CN112097652A - 光栅位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光栅位移测量装置，包括转向干涉测量读数头和信号处理系统，转向干涉测量读数头包括光源、光学结构、两组分束结构和光电接收模块；其中，光源用于发出线偏振光，线偏振光经准直后出射到光学结构；光学结构用于将线偏振光垂直入射到测量光栅的表面，以及将衍射后产生携带测量信息的±1级衍射光入射至两组分束结构；两组分束结构用于分别对±1级衍射光进行分束，产生相位差为90°的四路干涉信号；光电接收模块用于接收四路干涉信号，在光电转换后传输到信号处理系统；信号处理系统用于对四路干涉信号进行相移计算，得到测量光栅的位移量。本发明具有结构更加紧凑、电子元件集中、扩展性强的优点。

Description

光栅位移测量装置
技术领域
本发明涉及精密位移测量技术领域，特别涉及一种基于衍射光束转向干涉的光栅位移测量装置。
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数量很多的刻槽，起到了平均的作用。光栅位移测量系统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，这就大大降低了环境对系统测量精度的影响，降低了测量成本。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。
外差干涉探测技术是当前光栅干涉测量领域中最为常用的信号探测与处理技术。外差干涉探测技术中的解调光为频率偏移的源激光，在对携带有距离信息的测量光进行解调后，解调信号的频率为源激光的频率偏移值，属于交流信号分量。这有效避免了环境光干扰或激光器功率漂移等直流或低频信号分量对于测量结果的影响，提高了信号噪声比。但外差干涉探测技术对激光光源及接收器要求高，无法采用体积尺寸更小的电学元件及光学元件，不适用于集成化设计。
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：
本发明提供一种光栅位移测量装置，包括转向干涉测量读数头和信号处理系统，转向干涉测量读数头包括光源、光学结构、两组分束结构和光电接收模块；其中，光源用于发出线偏振光，线偏振光经准直后出射到光学结构；光学结构用于将线偏振光垂直入射到测量光栅的表面，以及将衍射后产生携带测量信息的±1级衍射光入射至两组分束结构；两组分束结构用于分别对±1级衍射光进行分束，产生相位为0°、90°、180°、270°的四路干涉信号；光电接收模块用于接收四路干涉信号，在光电转换后传输到信号处理系统；信号处理系统用于对四路干涉信号进行相移计算，得到测量光栅的位移量。
优选地，光学结构包括反射棱镜、转折元件、偏振分束元件、折转棱镜、第一1/4波片、第二1/4波片和反射元件；其中，线偏振光经反射棱镜反射垂直入射到测量光栅的表面，衍射产生的±1级衍射光经转折元件转折后相互平行并垂直入射到偏振分束元件，经偏振分束元件分别分束成S偏振光和P偏振光；S偏振光反射到第一1/4波片变为左旋偏振光，并入射到折转棱镜进行转向，使其回到第一1/4波片变为P偏振光，经偏振分束元件透射入射到一组分束结构；P偏振光透射至第二1/4波片变为右旋偏振光，并经反射元件反射回第二1/4波片变为S偏振光，经偏振分束元件反射入射到另一组分束结构。
优选地，转折元件为透镜或折转镜对。
优选地，反射元件为设置在第二1/4波片出射方向上的平面反射镜或镀制在第二1/4波片表面的反射膜。
优选地，偏振分束元件为一个偏振分束棱镜或两个偏振分束棱镜。
优选地，两个偏振分束棱镜分别为第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜，两组分束结构分别为第一组分束结构和第二组分束结构；其中，±1级衍射光经第一偏振分束棱镜分束成S偏振光和P偏振光，S偏振光经第一偏振分束棱镜反射到第一1/4波片变为左旋偏振光，经折转棱镜的两次反射转向后再次经过第一1/4波片变为P偏振光，经第二偏振分束棱镜透射入射到第二组分束结构，P偏振光经第一偏振分束棱镜透射至第二1/4波片变为右旋偏振光，经反射元件反射回第二1/4波片变为S偏振光，经第一偏振分束棱镜反射入射到第一组分束结构；±1级衍射光经第二偏振分束棱镜分束成S偏振光和P偏振光，S偏振光经第二偏振分束棱镜反射到第一1/4波片变为左旋偏振光，经折转棱镜的两次反射转向后再次经过第一1/4波片变为P偏振光，经第一偏振分束棱镜透射入射到第一组分束结构，P偏振光经第二偏振分束棱镜透射至第二1/4波片变为右旋偏振光，经反射元件反射回第二1/4波片变为S偏振光，经第二偏振分束棱镜反射入射到第二组分束结构。
优选地，第一组分束结构包括第三1/4波片和第三偏振分束棱镜，入射到第三1/4波片的±1级衍射光被转为圆偏振光，并入射到第三偏振分束棱镜，经第三偏振分束棱镜分束后产生相位为90°和270°的两束干涉信号；第二组分束结构包括1/2波片和第四偏振分束棱镜，入射到1/2波片的±1级衍射光被旋转45°入射到第四偏振分束棱镜，经第四偏振分束棱镜分束后产生相位为0°、180°的两路干涉信号。
优选地，光电接收模块包括第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管，相位为90°和270°的两束干涉信号入射到第一光电二极管和第二光电二极管，相位为0°、180°的两路干涉信号入射到第三光电二极管和第四光电二极管。
优选地，光源为激光器或激光二极管。
优选地，光源发出的线偏振光的偏振态方向与竖直方向成45°。
与现有技术相比，本发明将零差干涉与转向干涉技术相结合，优化读数头中的结构，使光栅位移测量装置的结构更加紧凑、电子元件集中、扩展性强。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的光栅位移测量装置的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的转向干涉测量读数头的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的0°和180°两路干涉信号的产生原理示意图；
图4是根据本发明一个实施例的90°和270°两束干涉信号的产生原理示意图。
其中的附图标记包括：转向干涉测量读数头1、光源101、反射棱镜102、第一折转镜103、第二折转镜104、第一偏振分束棱镜105、第二偏振分束棱镜106、折转棱镜107、第一1/4波片108、第二1/4波片109、第三1/4波片110、第三偏振分束棱镜111、1/2波片112、第四偏振分束棱镜113、第一光电二极管114、第二光电二极管115、第三光电二极管116、第四光电二极管117、信号处理系统2、测量光栅3。
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，当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。
由于本发明采用零差干涉与转向干涉技术相结合，因此测量光栅为高刻线密度的全息光栅。
图1示出了根据本发明一个实施例的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光栅位移测量装置，包括：转向干涉测量读数头1和信号处理系统2，转向干涉测量读数头1用于发出线偏振光，入射到测量光栅3的表面，在发生衍射后产生+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光和-1级衍射光入射到转向干涉测量读数头1，利用偏振光路及波片相位延迟技术获得相位差依次为90°的四路干涉信号，再经光电转换后获得四路相位差为90°的正弦电信号，传送至信号处理系统2，信号处理系统2对四路相位差为90°的正弦电信号进行相移计算，实现零差光栅位移测量，得到测量光栅的位移量。
图2示出了根据本发明一个实施例的转向干涉测量读数头的结构。
如图2所示，转向干涉测量读数头1包括光源101、光学结构、两组分束结构和光电接收模块，光源101用于发出线偏振光，线偏振光的偏振态方向在图2中的坐标系下与Y轴成45°，线偏振光经准直镜准直后出射到光学结构。
光学结构用于将线偏振光垂直入射到测量光栅3的表面，并将衍射后产生携带测量信息的+1级衍射光和-1级衍射光入射至两组分束结构，在图2中的坐标系下测量光栅3沿X轴移动。
光学结构包括反射棱镜102、折转元件、反射元件、偏振分束元件、折转棱镜107、第一1/4波片108和第二1/4波片109。
线偏振光经反射棱镜102反射垂直入射到测量光栅3的表面，衍射产生的+1级衍射光和-1级衍射光经转折元件转折后相互平行并垂直入射到偏振分束元件，经偏振分束元件分别分束成S偏振光和P偏振光；S偏振光反射到第一1/4波片108变为左旋偏振光，并入射到折转棱镜107进行转向，使其回到第一1/4波片变108为P偏振光，经偏振分束元件透射入射到一组分束结构；P偏振光透射至第二1/4波片109变为右旋偏振光，并经反射元件反射回第二1/4波片109变为S偏振光，经偏振分束元件反射入射到另一组分束结构，两组分束结构分别对S偏振光和P偏振光进行分束，产生相位差为90°的四路干涉信号，即相位分别为0°、90°、180°、270°的四路干涉信号；光电接收模块用于接收四路干涉信号，在光电转换后传输到信号处理系统；信号处理系统对四路干涉信号进行相移计算，得到测量光栅的位移量。
折转元件可以为一个透镜或一对折转镜，图2中示出了一对折转镜的情况，分别为第一折转镜103、第二折转镜104。
反射元件为设置在第二1/4波片出射方向上的平面反射镜或镀制在第二1/4波片表面的反射膜。
偏振分束元件可以为一个偏振分束棱镜或两个偏振分束棱镜，图2中示出了两个偏振分束棱镜的情况，分别为第一偏振分束棱镜105、第二偏振分束棱镜106。
两组分束结构分别为第一组分束结构和第二组分束结构，第一组分束结构包括第三1/4波片110和第三偏振分束棱镜111，第二组分束结构包括1/2波片112和第四偏振分束棱镜113。
光电接收模块包括第一光电二极管114、第二光电二极管115、第三光电二极管116和第四光电二极管117，第一光电二极管114和第二光电二极管115用于接收相位为90°、270°的两路干涉信号，第三光电二极管116和第四光电二极管117用于接收相位为0°、180°的两路干涉信号。
图3示出了根据本发明一个实施例的0°和180°两路干涉信号的产生原理。
如图3所示，+1级衍射光经第一偏振分束棱镜105分束，分束后S偏振光经第一偏振分束棱镜105反射到第一1/4波片108，经第一1/4波片108变为左旋偏振光入射到折转棱镜107，经折转棱镜107两次反射回到第一1/4波片108变为P偏振光，经第二偏振分束棱镜106透射入射到1/2波片112。
+1级衍射光经第一偏振分束棱镜105分束，分束后P偏振光经第一偏振分束棱镜105透射至第二1/4波片109，经第二1/4波片109变为右旋偏振光，经反射元件的反射后再次经过第二1/4波片109变为S偏振光，再经第二偏振分束棱镜106反射，入射到1/2波片112。
从第二偏振分束棱镜106出射的S偏振光、P偏振光经1/2波片112旋转45°入射到第四偏振分束棱镜113，经第四偏振分束棱镜113分束后产生相位为0°和180°的两路干涉信号，入射至第三光电二极管116和第四光电二极管117。
图4示出了根据本发明一个实施例的90°和270°两束干涉信号的产生原理。
如图4所示，-1级的衍射光经第一偏振分束棱镜105分束，分束后P偏振光经第一偏振分束棱镜105透射至第二1/4波片109，经第二1/4波片109变为右旋偏振光，经反射膜元件反射后再次经过第二1/4波片109变为S偏光，经第一偏振分束棱镜105反射，入射到第三1/4波片110。
-1级的衍射光经第二偏振分束棱镜106分束，分束后S偏振光经第二偏振分束棱镜106反射后经第一1/4波片207变为左旋偏振光，经折转棱镜107两次反射回到第一1/4波片207变为P偏振光，经第一偏振分束棱镜105透射，入射到第三1/4波片110。
从第一偏振分束棱镜105出射的S偏振光、P偏振光经第三1/4波片110后并转为圆偏振光，入射到第三偏振分束棱镜111，经第三偏振分束棱镜111分束后产生相位为0°和180°的两路干涉信号，加上第三1/4波片110带来的90°相位差，产生相位为90°和270°的两束干涉信号，入射至第一光电二极管114和第二光电二极管115。
第一光电二极管114、第二光电二极管115、第三光电二极管116和第四光电二极管117在接收到相位分别为90°、270°、0°、180°的四路干涉信号后，对四路干涉信号进行光电转换，将四路干涉信号转换为四路相位差为90°的正弦电信号，并发送至信号处理系统2，信号处理系统2对四路相位差为90°的正弦电信号进行相移计算，实现零差光栅位移测量，得到测量光栅的位移量。
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 (10)

1.一种光栅位移测量装置，其特征在于，包括转向干涉测量读数头和信号处理系统，所述转向干涉测量读数头包括光源、光学结构、两组分束结构和光电接收模块，其中；
所述光源用于发出线偏振光，所述线偏振光经准直后出射到所述光学结构；
所述光学结构用于将所述线偏振光垂直入射到测量光栅的表面，以及将衍射后产生携带测量信息的±1级衍射光入射至两组分束结构；
两组分束结构用于分别对±1级衍射光进行分束，产生相位为0°、90°、180°、270°的四路干涉信号；
所述光电接收模块用于接收四路干涉信号，在光电转换后传输到所述信号处理系统；
所述信号处理系统用于对四路干涉信号进行相移计算，得到所述测量光栅的位移量。
2.如权利要求1所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述光学结构包括反射棱镜、转折元件、偏振分束元件、折转棱镜、第一1/4波片、第二1/4波片和反射元件；其中，所述线偏振光经所述反射棱镜反射垂直入射到所述测量光栅的表面，衍射产生的±1级衍射光经所述转折元件转折后相互平行并垂直入射到所述偏振分束元件，经所述偏振分束元件分别分束成S偏振光和P偏振光；S偏振光反射到所述第一1/4波片变为左旋偏振光，并入射到所述折转棱镜进行转向，使其回到所述第一1/4波片变为P偏振光，经所述偏振分束元件透射入射到一组分束结构；P偏振光透射至所述第二1/4波片变为右旋偏振光，并经所述反射元件反射回所述第二1/4波片变为S偏振光，经所述偏振分束元件反射入射到另一组分束结构。
3.如权利要求2所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述转折元件为透镜或折转镜对。
4.如权利要求2所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述反射元件为设置在所述第二1/4波片出射方向上的平面反射镜或镀制在所述第二1/4波片表面的反射膜。
5.如权利要求2所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述偏振分束元件为一个偏振分束棱镜或两个偏振分束棱镜。
6.如权利要求5所述的光栅位移测量装置，其特征在于，两个偏振分束棱镜分别为第一偏振分束棱镜和第二偏振分束棱镜，两组分束结构分别为第一组分束结构和第二组分束结构；其中，
±1级衍射光经所述第一偏振分束棱镜分束成S偏振光和P偏振光，S偏振光经所述第一偏振分束棱镜反射到所述第一1/4波片变为左旋偏振光，经所述折转棱镜的两次反射转向后再次经过所述第一1/4波片变为P偏振光，经所述第二偏振分束棱镜透射入射到所述第二组分束结构，P偏振光经所述第一偏振分束棱镜透射至所述第二1/4波片变为右旋偏振光，经所述反射元件反射回所述第二1/4波片变为S偏振光，经所述第一偏振分束棱镜反射入射到所述第一组分束结构；
±1级衍射光经所述第二偏振分束棱镜分束成S偏振光和P偏振光，S偏振光经所述第二偏振分束棱镜反射到所述第一1/4波片变为左旋偏振光，经所述折转棱镜的两次反射转向后再次经过所述第一1/4波片变为P偏振光，经所述第一偏振分束棱镜透射入射到所述第一组分束结构，P偏振光经所述第二偏振分束棱镜透射至所述第二1/4波片变为右旋偏振光，经所述反射元件反射回所述第二1/4波片变为S偏振光，经所述第二偏振分束棱镜反射入射到所述第二组分束结构。
7.如权利要求6所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一组分束结构包括第三1/4波片和第三偏振分束棱镜，入射到所述第三1/4波片的S偏振光和P偏振光被转为圆偏振光，并入射到所述第三偏振分束棱镜，经所述第三偏振分束棱镜分束后产生相位为90°和270°的两束干涉信号；
所述第二组分束结构包括1/2波片和第四偏振分束棱镜，入射到所述1/2波片的S偏振光和P偏振光被旋转45°入射到所述第四偏振分束棱镜，经所述第四偏振分束棱镜分束后产生相位为0°、180°的两路干涉信号。
8.如权利要求7所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述光电接收模块包括第一光电二极管、第二光电二极管、第三光电二极管和第四光电二极管，相位为90°和270°的两束干涉信号入射到第一光电二极管和第二光电二极管，相位为0°、180°的两路干涉信号入射到第三光电二极管和第四光电二极管。
9.如权利要求1-8中任一项所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述光源为激光器或激光二极管。
10.如权利要求9所述的光栅位移测量装置，其特征在于，所述光源发出的线偏振光的偏振态方向与竖直方向成45°。
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