偏振光后进行反射，再次经过所述第二1/4波片变为P偏振光后，回到所述偏振分光棱镜；
所述偏振分光棱镜还用于对所述第一偏振光进行透射，对所述第二偏振光反射，使所述第一偏振光与所述第二偏振光合束后入射到所述第三1/4波片；
所述第三1/4波片设置在所述偏振分光棱镜对所述第一偏振光进行透射的光路上，用于将所述第一偏振光变为右旋偏振光后垂直入射到所述二维测量光栅的表面，将所述第二偏振光变为左旋偏振光后垂直入射到所述二维测量光栅的表面，所述第一偏振光与所述第二偏振光分别衍射生成所述第一维度±1级衍射光和所述第二维度±1级衍射光。
3.如权利要求2所述的外差二维光栅位移测量系统，其特征在于，所述第一维度±1级衍射光包括第一维度-1级衍射光和第一维度+1级衍射光，所述第二维度±1级衍射光包括第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光，所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光分别包含所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量。
4.如权利要求3所述的外差二维光栅位移测量系统，其特征在于，所述读数头还包括设置在所述二维测量光栅衍射光路上的转折元件，用于对所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光进行转折，使所述第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光相互平行并垂直入射到所述第三1/4波片；
所述第三1/4波片用于将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为S偏振光并垂直入射到所述偏振分束棱镜，以及将所述第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为P偏振光并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第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量反射到所述第一1/4波片，以及将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量透射到所述第二1/4波片；
所述第一1/4波片用于将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为左旋偏振光并再次入射到所述回转棱镜；
所述回转棱镜用于分别对所述第一维度+1级衍射光、所述第一维度-1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光和所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量进行两次反射出射到所述第一1/4波片，在变为P偏振光后再次入射到所述偏振分束棱镜，经所述偏振分束棱镜透射到所述光电接收模块；
所述第二1/4波片用于将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为右旋偏振光后进行反射，再次经过所述第二1/4波片变为S偏振光后入射到所述偏振分束棱镜，经所述偏振分束棱镜分别反射到所述光电接收模块。
5.如权利要求4所述的外差二维光栅位移测量系统，其特征在于，所述光电接收模块包括第一接收器、第二接收器、第三接收器和第四接收器；其中，
所述第一接收器用于接收所述第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第一维度-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，发送至所述信号处理系统；
所述第二接收器用于接收所述第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第一维度+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，发送至所述信号处理系统；
所述第三接收器用于接收所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第二维度-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，发送至所述信号处理系统；
所述第四接收器用于接收所述第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第二维度+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，发送至所述信号处理系统。
6.如权利要求5所述的外差二维光栅位移测量系统，其特征在于，所述第一接收器、所述第二接收器、所述第三接收器和所述第四接收器各自接收的第一偏振光分量和第二偏振光分量分别两次经过所述回转棱镜，其在所述读数头中传输的光程相等。
7.如权利要求5所述的外差二维光栅位移测量系统，其特征在于，当所述二维测量光栅沿第一维度光栅矢量方向移动时，所述第一维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，所述第一维度+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；
当所述二维测量光栅沿第二维度光栅矢量方向移动时，所述第二维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，所述第二维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，所述第三接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，所述第四接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf。
8.如权利要求7所述的外差二维光栅位移测量系统，其特征在于，所述信号处理系统用于对所述第一接收器输出的拍频信号和所述第二接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现所述二维测量光栅第一维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量，对所述第三接收器输出的拍频信号和所述第四接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现所述二维测量光栅第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
9.一种外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、通过光源产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光，分别为S偏振态的第一线偏振光和P偏振态的第二线偏振光；
S2、所述第一线偏振光和第二线偏振光分别进入读数头，经所述读数头反射与透射后分别入射到二维测量光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光再经所述读数头分别入射到光电接收模块；
S3、所述光电接收模块分别根据所述第一维度±1级衍射光和所述第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至信号处理系统；
S4、所述信号处理系统分别对所述第一维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算及对所述第二维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算，实现所述二维测量光栅第一维度和第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
10.如权利要求9所述的外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下步骤：
S201、所述第一线偏振光经所述偏振分光棱镜反射到所述第二1/4波片，在将所述第一线偏振光变为左旋偏振光后进行反射再次经过所述第二1/4波片变为P偏振光后，回到所述偏振分光棱镜；以及，所述第二线偏振光经所述偏振分光棱镜透射到所述第一1/4波片，在将所述第二线偏振光变为右旋偏振光后入射到所述回转棱镜，所述回转棱镜对所述第二偏振光进行回射，当所述第二偏振光再次经过所述第一1/4波片变为S偏振光后，回到所述偏振分光棱镜；
S202、所述偏振分光棱镜对所述第一偏振光进行透射，对所述第二偏振光反射，使所述第一偏振光与所述第二偏振光合束后入射到第三1/4波片，所述第三1/4波片将所述第一偏振光变为右旋偏振光后垂直入射到所述二维测量光栅的表面，及将第二偏振光变为左旋偏振光后垂直入射到所述二维测量光栅的表面，所述第一偏振光与所述第二偏振光分别衍射生成所述第一维度±1级衍射光和所述第二维度±1级衍射光。
11.如权利要求10所述的外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，所述第一维度±1级衍射光包括第一维度-1级衍射光和第一维度+1级衍射光，所述第二维度±1级衍射光包括第二维度-1级衍射光和第二维度+1级衍射光，所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光分别包含所述第一偏振光分量和所述第二偏振光分量。
12.如权利要求11所述的外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，在步骤S202之后还包括如下步骤：
S203、所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光经转折元件转折后，相互平行并垂直入射到第三1/4波片；
S204、所述第三1/4波片将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为S偏振光后垂直入射到所述偏振分束棱镜，以及所述第一维度-1级衍射光、第一维度+1级衍射光、第二维度-1级衍射光、第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为P偏振光后垂直入射到所述偏振分束棱镜；
S205、所述偏振分束棱镜将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量反射到所述第一1/4波片，以及将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量透射到所述第二1/4波片；
S206、所述第二1/4波片将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第二偏振光分量变为右旋偏振光后进行反射，再次经过所述第二1/4波片变为S偏振光后入射到所述偏振分束棱镜，经所述偏振分束棱镜分别反射到所述光电接收模块，以及所述第一1/4波片将所述第一维度-1级衍射光、所述第一维度+1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光、所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量变为左旋偏振光并再次入射到所述回转棱镜，所述回转棱镜分别对所述第一维度+1级衍射光、所述第一维度-1级衍射光、所述第二维度-1级衍射光和所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量进行两次反射出射到所述第一1/4波片，在变为P偏振光后再次入射到所述偏振分束棱镜，经所述偏振分束棱镜透射到所述光电接收模块。
13.如权利要求12所述的外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，所述光电接收模块包括第一接收器、第二接收器、第三接收器和第四接收器；其中，
所述第一接收器用于接收所述第一维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第一维度-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，发送至所述信号处理系统；
所述第二接收器用于接收所述第一维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第一维度+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，发送至所述信号处理系统；
所述第三接收器用于接收所述第二维度+1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第二维度-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，发送至所述信号处理系统；
所述第四接收器用于接收所述第二维度-1级衍射光中的第一偏振光分量和所述第二维度+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，发送至所述信号处理系统。
14.如权利要求13所述的外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，所述第一接收器、所述第二接收器、所述第三接收器和所述第四接收器各自接收的第一偏振光分量和第二偏振光分量分别两次经过所述回转棱镜，其在所述读数头中传输的光程相等。
15.如权利要求13所述的外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，当所述二维测量光栅沿第一维度光栅矢量方向移动时，所述第一维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，所述第一维度+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；
当所述二维测量光栅沿第二维度光栅矢量方向移动时，所述第二维度-1级衍射光发生负向频移-Δf，所述第二维度+1级衍射光发生正向频移+Δf，所述第三接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA-2Δf，所述第四接收器输出的拍频信号的频率变为fB-fA+2Δf。
16.如权利要求15所述的外差二维光栅位移测量方法，其特征在于，所述信号处理系统对所述第一接收器输出的拍频信号和所述第二接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现所述二维测量光栅第一维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量，对所述第三接收器输出的拍频信号和所述第四接收器输出的拍频信号进行差分计算，实现所述二维测量光栅第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。
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